做ps网页设计的网站有哪些,wordpress内容付费,青岛招聘seo,网页版微信网址是多少一、X射线衍射分析简史 1895年X射线发现 1896 年 2 月对骨折的观察#xff1a;G.和 E. Frost是第一个使用 X 射线进行医疗用途
1897 年法国海关官员的行李扫描。
X射线衍射理论1 X射线衍射理论2 元素的特征X射线 X射线光电子的应用 电磁波的粒子属性 X射线层析成像法
X-ray…一、X射线衍射分析简史 1895年X射线发现 1896 年 2 月对骨折的观察G.和 E. Frost是第一个使用 X 射线进行医疗用途
1897 年法国海关官员的行李扫描。
X射线衍射理论1 X射线衍射理论2 元素的特征X射线 X射线光电子的应用 电磁波的粒子属性 X射线层析成像法
X-ray Computed Tomography X 射线计算机断层扫描 CT X 射线衍射 XRD 只是 X 射线在材料表征中的应用之一
二、X射线的本质和产生
1.X射线的本质
X射线是电磁波的一种。 **电磁波(Electromagnetic wave)**是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波是以波动的形式传播的电磁场具有波粒二象性其粒子形态称为光子电磁波与光子是根据实际研究的不同其性质所体现出的两个侧面。电磁波是横波由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定速度为光速。见麦克斯韦方程组。 在X射线衍射分析中记录的是电场强度矢量所引起的物理效应磁场强度矢量引起的效应不再提及。 X射线是电磁波具有波粒二象性。
1.波动性
X射线对应波长为 1 0 − 12 10^{-12} 10−12~ 1 0 − 9 10^{-9} 10−9m波长和紫外线和γ射线有一定交叠。
不同用途X射线波长不同X射线波长越短穿透材料的能力越强衍射的能力越强。
根据X射线波长不同分为
硬X射线 波长为0.25~0.05nm用于晶体结构分析波长为0.1~0.005nm用于金属无损检测 软X射线波长为1~100nm用于医学透视及安检
波动性表现 连续、干涉和衍射三角函数描述 与物质相互作用吸收和散射统计学描述
2.粒子性
描述X射线波动的物理量频率 ν \nu ν、波长λ与描述粒子特性光子能量E、动量P之间遵循爱因斯坦关系式 E m c 2 h ν h c / λ P m c h / λ h ν / c Emc^2h\nuhc/\lambda\\ Pmch/\lambdah\nu/c Emc2hνhc/λPmch/λhν/c
2.X射线的产生
真空中高速运动的带电粒子撞击到任何物质时均可产生X射线。
产生X射线基本条件为
产生自由电子使电子做定向高速运动在电子运动路径上设置突然减速的障碍物
产生X射线的设备——X射线管 管内抽成真空电子运行不受阻碍使阴极发出电子在电场作用下到达阳极
阴极采用钨丝耐高温原子序数高更容易失去电子通过电流加热阴极表面原子的外层电子受到一定的热能或电能的激励后会越出轨道的束缚而成为自由电子。
阳极接地用水冷却和阳极靶相撞产生热。一般阳极靶采用导热性好、熔点高的材料制成如Cu。
在靶上镀上一层过渡金属防止烧毁或者用转靶装置靶面受到阴极电子束轰击的部位不断变换
工作过程: X射线是由阴极加发射出热电子 经高速电压加速获得能量运动速度很大 这种高速电子去撞击阳极A电子部分动能转变为X光能以光子的形式表现出来。
三、特征X射线与连续X射线(Characteristic X-ray and Bremsstrahlung Continuum)
1.连续X射线
1.连续辐射和连续谱
连续辐射/韧致辐射阴极射出的高速电子和靶材原子相撞运动受阻而减速其损失的动能以X射线光子的形式辐射出来。每次碰撞损失的动能不完全相等因此辐射出的X射线光子的波长是按统计规律连续分布的。
X射线连续谱大量电子冲击靶所辐射出的X射线光量子的波长按照统计规律连续分布在一个较大的波长范围所获得的强度。 短波限横轴右侧截距
2.短波限
在管电压V的作用下电子到达阳极靶的动能为eV如果电子动能全部转化成一个X光光子则此光子具有最大的能量、频率和最短的波长此时的波长为短波限 e V h ν h c λ 0 λ 0 h c e V eVh\nuh\frac{c}{\lambda_0}\lambda_0\frac{hc}{eV} eVhνhλ0cλ0eVhc
