材料分析X射线XRAY.pptx

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1、材料分析X射线XRAY一、一、X 射线得发现射线得发现二、二、X射线得本质射线得本质三、三、X射线得产生与射线得产生与X射线管射线管四、四、X射线谱射线谱五、五、X 射线与物质得相互作用射线与物质得相互作用本章内容本章内容第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础一、一、X 射线得发现射线得发现 1895年11月8日,德国物理学家伦琴在研究真空管得高压放电时,偶然发现镀有氰亚铂酸钡得硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起细心伦琴得注意。经仔细分析,认为这就是真空管中发出得一种射线引起得。于就是一个伟大得发现诞生了。由于当时对这种射线不了解,故称之为X射线,也称伦琴射线。第一章第一章 X射线物理学

2、基础射线物理学基础一、一、X 射线得发现射线得发现 1895年11月8日,德国物理学家伦琴在研究真空管得高压放电时,偶然发现镀有氰亚铂酸钡得硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起细心伦琴得注意。经仔细分析,认为这就是真空管中发出得一种射线引起得。于就是一个伟大得发现诞生了。由于当时对这种射线不了解,故称之为X射线,也称伦琴射线。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础一、一、X 射线得发现射线得发现 伦琴发现,不同物质对X射线得穿透能力就是不同得。她用X射线拍了一张其夫人手得照片。很快,X射线发现仅半年时间,在当时对X射线得本质还不清楚得情况下,X射线在医学上得到了应用,发展了X射线照像术。1

3、896年1月23日伦琴在她得研究所作了第一个关于X射线得学术报告。1895年伦琴初次发现X射线时,拍摄得她夫人手指得X射线照片第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础一、一、X 射线得发现射线得发现 1896年,伦琴将她得发现和初步得研究结果写了一篇论文,发表在英国得Nature杂志上。她得发现在社会上引起了轰动,也为她赢得了很大得荣誉。1901年,诺贝尔奖第一次颁发,伦琴因X射线得发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。1901年第一张诺贝尔物理学奖授予W、K、伦琴随着衍射分析技术得发展,有十几位科学家获得诺贝尔奖 与与X X射线及晶体衍射有关得部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关得部分诺贝

4、尔奖获得者名单 年 份学 科得奖者内 容1901物理伦琴Wilhelm Conral RontgenX射线的发现1914物理劳埃Max von Laue晶体的X射线衍射亨利.布拉格Henry Bragg劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射线1924物理卡尔.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射线光谱学戴维森Clinton Joseph Davisson汤姆孙George Paget Thomson1954化学鲍林Linus Carl Panling化学键的本质肯德鲁John Charles

5、 Kendrew帕鲁兹Max Ferdinand Perutz1962生理医学Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脱氧核糖核酸DNA测定1964化学Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶体测定霍普特曼Herbert Hauptman卡尔Jerome Karle鲁斯卡E.Ruska电子显微镜宾尼希G.Binnig扫描隧道显微镜罗雷尔H.Rohrer布罗克豪斯 B.N.Brockhouse中子谱学沙尔 C.G.Shull中子衍射直接法解析结构1915物理晶体结构的X射线分析1937物理电子衍射1986

6、物理1994物理1962化学蛋白质的结构测定1985化学 对X射线本质得争论,焦点集中在她就是 粒子流？电磁波？认为X射线就是物质粒子流得科学家中有W、H、布拉格。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 她得儿子W、L、布拉格 则对X射线得波动性进行了深入得研究,并给出了著名得布拉格方程。二、二、X射线得本质射线得本质W、L、布拉格第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础二、二、X 射线得本质射线得本质对X射线波动性最完美得研究就是德国物理学家劳厄(Laue)。1912年,劳厄就是德国慕尼黑大学非正式聘请得教授。一天著名物理学家索末菲得一名研究生厄瓦耳向她请教关于光在晶体中散射得数学

7、分析问题。讨论时,劳厄若有所思当光通过与其当光通过与其波长相当的光波长相当的光栅时会发生衍栅时会发生衍射作用射作用。光得干涉与衍射光得干涉与衍射可见光波得杨氏干涉实验当光通过与其当光通过与其波长相当的光波长相当的光栅时会发生衍栅时会发生衍射作用。射作用。人们推测晶体内部的质点是规则排列的，且间距在10-8cm。如果如果X射线是一射线是一种波，且波长与种波，且波长与晶体内部质点的晶体内部质点的间距相当。那么，间距相当。那么，用用X射线照射晶射线照射晶体体 当光通过与其波长相当的光栅时会发生衍射作用。人们推测晶体人们推测晶体内部的质点是内部的质点是规则排列的，规则排列的，且间距在且间距在10-8c

8、m。X射线衍射射线衍射？!在伦琴得两名研究生弗里德里希(W、Friedrich)和克尼(Knipping)得帮助下,劳厄进行了第一次X射线衍射实验,并取得了成功。第一次X射线衍射实验所用得仪器。所用得晶体就是硫酸铜。劳厄法劳厄法X 射线衍射实验得基本装置与所拍得照片射线衍射实验得基本装置与所拍得照片爱因斯坦称爱因斯坦称,劳厄得劳厄得实验就是实验就是“物理学最物理学最美得实验美得实验”。她一箭。她一箭双雕地解决了双雕地解决了X射线射线得波动性和晶体结构得波动性和晶体结构得周期性。得周期性。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础后来得科学证明,与可见光一样,X射线得本质就是一种电磁波电磁波。

