材料研究方法X射线与物质的相互作用

一、X 射线谱（连续和特征）X 射线与物质相互作用 1、吸收限及其应用定义：吸收系数发生突变的波长激发K 系荧光辐射，光子的能量至少等于激出一个K 层电子所作的功W k h νk = Wk= hc/λk 只有 ν > νk 才能产生光电效应。

所以： λk 从激发荧光辐射角度称为激发限。

从吸收角度看称为吸收限。

吸收限λk 的应用 （1）滤波片的选择 主要目的去除k β原理：选择滤波片物质的λk 介于λ k α 和λk β之间。

即Z 滤=Z 靶-1(Z 靶<40)Z 滤=Z 靶-2 (Z 靶>40) （2）阳极靶的选择 (1) Z 靶< Z 试样(2) 自动滤波 Z 靶＝ Z 试样+1 或 ＋2 (3) Z 靶>> Z 试样最忌Z 靶+1或＋2＝Z 试样 2、X 射线与物质相互作用产生那些信息。

X 射线通过物质，一部分被散射，一部分被吸收，一部分透射。

3、衰减公式I=I 0e-μm ρH1、衰减公式 相对衰减：μ：线衰减系数负号厚度↑ I ↓积分：为穿透系数2、衰减系数 1) 线衰减系数 I ：单位时间通过单位面积的能量μ的物理意义：通过单位体积的相对衰减。

2) 质量衰减系数X 射线的衰减与物质的密度有关，因此每克物质引起的相对衰减为 μ/ρ= μm H H m e I I ρμ-=03) 复杂物质的衰减系数 w ：重量百分比μm = w 1μm1+ w 2 μm2 + w 3 μm3 +….+ w n μmn 4) μm 与λ、Z 的关系μm ≈k λ3Z 3 λ<λk 时k=0.007λ>λk 时 k=0.009二、晶体学内容 7种晶系、倒易点阵。

晶系 点阵常数间的关系和特点 实例 三斜 单斜 斜方(正交) 正方 立方 六方 菱方a ≠b ≠c,α≠β≠γ≠90° a ≠b ≠c,α=β=90°≠γ(第一种) α=γ=90°≠β二种 a ≠b ≠c,α=β=γ=90°a=b ≠c α=β=γ=90° a=b=c α=β=γ=90° a=b ≠c α=β=90γ=120 a=b=c α=β=γ≠ 90°K2CrO7 β-S CaSO 42H 2O Fe 3C TiO 2 NaCl Ni-As Sb,Bi倒易点阵的定义若正点阵的基矢为a 、b 、c 。

材料现代分析与测试技术-各种原理及应用XRD ：1.X 射线产生机理：（1）连续X 射线的产生：任何高速运动的带电粒子突然减速时，都会产生电磁辐射。

①在X 射线管中，从阴极发出的带负电荷的电子在高电压的作用下以极大的速度向阳极运动，当撞到阳极突然减速，其大部分动能变为热能都损耗掉了，而一部分动能以电磁辐射—X 射线的形式放射出来。

②由于撞到阳极上的电子极多，碰撞的时间、次数及其他条件各不相同，导致产生的X 射线具有不同波长，即构成连续X 射线谱。

（2）特征X 射线：根本原因是原子内层电子的跃迁。

①阴极发出的热电子在高电压作用下高速撞击阳极；②若管电压超过某一临界值V k ，电子的动能（eV k ）就大到足以将阳极物质原子中的K 层电子撞击出来，于是在K 层形成一个空位，这一过程称为激发。

V k 称为K 系激发电压。

③按照能量最低原理，电子具有尽量往低能级跑的趋势。

当K 层出现空位后，L 、M 、N……外层电子就会跃入此空位，同时将它们多余的能量以X 射线光子的形式释放出来。

④K 系：L, M, N, ...─→K ，产生K α、K β、K r ... 标识X 射线L 系：M, N, O,...─→L ，产生L α、L β... 标识X 射线特征X 射线谱M 系: N, O, ....─→M ，产生M α... 标识X 射线特征谱Moseley 定律2)(1αλ-?=Z Z:原子序数，、α：常数2.X 射线与物质相互作用的三个效应（1）光电效应?当X 射线的波长足够短时，X 射线光子的能量就足够大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来，?X 射线光子本身被汲取，它的能量传给该电子，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。

（2）荧光效应①外层电子填补空位将多余能量ΔE 辐射次级特征X 射线，由X 射线激发出的X 射线称为荧光X 射线。

②衍射工作中，荧光X 射线增加衍射花样背影，是有害因素③荧光X 射线的波长只取决于物质中原子的种类(由Moseley 定律决定)，利用荧光X 射线的波长和强度，可确定物质元素的组分及含量，这是X 射线荧光分析的基本原理。

