电磁辐射与材料的相互作用

原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（ 称为靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃 -金属管壳内。
➢当钨丝被3～4A的电流加热后，发出热
电子。
铜 X射线
钨丝 玻璃 真空
冷却水
管座（接变压器）
靶（阳极） 铍窗 X射线 聚焦罩
➢在阳极和阴极间加直流高压V，
➢阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极
，并撞击金属靶。
➢电子的突然减速或停止运动,使大部分（99
％）能量转变成热能,小部分（1％）转变为X
射线。
铜 X射线
钨丝 玻璃 真空
冷却水
管座（接变压器）
靶（阳极） 铍窗 X射线 聚焦罩
➢为避免靶材熔解，加循环冷却水 ➢X射线在与靶面约成6角处的强度最大， ➢按此角度在管上开一窗口，让X射线透过 ➢窗口材料：对X射线吸收少的Be
第二章 电磁辐射与材料的相互作用
第三节 X射线的产生及其与物质的 相互作用
一、X射线的产生与X射线谱 二、X射线与物质的相互作用 三、X射线的衰减 四、X射线的防护
一、X射线的产生与X射线谱
X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之 间的具有较短波长的电磁波。
波长, 以m为单位 10–12 10–10 10–8
K K2
I
连续谱
E
原子结构(回顾） ➢原子由原子核及绕核运动的电子组成。 ➢电子分布在不同能级的壳层上， ➢离核最近的K层能级最低，其次L、M、 N等能级逐渐增高。 e-
e-
KL MN
ee-
特征谱产生的机理 ➢管电压增加到某一临界值(激发电压)， ➢使撞击靶材的电子能量（eV)足够大， ➢可使靶原子内层产生空位, ➢较外层电子向内层跃迁, ➢产生波长确定的X射线(特征X射线)。
铜 X射线 钨丝 玻璃 真空
冷却水
管座（接变压器）
靶（阳极） 铍窗 X射线 聚焦罩
X射线的产生条件 (简述）: 1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.在其运动的路径上设置一个障 碍物使电子突然减速或停止。
电子束
X射线
金属板
X射线谱分类 X射线管发出的X射线分为两类： （1）具有连续波长的X射线，称为连续谱； （2）波长确定的X射线，称为特征谱。
射线 紫外线 x射线
射线
4 10–7
7 10–7
➢X射线波长10–12——10–8m. ➢用于XRD的波长：～ 10–10m, ➢可见光的波长: ～410–7～710–7m， ➢可见:X射线比可见光,波长要短得多。
波长, 以m为单位 10–12 10–10 10–8
射线 紫外线 x射线
射线
4 10–7
K
K
ML
e-
➢特征X射线光子能量＝跃迁前后能级差 例：若K层产生空位，L层电子向K层 跃迁，则辐射的X射线光子能量：
hL →K = EL – EK
K
K
ML
e-
特征X射线的命名 ➢若K层产生空位，L层或M层或更外层 电子向K层跃迁， ➢产生的X射线统称为K系特征辐射， ➢分别按顺序记为K，K，…射线。
减速。电子所减少的能量（E）转为所发射X射
线光子能量（h），即h=E。由于击靶的电子
数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能
不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能
量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波
长的X射线，构成了连续谱。
电子初始动能为E0；
E0
击靶后电子的动能变 为En ；
E0
则E0 - En = h为所发
射X射线光子的能量 hν= E0 –E2
E0
E0
hν=E0
靶材原子
hν=E0 –E3
E3 hν= E0 –E1 E1
E2
连续谱的总强度决定于上述V、i、Z 三因素，即
0
式中,为常数.
izV2
I
0
3 .特征X射线谱 定义：在某些特定波长位置出现的叠 加在连续谱上的高而狭仄的谱线。
K1
特征谱
K K
35kV 25kV
20kV
/nm
莫赛莱（Moseley)定律 表明特征谱线波长与物质原子序数的关系
1
=
C(Z - s)
式中C、s—与线系有关的常数。
可见：原子序数↑ → K线系波长↓
例：Cu (Z=29) 靶X射线： K1 = 1.5406 Å Mo (Z=42) 靶X射线： K1 = 0.7093 Å
K1
特征谱
K K2
I
连续谱
E
➢例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续
谱,
➢当管压= 25kV，则出现特征谱.
特征谱
Mo靶
25kV
连续谱
20kV
15kV 10kV 5kV
2 .连续X射线谱 定义：由某一最短波长（0，称短波限） 开始，强度（I）随波长连续变化的X射线 谱。
I
0
产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被
产生的特征X射线，称K辐射。例如， CuK= 1.3922Å 。
➢实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为 例， K1=1.5405Å， K2=1.5443Å;
➢原因：分别由L3层及L2层
K1
电子向K层（空位）跃迁而
产生。 L层
lj
K2
K层
= 1.540 1.544 Å
特征X射线的一些规律：
激发电压VK＞VL＞ … 同系各谱线： K＜ K 特征谱线位置（波长） 与靶材（Z）有关与V 无关 若V ＞V激发后，V↑→ 仅谱线强度↑
7 10–7
➢X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象 性。
波动性
粒子流
➢ X射线波动性与微粒性的关系：
E = h = hc/
式中 h —普朗克常数 h = 6.6261810–34J·s； c — 光速 c = 3 108m·s–1； E、 、 —X射线光子的能量、 频率、波长。
➢X射线与可见光相比， ➢共性:波粒二象性 ➢不同： X射线波长短、能量大 ➢不同体现在：
①穿透能力强。能穿透可见光不能穿透 的物质，如生物的软组织等。
prism
window
②X射线穿过不同媒质时折射和反射极小 ，仍可视为直线传播。 ③通过晶体时发生衍射，因而可用X射线 研究晶体的内部结构。
1. 源X射线的产生
装置：在实验室里, 产生X射线是利用 具有高真空度的X 射线管。
问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？
L K
KL M
K
➢距K层越远的能级，电子向K层跃迁的
几率越小，辐射光子数越少，
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∴常见K，K辐射（忽略其它） ➢若M或N层电子→L层（空位）跃迁，
谱线记为L，L，…射线，
称为L系特征辐射等。
L
K
KL M
K
实例: ➢由近邻L层电子填充K层的空位后所产
生的特征X射线，称K 辐射。例如， CuK= 1.5418Å; ➢由次近邻M层电子填充K层的空位后所