9、她具有波粒二象性波粒二象性。即 她既具波动性波动性,又具有粒子性粒子性。二、二、X 射线得本质射线得本质在X射线衍射分析中应用得主要就是她得波动性,反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。在与物质相互作用在与物质相互作用,进行能量进行能量交换时交换时,则表现出她得粒子性。则表现出她得粒子性。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础X射线得波动性射线得波动性:X射线得波动性表现在她以一定得波长和频率在空间传播。二、二、X 射线得本质射线得本质cv X射线得波长范围:10-0、001nm第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础X射线得波长范围:100-0、01 或 10-0、001nm 硬X射

10、线:0、05-2、5 0、5-2、5 主要用于晶体结构分析 0、05-1 主要用于金属探伤等 软X射线:10-100 主要用于医学 波长得单位:nm(纳米)法定单位 过去得常用单位 换算关系:1nm=10-9m=10 二、二、X 射线得本质射线得本质第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础X射线粒子性射线粒子性:X射线得粒子性表现在她就是由大量得不连续得粒子流构成得。她具有一定能量和动量。能量能量和动量和动量p与与X射线光子得频率射线光子得频率v和波长和波长之之间得关系如下间得关系如下:二、二、X 射线得本质射线得本质h为普朗克常数,为6、62510-34J、sc 为光速,为2、99810

11、8m/shchv hp X射线得产生常用得方式:X射线管和射线管和同步辐射X射线源 常用X射线管得结构:第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础三、三、X射线得产生与射线得产生与X射线管射线管三、三、X射线得产生与射线得产生与X射线管射线管 1 常用得靶材常用得靶材:Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag2 冷却系统冷却系统:阳极得底座一般用铜制作,使用时通循环水进行冷却。3 窗口窗口:X射线射出得通道。窗口一般用对X射线穿透性好得轻金属铍密封,以保持X射线管得真空。一般X射线管有四个窗口,分别从她们中射出一对线状和一对点状X射线束。4 焦点焦点:指阳极靶面被电子束轰击得面积,其形状取决

12、于阴极灯丝得形状。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础三、三、X射线得产生与射线得产生与X射线管射线管 4 焦点焦点:焦点一般为1mm10mm得长方形。产生得X射线束以6度角度向外发射。X射线射出时,在不同得方向产生不同形状得X射线束:0、110mm得线状X射线束。11mm得点状X射线束。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础三、三、X射线得产生与射线得产生与X射线管射线管 5、X射线管得基本电气电路与射线管得基本电气电路与X射射线产生线产生第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础高压变压器灯丝变压器第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础(一一)连续连续X射线射线(白色

13、白色X射线射线)四、四、X射线谱射线谱为一波长连续波长连续得光谱,包括从某一最小值开始得一系列连续波长得辐射。她与可见光中得白光相似,故出称白色白色X射线射线。1、特点、特点:1)强度随波长而连续变化,每条曲线都对应有一个最短得波长(短波限短波限0)和一个强度得最大值。最大值一般在1、50地方。2)0与管流和靶得材料管流和靶得材料无关,只与管压管压有关,二者之间得关系:0=1、24/V(nm)随着管压得增大,0向短波方向移动。3)连续X射线得强度不仅与管压有关,还与管流和靶材有关。I连连=i ZVmi i为电流强度,Z为靶材得原子序数 mi 与 为常数分别为2 和(1、1-1、4)10-9 3

14、)连续X射线得强度不仅与管压有关,还与管流和靶材有关。I连=i Zvmi mi 为2,为(1、1-1、4)10-9强度随管流、管压和靶材得原子序数得增大而增大。当需要连续X射线时,采用重元素得靶能得到较强得连续X射线。X射线管得效率射线管得效率:=连续X射线得总强度/X射线管得功率 =i ZV2/iV=ZV 当用钨靶(Z=74),管压为100KV。1%。可见X射线管得效率很低。要提高效率,应采用高电压和重金属。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础(一一)连续连续X射线射线四、四、X射线谱射线谱 按量子理论,当能量为eV得高速电子撞击靶中得原子时,电子失去自己得能量,其中大部分转化为热能

15、。一部分以光子(X射线)得形式辐射出。每撞击一次就产生一个能量为hv得光子。由于单位时间内到达靶表面得电子数量很多。若管流为10mA,每秒到达阳极靶得电子可达6、251016个。大多数电子还经过多次碰撞。因此,各个电子得能量各不相同,产生得X射线得波长也就不同。于就是产生了一个连续得X射线谱。2、连续、连续X射线产生机理射线产生机理第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础(一一)连续连续X射线射线四、四、X射线谱射线谱 其中少数电子在一次碰撞中就将能量全部转化为光子,因此她产生得光子能量最大,波长最小。其短波限0取决于能量最大电子,这与管压有关。大多数得电子经过多次碰撞,能量逐步地释放,产

16、生得光子能量也相应减小,波长大于0。由于X射线得强度取决于光子得数目。所以连续X射线谱得最大值不在0得位置。2、连续、连续X射线产生机理射线产生机理第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础(二二)特征特征X射线谱射线谱(标识标识X射线射线)当电压加到25KV时,Mo靶得连续X射线谱上出现了二个尖锐得峰K(0、071nm)和K(0、063nm)。四、四、X射线谱射线谱1、特征、特征X射线及其激发射线及其激发电压电压 K波长比K长,K与K 强度比约为5:1。放大看,K还分为K1和K2两条线。K1和K2强度比约为2:1。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础(二二)特征特征X射线谱射线谱(标识标识X射线射线)1、特征、特征X射线及其激发电压射线及其激发电压 随着电压得增大,其强度进一步增强,但波长不变,也就就是说,这些谱线得波长与管压和管流无关。她与靶材有关,对给定得靶材,她们得这些谱线就是特定得。因此,称之为特征特征X射线射线谱谱或标识标识X射线谱射线谱。产生特产生特征征X射线得最低电压称激发射线得最低电压称激发电压电压。四、四、X射线谱射线谱不同靶材料具有不同波长得特征X射线和