X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是指X射线和物质之间的相互作用过程。

X射线是一种电磁波辐射，具有较高的能量和波长较短的特点，因此与物质的相互作用过程具有一定的独特性。

在医学诊断、工业探伤和材料分析等领域中，人们广泛应用X射线技术来与物质进行相互作用研究，以获取物质的内部结构和特性信息。

那么，X射线与物质的相互作用主要有哪些方式呢？首先，最主要的相互作用方式是X射线的吸收和散射。

当X射线穿过物质时，会发生与物质中原子核和电子的相互作用。

原子核对X射线的散射影响很小，主要的相互作用是X射线与物质中电子的相互作用。

当X射线被物质中的电子吸收或散射时，能量和方向都会发生改变。

其中，光电效应、康普顿散射和正负电子对产生是主要的相互作用过程。

光电效应是指X射线与物质中电子发生相互作用，在物质中的电子吸收X射线能量并获得足够能量后从原子或分子中脱离，形成光电子。

这种相互作用方式对原子序数较小的低原子序数元素来说影响较大，对高原子序数元素来说影响较小。

光电效应主要用于发生在原子内层电子上，因此，对于较低原子序数的元素，主要是由K壳层的电子参与反应。

从而可以根据X射线被吸收的能量计算得到物质的组成和表面的化学特性。

康普顿散射是指X射线与物质中自由或弱束缚电子发生相互作用，X射线散射角度和能量都发生变化。

这种相互作用方式不依赖于物质的原子序数和成分，而是依赖于X射线的能量。

康普顿散射主要用于测量物质的元素分布和化学成分，以及研究物质中自由电子的性质。

正负电子对产生是指X射线通过强电场作用产生的电子对，其中一个电子带负电荷，另一个带正电荷。

这种相互作用方式主要用于测量一些特殊材料的电磁性质和对电场的响应。

除了以上三种主要的相互作用方式，还有一些次要的相互作用方式，如产生荧光、俄歇电子发射和布拉格散射等。

产生荧光是指X射线与物质中的原子或分子发生相互作用，在被吸收能量之后，原子或分子重新发射出能量较低的光子。

Ver.1.0 BY FENG DAYU i Ｘ线与物质的相互作用　X 射线通过物质时，小部分从物质原子的间隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产生各种物理的、化学的及生物的效应．这些效应的产生都是物质吸收X 射线能的结果．物质对X 射线的吸收不是简单的能量转移，而是一个很复杂的过程．　X 射线是一种不带电电离辐射，它通过物质时只引起少量的初级电离，而绝大部分电离都是由初级电离产生的带电粒子引起的次级电离．　电离和激发是辐射能传递给物质的主要过程，所谓X 射线的生物效应其实主要是它们的次级电子所产生的生物效应．　下图画出光子能量在生物组织中转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程．　一．X射线与物质相互作用的主要过程　①　光电效应：　又称光电吸收，它是X射线光子被原子全部吸收的作用过程．　②　康普顿效应：　又称康普顿散射，它是X射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程．　③　电子对效应：　一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时将它的能量转化为正、负两个电子，这个作用过程称为电子对效应．　④　相干散射：　又称瑞利散射．(X线的折射)　⑤　光核作用：　是光子与原子核作用而发生的核反应．　二．X射线在物质中的衰减　 X射线在其传播过程中强度的衰减，包括距离和物质所致衰减两个方面．在以点源为球心，半径不同的各球面上的射线强度，与距离的平方成反比，这一规律称为射线强度衰减的平方反比法则．　１．　单能窄束X射线在物质中的衰减规律　研究表明，　单能窄束X射线通过均匀物质层时，其强度的衰减符合指数规律．即：　 I = I0 e-μx：如射强度，Ｉ：探测强度，ｘ：物质厚度，μ：　衰减系数．　Ｉ０iiVer.1.0 BY FENG DAYUVer.1.0 BY FENG DAYU iii ２．　连续X 射线在物质中的衰减规律　一般情况下，X 线束是由能量连续分布的光子组成的，各能量成份衰减的情况并不一样，并不遵守单一的指数衰减规律，要比单能X 线束更复杂．　３．　影响X 线衰减的因素　①　射线性质对衰减的影响　②　物质原子序数对衰减的影响　③　物质密度对衰减的影响　④　每克电子数对衰减的影响　三．X 线的滤过　１．　固有滤过　X 线管组装体本身的滤过称为固有滤过．它包括X 线管的管壁（出射窗口）、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板．　固有滤过一般都用铝当量表示．　２．　附加滤过　 附加滤过包括用工具可拆卸的附加滤过板、可选择的附加滤过板、遮光器、床面板等．　①　滤过板材料的选择　②　滤过板的厚度　③　滤过板厚度对受照剂量的影响　④　滤过与投照时间　⑤　契型或梯型滤过板　 ３．TOSHIBA　X线设备中X线管球加上遮光器的滤过应大于等于2.5mmAl．如不足应在X线管球输出窗口处加贴滤过板．　四．诊断放射学中Ｘ线的衰减　 X线束射入人体内，一部分被吸收散射，另一部分通过人体沿原方向传播，透过的X线光子按特定形式分布，便形成了X线影像．　透过的光子与衰减的光子具有同等的重要性．X线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果．　 人体骨骼由胶体蛋白和钙质组成，其中钙质占50%-60%；　软组织内水占75%，蛋白质、质肪及碳水化合物占23%，其余2%是K、Na、Cl、Fe等元素．　 人体内除少量的钙、磷等中等原子序数的物质外，其余全由低原子序数物质组成．人体吸收X射线最多的是由Ca(PO4)2组成的门牙，吸3收Ｘ射线最少的是充满气体的肺．　 人体各组织器官的密度、有效原子序数和厚度不同，对X射线的衰减程度各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大变小．　X射线在人体内，主要通过光电效应和康普顿效应两种作用形式被衰减．　ivVer.1.0 BY FENG DAYU下图是不同能量的X射线在肌肉和骨骼中分别发生两种效应的比例．　vVer.1.0 BY FENG DAYU。

第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。

X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。

1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。

由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。

按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。

它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。

可见相干散射是X射线衍射技术的基础。

2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。

二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。

所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。

X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。

第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。

X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。

1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。

由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。

按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。

22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。

它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。

可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。

2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。

二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。

所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。

X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。