代入各项常数得 λ 0 12.40 V ( 1 0 − 10 m ) 1.24 V ( n m ) \lambda_0\frac{12.40}V(10^{-10}m)\frac{1.24}V(nm) λ0V12.40(10−10m)V1.24(nm)
可知短波限只与管电压有关而与管电流和靶材的原子序数无关。 管电压越高撞击越剧烈高频无量子越多 短波限和曲线峰值也左移。
3.连续X射线谱的强度
连续X射线谱的强度指的是曲线下包围的面积实验得 I 连 ∫ λ 0 ∞ I ( λ ) d λ K 1 i Z V 2 I_{连}\int_{\lambda_0}^{\infin}I(\lambda)d\lambdaK_1iZV^2 I连∫λ0∞I(λ)dλK1iZV2 K 1 K_1 K1是常数 1.4 × 1 0 − 9 V − 1 1.4\times 10^{-9}V^{-1} 1.4×10−9V−1i是管电流Z是阳极靶材的原子序数V是管电压。
管电压越高相对强度越大短波限越小管电流越大相对强度越大短波限不变靶材原子序数越高相对强度越大短波限不变 X射线管发射连续X射线的效率η η 连续 X 射线总强度 / X 射线管功率 K 1 i Z V 2 / i V K 1 Z V \eta连续X射线总强度/X射线管功率K_1iZV^2/iVK_1ZV η连续X射线总强度/X射线管功率K1iZV2/iVK1ZV
以钨Z74阳极管电压100kV为例则 η ≈ 1 \eta\approx1% η≈1可见X射线管效率很低绝大部分能量在撞击时转化为热能丧失所以采取有效的冷却措施是必要的。
2.特征X射线
特征X射线阴极射向阳极的电子具有足够大的动能时把靶材原子的某些内层电子撞离产生空位使原子处于不稳定高能激发态于是外层电子向内层跃迁填补空位多余的能量以X射线光子的形式辐射出来。
特征辐射/标识辐射选定阳极靶其原子核外每层电子能量恒定跃迁辐射出的光子波长也是若干个特征值它们反映出原子的原子序数特征和原子所处的物理、化学状态基本无关。故称这种辐射为特征辐射。
特征X谱线X射线谱上狭小而尖锐的、叠加于连续谱上的谱线这些谱线对应的波长与管电压和电流无关称为特征X谱线。
特征X射线频率
当电子从主量子数 n 2 n_2 n2跃迁到 n 1 n_1 n1时 h ν n 2 → n 1 E n 2 − E n 1 R h c ( Z − σ 2 ) ( 1 n 1 2 − 1 n 2 2 ) h\nu_{n_2\rightarrow n_1}E_{n_2}-E_{n_1}Rhc(Z-\sigma^2)(\frac1{n_1^2}-\frac1{n_2^2}) hνn2→n1En2−En1Rhc(Z−σ2)(n121−n221)
K系谱线跃迁到K层空位所辐射的特征X射线根据不同的壳层K、L、N、……把K系谱线分为 K α , K β , . . . K_{\alpha},K_{\beta},... Kα,Kβ,... 特征X射线波长莫塞莱定律
希望得到单色的X射线。
已知 λ c ν 1 λ K 2 ( Z − σ ) \lambda\frac c{\nu}\sqrt{\frac1{\lambda}}K_2(Z-\sigma) λνcλ1 K2(Z−σ)这里的 K 2 K_2 K2是和n有关的常数σ是屏蔽常数和电子所在壳层位置有关
莫塞莱定律是X射线荧光光谱和电子探针微区成分分析的理论基础。 特征X射线应用
1.特征X射线作为被收集的信号——能谱一个元素有一组自己的特征谱线根据特征谱线识别不同元素越靠近原子核相邻能级间的能量差也越大 同一电子层靠外亚层的电子能量高跃迁释放的波长短。 E K α E L α E M α E_{K\alpha}E_{L\alpha}E_{M\alpha} EKαELαEMα E K β E K α E L α E_{K\beta}E_{K\alpha}E_{L\alpha} EKβEKαELα 2.特征X射线作为发射的光源——XRD作为单一波长的光源进入被测晶体
一般选择K系谱线作为晶体衍射所需射线L和 M系能量较低易被吸收。 阳极靶材一般选用CrFeCoCu, Mo等。
注意在此应用中单一波长X射线作为光源进入被检测的晶体与晶体内的不同组晶面发生衍射。 四、X射线与物质的相互作用(X-ray’s Interaction with Matter) 物质对X射线的吸收有两种方式
