第3章:X射线的产生及X射线的性质(1-2).ppt
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,3.1X射线的本质3.2X射线的产生3.3X射线光谱3.4X射线与物质的相互作用3.5X射线防护,第3章:
X射线的性质,3.1X射线的本质1895年,伦琴发现了X射线:
肉眼看不到,但可使照相底片感光、荧光板发光和使气体电离;能透过可见光不能透过的物体;在电场和磁场中不偏转,通过物体时不发生反射、折射现象,通过普通光栅亦不引起衍射;对生物有很厉害的作用。
1912年,劳埃发现了X射线在晶体中的衍射,从而肯定了X射线的电磁波性质。
X射线是一种波长很短的电磁波,波长介于射线和紫外线之间,由0.0011nm。
硬X射线:
波长较短,晶体结构分析;软X射线:
波长较长,医学透视。
因此,X射线具有波动性和粒子性。
波动性:
干涉和衍射现象粒子性:
吸收或散射,度量X射线波长的单位:
1.埃():
110-8cm(过去常用)2.纳米(nm):
1nm=10(法定单位)3.kX:
1kX=1.002056(盛行于五六年代),X射线波动性(、)与粒子性(、p)之间的关系:
hhc/p=h/h普朗克常数,h=6.6251034JscX射线的速度,c2.998108m/sX射线的波长较可见光短的多,因此,能量和动量很大,具有很强的穿透能力。
3.2X射线的产生,现在人们已经发现了许多的X射线产生机制,其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法用阴极射线(高速电子束)轰击阴极(靶)的表面。
高真空10-410-6Pa,至高压发生器40-120kV,接地,高速电子流,X射线,当灯丝被通电加热至高温时(达2000),大量的热电子产生,在正负极之间的高电压作用下被加速,高速轰击到靶面上。
高速电子到达靶面,运动突然受阻,其动能部分转变为辐射能,以X射线的形式放出。
轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能,而大部分都转变成为热能。
阴极:
发射电子。
钨丝,高压下释放出热辐射电子。
阳极:
靶(Target)。
高速运动的热辐射电子突然减速并发射X射线。
阳极材料为Cu,称之为Cu靶。
另外常用的还有Fe靶、Mo靶等。
窗口:
X射线射出的通道,一般有2个或4个。
金属铍或硼酸铍锂玻璃,3.3X射线光谱1、连续X射线光谱高速电子与阳极靶的原子碰撞时,由高速运动突然转为停止不动,电子失去动能,将一部分动能转化为热能,另一部分转化为一个或几个光子辐射出去,这个光子流就是X射线。
由于X射线的能量不同,因此,放出的X射线的频率不同。
由此产生的X射线是连续的,称为连续X射线光谱,简称连续谱,也叫白色X射线。
为什么会产生连续X射线?
连续谱有一个最短波长的极限0,若一个电子的动能全部转化成X光子的能量,波长最短。
设电子的动能为EeU,x射线的能量为:
hhc/0=hc/max=hc/E这时该光子将具有最短的波长0。
在实际的能量转化中,绝大多数电子,都有能量损耗,即max,因此0。
实际形成:
以0为最短波长的连续谱线。
最短波长与X射线管的电压有关。
eU=hmax=hc/0e自由电子电荷,e=1.6021019CUX射线管的电压(kV)h普朗克常数,h=6.6251034JscX射线的速度,c2.998108m/s则0hc/eU1.24/U即管电压越大,最短波长0越小。
即连续谱的短波限只与管电压有关。
连续光谱与管电压、电流及靶的原子序数的关系:
连续X射线的强度:
I=nhv,因此,其最大值并不在光子能量最大的0处,而在大约1.50处。
反之,强度最大的波长约为强度最小波长的3/2。
管电压不变,增加管电流或改变靶时,0不变。
增加管电压,电子的动能增加,电子与靶碰撞的次数和辐射出的X射线的数量和能量都增大,因此,连续谱各波长的强度都相应增高,各曲线对应的最大值和短波限都向短波方向移动。
连续谱强度公式:
I连=aiZUmia常数,a(1.11.4)109mi常数,mi2则X射线管发射X射线的效率为:
I连/X射线管功率=aiZU2/iU=aZU可见,X射线的发射效率与靶的原子序数及管电压有关。
