電磁輻射與材料的相互作用.ppt

1、第二章 電磁輻射與材料的相互作用,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 各類特征譜基礎（自學） 第三節(jié) X射線的產(chǎn)生及其與物質(zhì)的相互作用,第一節(jié) 概述,一、輻射的吸收與發(fā)射,1.輻射的吸收與吸收光譜,輻射的吸收：是指輻射通過物質(zhì)時，其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子(原子、離子或分子等)選擇性地吸收從而使輻射強度減弱的現(xiàn)象。,實質(zhì)：在于輻射使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級(一般為基態(tài))向高能級(激發(fā)態(tài))的能級躍遷被選擇性吸收的輻射光子能量應為躍遷后與躍遷前兩個能級間的能量差。,(2-1),吸收光譜：輻射(能量)被吸收的程度(一般用吸光度等表示)與v或的關(guān)系(曲線) 即輻射被吸收程度對v或的分布稱為吸收光譜,2輻射的發(fā)射

2、與發(fā)射光譜,輻射的發(fā)射：是指物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象,發(fā)射的電磁輻射頻率取決于輻射前后兩個能級的能量(E2與E1)之差，即,(2-2),輻射發(fā)射的實質(zhì)：在于輻射躍遷，即當物質(zhì)的粒子吸收能量被激發(fā)至高能態(tài)(E2)后，瞬間返回基態(tài)或低能態(tài)(E1)，多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來,發(fā)射光譜：物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度(能量)對v或A的分布稱為發(fā)射光譜；光致發(fā)光者，則稱為熒光或磷光光譜,3光譜的分類,按輻射與物質(zhì)相互作用性質(zhì),吸收光譜,發(fā)射光譜,散射光譜（拉曼散射譜）,按強度對波長的分布(曲線)特點,線光譜,帶光譜,連續(xù)光譜,二、輻射的散射,輻射的散射：指電磁輻射(與物質(zhì)發(fā)生相互作用)部分偏離

3、原入射方向而分散傳播的現(xiàn)象,散射基元是實物粒子，可能是分子、原子中的電子等，取決于物質(zhì)結(jié)構(gòu)及入射線波長大小等因素,1.分子散射,分子散射：是入射線與線度（即尺寸大?。┻h小于其波長的分子或分子聚集體相互作用而產(chǎn)生的散射,包括,瑞利散射：是指入射線光子與分子發(fā)生彈性碰撞作用，僅光子運動方向改變而沒有能量變化的散射瑞利散射線與入射線同波長,拉曼散射：是指入射線(單色光)光子與分子發(fā)生非彈性碰撞作用，在光子運動方向改變的同時有能量增加或損失的散射拉曼散射線與入射線波長稍有不同，波長短于入射線者稱為反斯托克斯線，反之則稱為斯托克斯線,2晶體中的電子散射,電子是散射基元,相干散射,非相干散射,相干散射：是

4、指入射線光子與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子(如內(nèi)層電子)發(fā)生彈性碰撞作用，僅其運動方向改變而沒有能量改變的散射相干散射又稱為彈性散射,當入射線通過物質(zhì)時，物質(zhì)原子的電子在電磁場的作用下將產(chǎn)生受迫振動，其振動頻率與入射X射線的頻率相同。 任何帶電粒子作受迫振動時將產(chǎn)生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振動頻率相同。 由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎。,X射線經(jīng)束縛力不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這

5、種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓散射,也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,非相干散射：是指入射線光子與原子內(nèi)受束縛較弱的電子(如外層電子)或晶體中自由電子發(fā)生非彈性碰撞作用，在光子運動方向改變的同時有能量損失的散射，又稱為非彈性散射。,入射X射線遇到約束松的電子時，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（）比入射x射線的波長（）長，其差值與角度之間存在如下關(guān)系：,不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強度隨（sin/）的增加而增大，在底片中心處（射線與底片相交處）強度最

6、小，越大，強度越大。,三、光電離,光電離：是指入射光子能量(hv)足夠大時使原子或分子產(chǎn)生電離的現(xiàn)象，其過程可表示為 ：,(2-5),式中：M原子或分子； M+離子； e 自由電子,光電子產(chǎn)額隨入射光子能量的變化關(guān)系稱為物質(zhì)的光電子能譜 光電子能譜與物質(zhì)狀態(tài)、能級或能帶結(jié)構(gòu)及光電子來自原子內(nèi)層或外層等密切相關(guān)，即光電子能譜也是含有物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等信息的特征譜 。,第三節(jié)X射線的發(fā)生及其與物質(zhì)的相互作用,偉大的物理學家,X射線發(fā)明者-倫琴,德國維爾茨堡大學校長（W. K. Rontgen，1845-1923）,倫琴在給孔特（A. Kundt，1839-1894）的信中說：,我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我