原子对X射线的漫反射形成漫反射的X射线四周发散其能量只占吸收能量的一小部分。电子在原子内迁移引起的其能量主要包括光电子吸收、荧光X射线辐射、俄歇电子等能量以及热散能量称为真吸收。
漫反射式吸收和真吸收构成了由质量吸收系数 μ m \mu_m μm表征的全吸收。
1.散射现象
物质对X射线的散射主要是电子和X射线交互作用的结果。 相干散射射线与内层电子发生碰撞能量没有失去但方向发生变化故频率和波长没有变化。——发生衍射的基础 非相干散射射线与外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相碰撞时电子被撞离电子带走部分能量而成为了反冲电子。射线方向和波长都发生变化。
根据散射前后能量和动量守恒推导出散射X射线的波长增大值 Δ λ λ ′ − λ h m e c ( 1 − c o s θ ) λ e ( 1 − c o s θ ) 0.00245 ( 1 − c o s θ ) 2 λ e s i n 2 θ 2 ( n m ) \Delta\lambda\lambda-\lambda\frac{h}{m_ec}(1-cos\theta)\lambda_e(1-cos\theta)0.00245(1-cos\theta)2\lambda_esin^2\frac{\theta}2(nm) Δλλ′−λmech(1−cosθ)λe(1−cosθ)0.00245(1−cosθ)2λesin22θ(nm)
各原子产生的X射线散射波散布空间各个方向波长互不相同也不存在确定的周相关系互不干涉。
入射X射线波长越短被照物质元素越轻非相干散射越显著。 2.吸收现象 把非相干散射的X射线作为信号来收集从而识别。
1X射线真吸收与衰减规律
X射线的吸收X射线穿过被照物体因为散射、光电效应、热损耗的影响出现强度衰减。
衰减的程度和所经过物质的厚度成正比也和入射X射线的强度和物质密度密切相关。
强度为 I 0 I_0 I0的入射线穿过厚度为 Δ x \Delta x Δx的物件后强度衰减为I则 I 0 − I I 0 Δ I I 0 − μ l Δ x \frac{I_0-I}{I_0}\frac{\Delta I}{I_0}-\mu_l\Delta x I0I0−II0ΔI−μlΔx 这里的 μ l \mu_l μl是被照射物体的线吸收系数或衰减系数 c m − 1 cm^{-1} cm−1相当于单位厚度物质对X射线的吸收。
当 Δ x \Delta x Δx很小时上述式子近似等于 d I I − μ l d x \frac{dI}{I}-\mu_ldx IdI−μldx μ l \mu_l μl不仅和原子序数Z、X射线的波长有关还和物质的密度有关。为了去掉密度对吸收系数的影响用 μ m \mu_m μm代替 μ l \mu_l μl μ l μ m ρ \mu_l\mu_m\rho μlμmρ μ m \mu_m μm为质量吸收系数和物质密度无关表示单位质量物质对X射线的吸收程度。
对 d I I − μ l d x \frac{dI}{I}-\mu_ldx IdI−μldx 进行积分求解 ∫ I 0 I d I I − ∫ 0 x ρ μ m d x I I 0 e − μ m x ρ \int_{I_0}^I\frac{dI}{I}-\int_0^x\rho\mu_mdxII_0e^{-\mu_mx\rho} ∫I0IIdI−∫0xρμmdxII0e−μmxρ其中 I I 0 \frac{I}{I_0} I0I称为透射系数或透过率。
对于任一元素质量吸收系数 μ m \mu_m μm是原子序数Z、X射线的波长的函数 μ m ≈ K λ 3 Z 3 \mu_m\approx K\lambda^3Z^3 μm≈Kλ3Z3K为系数。
对于复杂物质质量吸收系数 μ m \mu_m μm是个元素的质量吸收系数 μ m i \mu_{mi} μmi及各元素的质量分数 ω i \omega_i ωi的加权平均值 μ m ∑ ω i μ m i \mu_m\sum\omega_i\mu_{mi} μm∑ωiμmi
