材料测试与分析技术-13-X射线与物质相互作用课件.ppt

1、 1.1 X 1.1 X射线的本质射线的本质 1.2 X1.2 X射线谱射线谱 1.3 X1.3 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X X射线照射到物质上与物质的相互作用是个很复射线照射到物质上与物质的相互作用是个很复杂的过程。从能量转换的角度看，可归纳为三杂的过程。从能量转换的角度看，可归纳为三个能量转换过程：个能量转换过程：E1:E1:散射能量；散射能量；E2:E2:吸收能量，包括真吸收变热部分和光电效吸收能量，包括真吸收变热部分和光电效应、俄歇效应、正电子吸收等；应、俄歇效应、正电子吸收等；E3:E3:透过物质，继续沿原来入射方向传播的能透过物质，继续沿原来入射方向传播的能量，包括

2、波长改变和不改变部分。量，包括波长改变和不改变部分。散射散射吸收吸收穿透穿透X射射 相相线线 互互与与 作作物物 用用 质质经典经典(相干、弹性相干、弹性)散射散射量子散射量子散射+反冲电子反冲电子(康普顿效应康普顿效应)光电效应光电效应+二次特征辐射二次特征辐射(荧光荧光)俄歇效应俄歇效应热能热能1/2mv2 相干散射相干散射 光电效应光电效应荧光荧光热量热量穿透穿透康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应X X射线是电磁波射线是电磁波,具有波粒二象性具有波粒二象性,通过物质时通过物质时,产生以下基本现象：产生以下基本现象：X X射线被物质散射时，产生两种现象：射线被物质散射时，产生两种现象：相

3、干散射 coherent scattering非相干散射 incoherent scattering当当X X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，光子把能量全部转给电子，电子受光子把能量全部转给电子，电子受X X射线电磁射线电磁波的影响将绕其平衡位置发生受迫振动，不波的影响将绕其平衡位置发生受迫振动，不断被加速或者被减速而且振动频率与入射断被加速或者被减速而且振动频率与入射X X射射线相同。由于这些散射波之间复合振动方向线相同。由于这些散射波之间复合振动方向相同、频率相同、相位差恒定的光干涉作用，相同、频率相同、相位差恒定的光干涉作用，所以称之为相干散射

4、。所以称之为相干散射。相干散射1/2mv2康普顿效应 X X射线光子与原子中的电子进行弹性碰撞而散射线光子与原子中的电子进行弹性碰撞而散射射,无能量损失无能量损失,光子方向改变光子方向改变,但波长没有变化。但波长没有变化。相干散射是射线晶体衍射的基础相干散射是射线晶体衍射的基础 当当X X射线光子与束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶射线光子与束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相碰撞时的散射过程中，电子被撞离原运体中的自由电子相碰撞时的散射过程中，电子被撞离原运行方向同时带走光子的一部分动能成为反冲电子；根据动行方向同时带走光子的一部分动能成为反冲电子；根据动量和能量守恒，原有

5、的量和能量守恒，原有的X X射线光量子也因碰撞而损失掉一部射线光量子也因碰撞而损失掉一部分能量，使得波长增加并与原方向偏离分能量，使得波长增加并与原方向偏离2 2角。角。反冲电子反冲电子2经典的电磁理论不能解释经典的电磁理论不能解释的存在，也不能解释的存在，也不能解释随随2 2大小而变化，这种散射效应称为康大小而变化，这种散射效应称为康-吴效吴效应，入射波长越短，被照射物质元素越轻，这一现应，入射波长越短，被照射物质元素越轻，这一现象越显著。象越显著。非相干散射不能参与衍射，只能增加背底。非相干散射不能参与衍射，只能增加背底。利用利用X X射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做射线激发作用而产生