要提高X射线发射效率就要选用重金属靶并施以高电压。
Mo靶的X射线谱,连续X射线光谱的应用:
连续X射线光谱应用不广,只有劳埃法才用它。
在其它方法中它只能造成不希望有的背景。
2.特征X射线光谱从原子物理学知道,原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上(电子轨道),用记号K、L、M、N表示。
K层最靠近原子核,能量最低,稳定性最强(电子束缚能最高)。
EkELEM,当外来电子的能量足够高(大于K层电子的电子束缚能),则可能把K层的一个电子击飞,从而使原子处于不稳定状态(激发态)。
高速电子流,打飞的电子(光电子),激发态不是稳定态,必然自发地向稳定态过渡。
方法之一:
较高能量的L层电子向K层跃迁。
在跃迁的过程中,前后存在能量差异,其差异即等于K层与L层的能级差EKLEL-EK该差值能量将以X射线的形式放射出去,辐射:
EKL=h=hc/hc/EKL,X射线,X射线,方法之二:
更高能级的M层向K层跃迁,辐射EMKEM-EKh=hc/hc/EMK显然同理,由NK的跃迁形成的辐射叫辐射。
由于K层电子缺失、电子跃迁形成的X射线称K系X射线,即K、K、及K射线,同理,还有L系、M系X射线。
由:
h/E可知不同的原子,各轨道间的能量差不同,因此,所产生的K、K、及K波长不同且固定。
即波长取决于原子序数,称之为特征X射线光谱。
一般来讲,轨道越靠近,发生跃迁的几率越大,即III另外:
IKILIM,在LK跃迁产生K辐射时,由于L电子层有三个亚层,三个亚层之间有微小的能量差异。
能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。
E1EL2-EKhhc/1E2EL3-EKhhc/2所产生的K射线就分为K1和K2。
其波长有微小的差异。
比如Cu,K11.5405K21.5443另外其射线K1.3921,通常情况下,在特征谱中,K1、K2、K的强度分布如下:
I1:
I2:
I:
100:
50:
13.8波长特征,例如Cu:
K11.5405K21.5443K1.3921Fe:
K11.9360K21.9400K1.7566,在X射线衍射分析中,K射线的波长差异较大,可设法去掉和消弱其强度。
由于K1、K2的波长很接近,所以在很多情况下,都是按二者的加权平均值作为K射线的波长,计算方法如下:
K=(2K1+K2)3至于K射线,因其波长差异较大,必须设法去掉和消弱其强度。
典型的X射线谱(含连续谱和特征谱),几种常用阳极靶材料的特征谱参数,3、特征X射线波长与阳极材料的关系莫赛莱(H.G.JMoseley)定律,式中某线系(、)的特征射线的波长Z原子序数K,为给定的线系的常数。
莫塞莱定律为X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。
不同元素的特征X射线波长(),4、特征X射线的应用
(1)阳极材料已知时电子束轰击可以得到已知波长的特征X射线-用于X射线衍射分析的光源。
如,Cu阳极(Cu靶),得到Cu:
K11.5405K21.5443K1.3921,
(2)阳极材料未知时阳极换成未知样品,则样品中含有哪种元素,即可得到哪种元素的特征X射线波长,若含多种元素,则得到多种元素的特征X射线波长。
如果能测定出样品产生的X射线波长(或能量),则可以鉴定出样品中的元素种类(及含量)-EPMA,EDX(Elctronprobemicroscopicanalyzer,EnergydispersiveXrayanalysis)。
3.4X射线与物质的相互作用,X射线照射到物质上,除一部分可能沿原入射线束方向透过物质继续向前传播外,其余部分则在与物质相互作用,在复杂的物理过程中被衰减。
X射线与物质的相互作用形式,可分为散射和吸收两大类。
1、X射线的散射
(1)相干散射:
当X射线与原子的内层电子碰撞后,X射线光子把能量全部传递给电子,电子发生受迫振动,产生二次辐射,这种辐射即散射波。
这种散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光的干涉条件,所以,可发生干涉作用,故称为相干散射,也叫弹性散射或汤姆逊散射。