7、不知道是什么光，無以名之，就把它叫做X光吧。,一、X射線的產(chǎn)生與X射線譜,倫琴的實驗室,第一張X光片,.1895年德國物理學家-“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線 .1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì) .1901年倫琴獲諾貝爾獎 .1912年勞埃進行了晶體的X射線衍射實驗,右圖是紀念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀念封,在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務 李鴻章在X光被發(fā)現(xiàn)后僅7個月就體驗了此種新技術(shù)，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。,X射線最早的應用,X射線的性質(zhì),人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)

8、出熒光。 X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當穿過物體時僅部分被散射。 X射線對動物有機體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細胞。,X射線的本質(zhì),X射線也是電磁波的一種，波長在108cm左右,X射線具有波粒二相性,X射線的強度是衍射波振幅的平方（ ） ，也是單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。,一、X射線的產(chǎn)生與X射線譜,X射線的產(chǎn)生： X射線是高速運動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。,1源X射線的產(chǎn)生,X射線管的結(jié)構(gòu),X射線管,（1） 陰極發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。 （2）陽極靶，使電子突然減

9、速并發(fā)出X射線。 （3）窗口X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。,（4）高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極（5）焦點陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來的。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點,X射線衍射工作中希望細焦點和高強度；細焦點可提高分辨率；高強度則可縮短暴光

10、時間,X射線管,2連續(xù)X射線譜,X射線強度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。 在管壓很低時，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。,對連續(xù)X射線譜的解釋1,根據(jù)經(jīng)典物理學的理論，一個帶負電荷的電子作加速運動時，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時必然要產(chǎn)生一個電磁波，或至少一個電磁脈沖。 由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。,對連續(xù)X射線譜的解釋2,量子力學概念，當能量為ev的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個能量為hv的光子，即“韌致輻

11、射”。 大量的電子在到達靶面的時間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強度的光子序列，即形成連續(xù)譜。 極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限0。都有一個最短波長，稱之短波限0，強度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）,連續(xù)譜總強度(I連)即I()曲線積分面積，有經(jīng)驗公式：,式中：a常數(shù),可見，連續(xù)X射線的總能量隨管電流、陽極靶原子序數(shù)和管電壓的增加而增大。,3特征X射線譜,隨電壓增加，X譜線上出現(xiàn)尖峰。尖峰在很窄的電壓范圍出現(xiàn)，產(chǎn)生X光的波長范圍也很窄

12、。稱為特征X射線(characteristic peaks),鉬靶X射線管當管電壓等于或高于20KV時，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強譜線，它們即特征X射線譜。 鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63和0.71處，后者的強度約為前者強度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系,X射線譜- 特征X射線譜,3特征X射線譜,特征X射線的產(chǎn)生： 若管電壓增至某一臨界值(稱激發(fā)電壓)使撞擊靶材的電子具有足夠能量時，可使靶原子內(nèi)層產(chǎn)生空位，此時較外層電子將向內(nèi)層躍遷產(chǎn)生輻射即特征X射線,特征X射線光子能量(相應的頻率及波長)取決于躍遷前后能級差,特征X射線的產(chǎn)生機理,特征X

13、射線的產(chǎn)生機理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。,原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。,但當管電壓達到或超過某一臨界值時，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。,陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。,如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。,特征X射線的產(chǎn)生機理,產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WKhK，陰極電子的能量必須滿足eVWKhK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVKWK ，VK稱之臨界激發(fā)電壓。,處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)

14、的傾向，此時外層電子將填充內(nèi)層空位，相應伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時，多出的能量以X射線形式輻射出來。 因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。,以K層產(chǎn)生空位為例,當一個外來電子將K層的一個電子擊出成為自由電子（二次電子），這時原子就處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過渡。 此時位于較外層較高能量的L層電子可以躍遷到K層。這個能量差 E=EL-EK=h 將以電磁波的形式放射出去，其波長 h/E 必然是個僅僅取決于原子序數(shù)的常數(shù)。,Ka l = 0.154nm DE = 1.29 10-15J,Kb l = 0.139nm DE =