实验证明连续X射线穿过物质时的 μ m \mu_m μm相当于一个波长值为有效波长 λ 有效 \lambda_{有效} λ有效所对应的质量吸收系数有效波长 λ 有效 \lambda_{有效} λ有效和短波限 λ 0 \lambda_{0} λ0关系 λ 有效 1.35 λ 0 \lambda_{有效}1.35\lambda_{0} λ有效1.35λ0
吸收限这里的 μ m \mu_m μm和λ应该连续变化但在实际上 μ m \mu_m μm不是连续变化在某些波长位置突然增加7-10倍然后又随着λ的减小而减小。 吸收限和光电效应有关。
光电效应Photoelectric Effect
当入射X射线光子能量大于吸收体原子某壳层电子的结合能时光子容易被电子吸收获得能量的电子从内层逸出称为自由电子光电子原子处于相应的激发态。
光电效应消耗大量的入射能量表现为吸收系数突增对应的入射波长为吸收限。
荧光辐射Fluorescent Radiation
**荧光辐射二次特征辐射**由X射线激发产生的特征辐射。属于光致发光的萤光现象。
**荧光辐射的过程**入射X射线光子能量足够大把原子内层电子击出产生光电效应被激出电子的原子处于不稳定激发态外层电子向内跃迁辐射出一定波长的X射线。
**荧光辐射的应用**在X射线衍射分析中荧光辐射是有害的因为它会增加衍射花样的背底但在元素分析过程中它又是X射线荧光光谱分析的基础。
激发荧光辐射的能量条件欲激发荧光辐射比如激发K系的荧光辐射要求入射X射线光子能量必须≥从原子中击出一个K层电子所需做的功 W K h ν K h c / λ K W_{K}h\nu_Khc/\lambda_K WKhνKhc/λK。一旦产生X射线荧光辐射入射X射线能量杯大量吸收所以 λ K \lambda_K λK也被称为被照射物质因产生荧光辐射而大量吸收入射X射线的吸收限。
激发荧光辐射的吸收限的影响因素不同元素吸收限不同【Z越大同名K、L、M吸收限波长越短根据 1 λ K 2 ( Z − σ ) \sqrt{\frac1{\lambda}}K_2(Z-\sigma) λ1 K2(Z−σ)】
**荧光X射线的能量和波长**荧光辐射光子的能量一定小于激发它产生的入射X射线的能量所以荧光辐射光子的波长一定大于入射X射线的波长。
俄歇效应Auger Effect
**俄歇效应的过程**原子内壳层的电子被入射X射线激发形成一个空位外壳层电子向内壳层空位跃迁并释放出能量这个能量一方面以光电子的形式释放出来形成荧光辐射另一方面还可以转移到另一个电子导致其从原子中激发出来这个被激发的电子叫俄歇电子这个过程称为俄歇效应。
**俄歇电子的能量**原子初始产生空位的壳层能态和跃迁壳层能态以及逸出电子所处壳层的终止能态差。能量是特征的和入射X射线波长无关和产生俄歇效应原子种类有关。
**俄歇电子应用**俄歇电子一般能量很低只有表面几层原子所产生的俄歇电子才能逃逸出物质表面所以俄歇电子谱仪是典型的表面成分分析设备。轻元素产生俄歇电子的概率比较大比重元素强烈故俄歇效应用于表面轻元素的分析。 2X射线吸收效应的应用
①吸收限的应用
1.根据试样化学成分选择阳极靶材
基本原则入射射线尽可能少地激发样品的荧光辐射。
要求入射线的波长略长于试样的 λ K \lambda_K λK或者小很多。
X射线管所选靶材原子序数比试样原子序数稍小或者大很多。 Z 靶 ≤ Z 样 1 Z_{靶}\leq Z_{样}1 Z靶≤Z样1或 Z 靶 Z 样 Z_{靶} Z_{样} Z靶Z样
如果试样中含有多种元素应根据含量较多的几种元素里原子序数最小的元素来选择。 ②滤片选择
X射线产生的K系谱线包括 K α , K β K_{\alpha},K_{\beta} Kα,Kβ谱线为了获得单一谱线的衍射条纹需要滤掉另一种谱线。需要找到一种材料其吸收限 λ K \lambda_K λK正好位于X射线管产生的 K α , K β K_{\alpha},K_{\beta} Kα,Kβ谱线波长之间尽量贴近 K α K_{\alpha} Kα即 λ K β ( 光源 ) λ K ( 滤波片 λ K α ( 光源 ) \lambda_{K_{\beta}}(光源)\lambda_K(滤波片\lambda_{K_{\alpha}}(光源) λKβ(光源)λK(滤波片λKα(光源)
把此材料置于光路中滤片强烈地吸收 K β K_{\beta} Kβ线对 K α K_{\alpha} Kα吸收很少即可得到单色的 K α K_{\alpha} Kα辐射。
滤片选择原则为滤片原子序数比阳极靶材系数小1/2
