X射线的产生及其物理作用学习教案

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1、会计学1X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用第一页，编辑于星期日：七点 二十五分。第1页/共42页第二页，编辑于星期日：七点 二十五分。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础二、二、X X射线谱射线谱三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、四、X X射线的探测与防护射线的探测与防护第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用第2页/共42页第三页，编辑于星期日：七点 二十五分。第3页/共42页第四页，编辑于星期日：七点 二十五分。第4页/共42页第五页，编辑于星期日：七点 二十五分。 第5页/共42页第六页，编辑于星期日：七点 二十五分。量量子子数数原

2、子轨道原子轨道电子（壳电子（壳）层）层电子能级电子能级n n电 子 离电 子 离核 的 平核 的 平均距离均距离原子轨原子轨道离核道离核的平均的平均距离，距离，n n越大距越大距离越远离越远电子层离核的电子层离核的平均距离，平均距离，n n相同的电子分相同的电子分布在同一亚层布在同一亚层电子主能级，电子主能级，n n越越大能级越高大能级越高l l电 子 轨电 子 轨道 运 动道 运 动角 动 量角 动 量大小大小原子轨原子轨道形状道形状电子亚层（电子电子亚层（电子支壳层），同一支壳层），同一电子层对应于电子层对应于l l的的n n个取值分为个取值分为n n个亚层个亚层亚能级，同一主能亚能级，同

3、一主能级对应级对应l l取值分为取值分为n n个亚能级个亚能级j j越大，越大，亚能级越高亚能级越高m m轨道角轨道角动量在动量在外磁场外磁场方向分方向分量的大量的大小小原子轨原子轨道在空道在空间的伸间的伸展方向展方向电子亚层含有不电子亚层含有不同伸展方向的轨同伸展方向的轨道数道数亚能级的分裂，当有亚能级的分裂，当有外磁场存在时，同一外磁场存在时，同一亚能级对应于亚能级对应于m m的取的取值分裂为值分裂为2l2l1 1个间个间隔更小的能级隔更小的能级表表1. n1. n、l l、m m对核外电子状态的表征意义对核外电子状态的表征意义第6页/共42页第七页，编辑于星期日：七点 二十五分。第7页/

4、共42页第八页，编辑于星期日：七点 二十五分。各层的轨道数为各层的轨道数为n2电子层电子层电子亚层（电子亚层（s.p.d.f.g）不同轨道不同轨道 s亚层亚层 1个轨道个轨道 p亚层亚层 3个，个，px,py,pz d亚层亚层5个，个， dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2f亚层亚层 7个，个，g亚层亚层 9个个第8页/共42页第九页，编辑于星期日：七点 二十五分。第9页/共42页第十页，编辑于星期日：七点 二十五分。热能热能透射透射I0散射散射X X射线射线第10页/共42页第十一页，编辑于星期日：七点 二十五分。荧光荧光X X射线（能级差），产生光电效应射线（能级差），产生光电效应

5、，X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限kk。能级差能级差为为周围某壳层上电子吸收受激逸周围某壳层上电子吸收受激逸出成为二次电子出成为二次电子俄歇电子俄歇电子吸 收吸 收X X 光光子子失去失去内层内层电子电子外 层 电 子外 层 电 子填充放能填充放能能级能级跃跃 迁迁第11页/共42页第十二页，编辑于星期日：七点 二十五分。第12页/共42页第十三页，编辑于星期日：七点 二十五分。第13页/共42页第十四页，编辑于星期日：七点 二十五分。第14页/共42页第十五页，编辑于星期日：七点 二十五分。第15页/共42页第十六页，编辑于星期日：七点 二十五分。第16页/共42页第十七页

6、，编辑于星期日：七点 二十五分。接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X X射线管剖面示意图射线管剖面示意图第17页/共42页第十八页，编辑于星期日：七点 二十五分。第18页/共42页第十九页，编辑于星期日：七点 二十五分。 指指X X射线强度随波长变化的关系曲线，分为：射线强度随波长变化的关系曲线，分为： 1 1）定义：具有连续波长，）定义：具有连续波长，亦称多色亦称多色X X射线。为高速运动射线。为高速运动的电子被靶突然阻止而产生，的电子被靶突然阻止而产生，绝大多数电子经历多次碰撞，绝大多数电子经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，产生能量各不相同的辐射，形成连续谱

7、。形成连续谱。第19页/共42页第二十页，编辑于星期日：七点 二十五分。0（ 回车键）第20页/共42页第二十一页，编辑于星期日：七点 二十五分。连续波在短波方向上有一波长极限连续波在短波方向上有一波长极限（0 0），是指光子），是指光子一次碰撞就耗尽能量所产生的一次碰撞就耗尽能量所产生的X X射线。射线。 eU=heU=hmaxmax=hc/=hc/0 0 0 0=hc/eU=1.24/v(nm)=hc/eU=1.24/v(nm) e e电子电荷，等于电子电荷，等于1.61.610101919 C C； UU电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降； hh普朗克常数，等于普朗克常数，等