6、的新的特征谱线叫做二次特征辐射，也称之为荧光辐射。二次特征辐射，也称之为荧光辐射。光电子俄歇电子当入射当入射X X射线的波长小于物质的吸收限时射线的波长小于物质的吸收限时,会产生大量荧会产生大量荧光光,增加背底。在增加背底。在X X射线衍射分析中射线衍射分析中,采用相干散射采用相干散射,避免避免荧光的干扰荧光的干扰,所以选择所以选择X X射波长射波长(阳极靶阳极靶)是至关重要的。是至关重要的。X X射线穿过物质时，其强度会衰减；通过多种元射线穿过物质时，其强度会衰减；通过多种元素组成的物质时，素组成的物质时，X X射线的衰减受到了组成该物射线的衰减受到了组成该物质的各种元素的影响，由被照射物质

7、原子本身的质的各种元素的影响，由被照射物质原子本身的性质决定，而与这些原子间的结合方式无关。性质决定，而与这些原子间的结合方式无关。物质对物质对X X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X X射线能量在通过物质射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，时转变为其它形式的能量，X X射线发生了能量损耗。射线发生了能量损耗。物质对物质对X X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生而引起的。这个过程中发生X X射线的光电效应和俄射线的光电效应和俄歇效应。歇效应。以以X X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击

8、出的电子称为被击出的电子称为光电子光电子，辐射出的次级标，辐射出的次级标识识X X射线称为射线称为荧光荧光X X射线。射线。产生光电效应，产生光电效应，X X射线光子波长必须射线光子波长必须小于小于吸吸收限收限kk。原子在入射原子在入射X X射线光子或电子的作用下失掉射线光子或电子的作用下失掉K K层电子，处于层电子，处于K K激发态；当激发态；当L L层电子填充空位层电子填充空位时，放出时，放出E-EE-E能量，产生两种效应：能量，产生两种效应：(1)(1)荧光荧光X X射线；射线；(2)(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子二次电子俄歇电子俄歇电

9、子。当一束当一束X X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。过物质中的距离成正比。HHHxxxdxxxmeIeIIdxIdIIII0/0表示单位重量物质对表示单位重量物质对X X射线强度的衰减程度。射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数质量衰减系数与波长和原子序数Z Z存在如下存在如下近似关系：公式（近似关系：公式（1-181-18）mm随随的变化是不连续的其间被尖锐的突的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。发生突变吸收对应的波长变分开。发生突变

10、吸收对应的波长k k为吸收为吸收限。限。33ZKm1 1 滤波片的选择滤波片的选择 原理：质量吸收系数为原理：质量吸收系数为m,m,吸收限为吸收限为k k的物质，的物质，可以强烈的吸收可以强烈的吸收k k的射线，而波长大于该值的射线，而波长大于该值的吸收很少。的吸收很少。注：滤波片的材料是根据靶元素确定的。注：滤波片的材料是根据靶元素确定的。阳极靶及吸收滤波片的选择：阳极靶及吸收滤波片的选择：当当Z Z靶靶 4040时，时，Z Z片片 =Z=Z靶靶 -1 -1 当当Z Z靶靶 4040时，时，Z Z片片 =Z=Z靶靶 -2-2靶材靶材波长波长()滤波片滤波片(使使IK /IK=1/600)K

11、K 元素元素吸收限吸收限 厚度厚度mm银银470.5610.497铑铑450.5340.079钼钼420.7110.632锆锆400.6880.108铜铜291.5421.392镍镍281.4880.021钴钴271.7901.621铁铁261.7430.018铁铁261.9371.757锰锰251.8950.016铬铬242.2912.085钒钒232.2680.0162 2 阳极靶的选择阳极靶的选择 阳极靶选择原则：避免产生大量荧光阳极靶选择原则：避免产生大量荧光,增加背底增加背底最佳选择最佳选择:靶发出的靶发出的K K 线远离样品的吸收限线远离样品的吸收限通常，通常，Z Z靶靶Z Z样样+1+1散射散射吸收吸收穿透穿透X射射 相相线线 互互与与 作作物物 用用 质质经典经典(相干、弹性相干、弹性)散射散射量子散射量子散射+反冲电子反冲电子(康普顿效应康普顿效应)光电效应光电效应+二次特征辐射二次特征辐射(荧光荧光)俄歇效应俄歇效应热能热能热能热能透射透射X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I0散射散射X X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应