相干散射-XRD(Xraydiffraction)。
(2)非相干散射当入射X射线与原子中束缚力不大的外层电子相撞时,电子被撞离原子并带走光子的一部分能量,而成为反冲电子。
原来的X射线光子的能量因而损失掉一部分,使得波长增加并与原方向偏离2角。
由于散布于空间各个方向的散射波与入射波波长不相等,位相也不存在确定的关系,因此不能产生干涉效应,也叫非相干散射。
(康普顿吴有训效应,也叫康普顿散射),入射X射线(入),康普顿反冲电子(光电子),散射波(散),2,X射线的非相干散射,入散,非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射,只会在图上形成背底,给衍射精度带来不利影响。
入射波长越短,被照射元素越轻,这一现象越显著。
2、X射线的吸收X射线与物质相互作用,会产生光电效应及俄歇效应,同时伴随着热效应,由于这些效应而消耗的入射X射线能量,统称为物质对X射线的吸收或真吸收。
(1)光电效应荧光辐射当入射X射线的能量足够大时,可以从被照射物质的原子内部(如K层)击出一个电子,使原子处于激发状态,同时原子外层高能态电子向内层的K空位跃迁,辐射出波长一定的特征X射线,为二次特征X射线,也称为荧光辐射。
这种以X射线光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应。
激发原子产生K、L、M系荧光效应时,入射X射线光子的能量必须大于或至少等于从原子中击出一个K、L或M层电子所做的功WK、WL、WM。
例如:
WKhK=hc/kWK=eUK因此,khc/eUK=12.4/UKK及k为激发K系时所需的入射线频率及波长的临界值,从吸收角度而言,k即为K吸收限。
产生光电效应时,入射X射线的能量大量被消耗,转化为光电子的逸出功、所携带的动能以及荧光辐射的能量。
因此,入射X射线的能量被大量吸收,所以K、L、M也称为被照射物质因产生光电效应荧光辐射而吸收的入射X射线的吸收限。
不同元素,吸收限不同。
Z越大,越短。
荧光辐射的波长大于入射X射线的波长。
应用a、光电子光电效应中被击打出的光电子的能量E为:
EE核外电子结合能(如K层,为EK)由于不同元素的核外电子具有不同的能量,因此,测定光电子的能量,则可确定被照射物质的化学成分XPS原理(XrayPhotoelectronicSpectroscopy)。
对光源的要求:
固定的已知能量,常采用单色X射线。
(X射线不容易聚焦,因此样品分析时空间分辨率低),MgK激发Ag得到的光电子谱,Auger,XPS进行成分测定的特点:
.样品最表面元素种类(及含量)的测定(信息深度10层原子)。
较深部位元素产生的光电子很难逸出样品表面。
.元素的不同状态,其光电子的能量会有差异(化学位移),因此可测定元素的不同状态-价态、配位形式等。
例如Si的2p电子结合能:
单质硅中:
99.6eVSiO2中:
103.4eV,有机化合物化学位移举例,b.荧光辐射(二次X射线)当X射线从原子中激发出光电子后,原子的内层电子缺失,成激发状态,为不稳定态。
激发态稳定态高能级向低能级跃迁,产生X射线,称为二次X射线荧光辐射。
该X射线的波长,完全取决于物质中的原子类型,而入射线可为单色,也可为白色。
若测定该二次射线的波长,即可得到物质的化学组成-XRF原理(X-RayFluorescencespectrometer)。
但在X射线衍射分析中,荧光辐射是有害的,因为它增大了衍射花样的背底。
(2)俄歇效应如果原子K层电子被击出,发生光电效应,产生光电子。
L层电子向K层空位跃迁,其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放,而是被邻近层(如M层)的电子所吸收,使这个电子受激发而逸出,这种现象称之为俄歇效应,逸出的电子称为俄歇电子。
俄歇电子的能量也是特定的,与物质的种类有关,而与入射X射线无关,因此,检测检测俄歇电子可得到元素额信息。
AES原理(AugerElectron
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