8、于6.6266.62610103434 Js Js 第21页/共42页第二十二页，编辑于星期日：七点 二十五分。 指垂直于指垂直于X X射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。用子数目的能量总和。用I I表示，单位表示，单位 J/cmJ/cm2 2.s .s 。I I由光子能量由光子能量hh及其数目及其数目n n共同决定共同决定: : I Inh Inh Imaxmax在在0 0处，此时波长记为处，此时波长记为m m。 连续连续X X射线谱中每条曲线下的面积射线谱中每条曲线下的面积表示连续表示连续X X射线的总强度，也是阳极射线

9、的总强度，也是阳极靶射出靶射出X X射线的总能量：射线的总能量： I I连连iZUiZUm m i i电流；电流；UU电压；电压；m2m2； ZZ原子序数；原子序数；（）（）1010-9-9第22页/共42页第二十三页，编辑于星期日：七点 二十五分。（射线管效率）（射线管效率） n nI I连连/ /功率功率i iiZUiZU2 2/iV/iVi iZU ZU i i（）（）1010-9-9 可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。 ： a a、同一阳极靶，管电压、同一阳极靶，管电压U U不变，提高管电流不变，提高管电流I I，各波长

10、射线的强度，各波长射线的强度I I提高，但提高，但0 0和和m m不变；不变； b b、提高管电压（、提高管电压（i i、Z Z不变），各波长射线的不变），各波长射线的I I增大，但短波限增大，但短波限0 0和强度最大时对应的和强度最大时对应的m m减小；减小； c c、U U与与i i相同时，原子序数相同时，原子序数Z Z越高，连续谱的越高，连续谱的I I越大，但越大，但0 0和和m m不变。不变。 第23页/共42页第二十四页，编辑于星期日：七点 二十五分。：在连续谱基础上：在连续谱基础上叠加若干条具有一定波长的叠加若干条具有一定波长的谱线，这些谱线谱线，这些谱线强度峰的波强度峰的波长反应

11、了物质原子序数的特长反应了物质原子序数的特征，所以叫征，所以叫；由；由特征射线组成的谱线叫特征射线组成的谱线叫。：产生特征：产生特征X X射线射线的最低电压的最低电压U UK K临界电压。临界电压。第24页/共42页第二十五页，编辑于星期日：七点 二十五分。： 电压达到电压达到V V临界临界时，特征谱时，特征谱 线的线的不变，强度按不变，强度按n n次方的次方的 规律增大。即：规律增大。即：如如: :钼靶钼靶K K系特征系特征X X射线有两个强度高射线有两个强度高峰峰K K和和K K，波长分为，波长分为和和. . I I特征特征KiKi（U-UU-U临界临界）n n 2 2 第25页/共42页

12、第二十六页，编辑于星期日：七点 二十五分。第26页/共42页第二十七页，编辑于星期日：七点 二十五分。K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量（任意键）第27页/共42页第二十八页，编辑于星期日：七点 二十五分。 由能级知由能级知K K辐射光子能量大于辐射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K层与层与L L层为相邻能级，层为相邻能级，L L填充几率大，故填充几率大，故。 同理，同理，L L层电子被激发而产生的特征层电子被激发而产生的特征X X射线称为射线称为或或L L系射线系射线，L L层内不同亚能级电子向层内

13、不同亚能级电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K K11和和K K22的关系是的关系是 对于多重线系，如对于多重线系，如L L2 2及及L L3 3层电子向层电子向K K层跃迁，形成的层跃迁，形成的KK有如下关系有如下关系 第28页/共42页第二十九页，编辑于星期日：七点 二十五分。 标识标识X X射线谱的频率和波长只取射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。是物质的固有特性。标识标识X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z Z的关的关系为：系为： C C及及为与线系有关的常数。为与线系有关的常数。第29页/共42页第

14、三十页，编辑于星期日：七点 二十五分。 在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单 色光源，即色光源，即I I特特I I连连尽可能高。为了使尽可能高。为了使K K系谱线突出，系谱线突出，x x射线管射线管 适宜的工作电压一般比适宜的工作电压一般比K K系激发电系激发电 压高压高3 35 5倍，即：倍，即：V V工作工作= =（3 3 5 5）V V临界临界（即（即V VK K）；下表给出常用）；下表给出常用x x射线管的适宜工作电压及特射线管的适宜工作电压及特 征谱波长等数据。征谱波长等数据。 其关系的实验公式为：其关系的实验公式为

15、： I I特特KiKi（V V工作工作V Vn n）m m KK常数常数 mm常数，常数，K K系系m m，L L系系m m2 2 V Vn n标识谱的激发电压，对标识谱的激发电压，对K K系，系，V Vn nV VK K第30页/共42页第三十一页，编辑于星期日：七点 二十五分。第31页/共42页第三十二页，编辑于星期日：七点 二十五分。 X X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束能量转换而言，一束X X光通过物质时，分为三部分：散射、吸光通过物质时，分为三部分：散射、吸收、透过。收、透过。俄歇电子热能热能透射透射