15、 0.15 10-15J,La l = 1.336nm DE = 1.43 10-15J,where K = 1s2 level L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level,Copper銅,K,L,M,LK，產(chǎn)生K MK，產(chǎn)生K,特征X射線,若K層產(chǎn)生空位，其外層電子向K層躍遷產(chǎn)生的X射線統(tǒng)稱為K系特征輻射，其中由L層或M層或更外層電子躍遷產(chǎn)生的K系特征輻射分別順序稱為K，K，射線；,K系特征輻射,若L層產(chǎn)生空位，其外M，N，層電子向其躍遷產(chǎn)生的譜線分別順序稱為L，L，射線，并統(tǒng)稱為L系特征輻射,L系特征輻射,M系等依次類推,躍遷定則(光譜選律),1， n=0或任意正

16、整數(shù)； 2， L= 1躍遷只允許在S項和P項， P項和S項或D項之間，D項和P項 或F項之間，等； 3， S=0，即單重項只能躍遷到單重項，三重項只能躍遷到三重項，等； 4， J=0， 1。但當J=0時J=0的躍遷是禁阻的。 n=1,2,3，線系, 線系, 線系； LK層K； K1 、 K2 MK層K ； K1 、 K2 NK層K ； K 1 、 K 2 M L 層L ； L1 、 L2 NL層L ； L 1 、 L 2 NM層M； M1 、 M2,特征（標識）X射線產(chǎn)生的根本原因是原子內(nèi)層電子的躍遷。 （1）不同Z，有不同特征X射線，K、K也不同。 （2）若V低于激發(fā)電壓Vk，則無K、K產(chǎn)生

17、。,靶材料 特征X射線波長 元素 序數(shù) K K Cr 24 2.2907 2.0849 Fe 26 1.9373 1.7566 Ni 28 1.6592 1.5001 Cu 29 1.5418 1.3922 Mo 42 0.7107 0.6323 W 74 0.2106 0.1844,特征X射線波長與靶材料原子序數(shù)有關(guān),原子序數(shù)越大，核對內(nèi)層電子引力上升，下降,莫色萊定律,特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素無關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。19131914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：,根據(jù)莫色萊定律，將實驗結(jié)果所得到的未知元素

18、的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù),小結(jié),衍射分析采用,是衍射分析的背底; 是醫(yī)學采用的,僅在特定波長處有特別強的強度峰,譜圖特征:強度隨波長連續(xù)變化,高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波,特征譜 (硬X射線),高速運動的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波,連續(xù)譜 (軟X射線),二、X射線與物質(zhì)的相互作用,X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復雜的物理過程。,一束X射線通過物體后，其強度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強度衰減的主要原因。,X射線與物質(zhì)的作用分為散射、吸收、透射,1、 散射,（1）相干散射,入射光子與電子剛性碰撞

19、，其輻射出電磁波的波長和頻率與入射波完全相同，新的散射波之間將可以發(fā)生相互干涉-相干散射。 相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎。,(2）非相干散射,當物質(zhì)中的電子與原子之間的束縛力較小（如原子的外層電子）時，電子可能被X光子撞離原子成為反沖電子。因反沖電子將帶走一部分能量，使得光子能量減少，從而使隨后的散射波波長發(fā)生改變，成為非相干散射。,小結(jié),2 吸收,(1)光電效應,除了被散射和透射掉一部分外，X射線能量主要將被物質(zhì)吸收，這種能量轉(zhuǎn)換包括光電效應和俄歇效應。,當入射X光子的能量足夠大時，還可以將原子內(nèi)層電子擊出使其成為光電子，同時輻射出波長嚴格一定的特征X射線。為區(qū)別于電子擊靶時產(chǎn)

20、生的特征輻射，由X射線發(fā)出的特征輻射稱為二次特征輻射，也稱為熒光輻射。(熒光光譜分析原理是光電效應),光電子,熒光輻射,(2)俄歇效應,如果原子K層電子被擊出，L層電子向K層躍遷，其能量差不是以產(chǎn)生K系X射線光量子的形式釋放，而是被鄰近電子所吸收，使這個電子受激發(fā)而逸出原子成為自由電子-俄歇電子(Auger electrons)。這種現(xiàn)象叫做俄歇效應。,吸收限,上式形式上與短波限非常相似，但物理意義完全不同。 0 = 1.24/V（nm）連續(xù)譜的短波限0隨管電壓的增高而減小，而k說明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。 從X射線激發(fā)光電效應的角度，稱K為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱K為吸收限。,激發(fā)K系光電效應時，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠時所作的功WK，即,將激