16、X 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 X射线射线相干的相干的非相干非相干 的的反冲电子反冲电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效俄歇效应应 光电效光电效应应第32页/共42页第三十三页，编辑于星期日：七点 二十五分。 X X射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。：物质中电子在物质中电子在X X射线作用下振动，产生的新电磁波射线作用下振动，产生的新电磁波 波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。： X X射线光子与束缚力不大的

17、外层电子或自由电子发生非弹射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞使波长增大；性碰撞使波长增大； 电子获得能量成为反冲电子；电子获得能量成为反冲电子； 位向差不恒定，无干涉发生。位向差不恒定，无干涉发生。第33页/共42页第三十四页，编辑于星期日：七点 二十五分。 X X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁，发生子内部的电子跃迁，发生X X射线的射线的和和。当入射当入射x x射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应形成二

18、次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的, , 亦称为亦称为K K系特征辐射的系特征辐射的，用，用代表。代表。X X射线光子波长必须小于射线光子波长必须小于。 辐射条件：激发限辐射条件：激发限KKKK （nmnm） V VK K把原子中把原子中K K壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压； 第34页/共42页第三十五页，编辑于星期日：七点 二十五分。第35页/共42页第三十六页，编辑于星期日：七点 二十五分。 可利用可利用KKKK 滤波片的选择滤波片的选择 a a、使滤片吸收限位于辐射源的、使滤片

19、吸收限位于辐射源的K K和和K K间尽量靠近间尽量靠近K K，强烈吸收，强烈吸收K K； b b、因滤片厚对、因滤片厚对K K吸收增大，吸收增大，K K强度减小到一半时，强度减小到一半时，K K/K/K将由滤前将由滤前1/51/500,1/51/500,故尽量将故尽量将K K吸收一半；吸收一半； c c、实验确定：、实验确定：Z Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶1 Z1 Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶2 2第36页/共42页第三十七页，编辑于星期日：七点 二十五分。阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的K K吸收限，吸收限，Z Z靶靶Z

20、Z试样试样1 1此时：入射此时：入射X X射线不在试样上产生荧光射线不在试样上产生荧光X X射线，吸收又最小，减轻衍射线，吸收又最小，减轻衍射花样的背底强度。射花样的背底强度。 第37页/共42页第三十八页，编辑于星期日：七点 二十五分。 X X射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。 ：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减 程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（t t）成）成 正比。正比。 d dI I

21、t t/ /I It t=-dt =-dt 比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射X X射线的射线的，亦称为，亦称为。 上式积分得：上式积分得：I It t= = I I0 0e-e-tt t t为介质厚度；为介质厚度；I/II/I0 0称为称为 I It t投射强度；投射强度； I I0 0入射线的强度入射线的强度：单位体积物质引起的相对衰减量。：单位体积物质引起的相对衰减量。第38页/共42页第三十九页，编辑于星期日：七点 二十五分。 若若为物质的密度，为物质的密度，表示表示X X射线通过单位长度物质时强度的衰减。设射线通过单位

22、长度物质时强度的衰减。设m m/，称，称m m为质量吸收系数；则：为质量吸收系数；则： I It t= = I I0 0e-e-tmtm：X X射线通过单位面积，单位质量物质后强度射线通过单位面积，单位质量物质后强度的相对衰减量。的相对衰减量。 各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有m m KK3 3Z Z 3 3 K K常数常数 入射波长入射波长 Z Z原子序数原子序数第39页/共42页第四十页，编辑于星期日：七点 二十五分。 吸收限由光电效应引起，由于存在吸收限由光电效应引起，由于存在k k，使，使m m随随的变化不连的变化不连续，

23、其间被尖锐的突变分开。续，其间被尖锐的突变分开。 吸收限与原子能级的精细结构对应。吸收限与原子能级的精细结构对应。若由若由n n个元素组成，则个元素组成，则 （m m）j j元素元素j j的质量衰减系数；的质量衰减系数；w wj j元素元素j j的质量分数。的质量分数。 第40页/共42页第四十一页，编辑于星期日：七点 二十五分。1 1照相法照相法利用利用X X射线透过后在底片上还原成银的数量导致的黑射线透过后在底片上还原成银的数量导致的黑度不同来探测。度不同来探测。2 2辐射探测器法辐射探测器法XX射线光子对气体和某些固态物质的电离作用检测。射线光子对气体和某些固态物质的电离作用检测。1 1用铅屏蔽；用铅屏蔽； 2 2不能把器官暴露在射线下；不能把器官暴露在射线下；3 3正常工作后，立即离开；正常工作后，立即离开； 4 4铅手套，眼镜，围裙。铅手套，眼镜，围裙。不防护后果：组织坏死，神经衰弱，头晕，脱发，血液及生育问题不防护后果：组织坏死，神经衰弱，头晕，脱发，血液及生育问题第41页/共42页第四十二页，编辑于星期日：七点 二十五分。