X射線的產(chǎn)生及其物理作用

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1、第一章X射線衍射分析材料研究方法的研究對(duì)象是材料的組織、成分及結(jié)構(gòu)；采用的手段及方法是基于檢測(cè)對(duì)象對(duì)電磁波及特征射線的反應(yīng)；基礎(chǔ)是材料的結(jié)構(gòu)及電磁輻射。1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線，至今因應(yīng)用X射線研究取得成果而獲諾貝爾獎(jiǎng)的高達(dá)22個(gè)之多，其中物理獎(jiǎng)6個(gè)，化學(xué)獎(jiǎng)12個(gè)，生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)4個(gè)。1908～1911年，巴克拉發(fā)現(xiàn)物質(zhì)被X射線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生次級(jí)X射線。次級(jí)X射線除與初級(jí)X射線有關(guān)，還與被照射物質(zhì)組成的元素有關(guān)。1912年，勞厄等提出X射線是電磁波的假設(shè)，并推測(cè)波長(zhǎng)與晶面間距相近的X射線通過(guò)晶體時(shí)，必定會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，該假設(shè)被弗里德利希(W.Friedrich)實(shí)驗(yàn)證實(shí)—

2、X射線衍射學(xué)。英國(guó)物理學(xué)家布拉格(Bragg)父子提出了X射線“選擇反射”的觀點(diǎn)，導(dǎo)出了著名的布拉格方程。1913年據(jù)此制作出了X射線分光計(jì)；1914年，莫塞萊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同材料同名特征譜線的波長(zhǎng)與原子序數(shù)間存在定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出了著名的莫塞萊定律，誕生了材料物相快速無(wú)損檢測(cè)分析方法——x射線光譜學(xué)。偉大的發(fā)現(xiàn)一、電磁輻射基礎(chǔ)二、X射線譜三、X射線與物質(zhì)的相互作用四、X射線的探測(cè)與防護(hù)第一節(jié)X射線的產(chǎn)生及其物理作用一、電磁輻射基礎(chǔ)1.原子的組成原子(Atom)原子核+核外電子電子波-粒二象性軌道非固定，幾率最大的分布構(gòu)成電子云層，近似認(rèn)為核外電子在各自的軌道(稱原子軌道)上運(yùn)動(dòng)并用“電子(殼)層

3、”形象化描述電子的分布狀況2.電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（1）每一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有確定的能量，不同狀態(tài)能量數(shù)值不同，變化呈不連續(xù)（量子化）。能級(jí)圖：把不同的能量數(shù)值（按一定比例）用一定高度的水平線代表，并將其按大小順序排列（由下至上能量增大）而構(gòu)成的梯級(jí)圖形。一般最底層值為0。（2）為清晰準(zhǔn)確表征核外電子的運(yùn)動(dòng)（能量）狀態(tài)，提出五個(gè)參量：主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)m、自旋量子數(shù)s及自旋磁量子數(shù)ms，5量子數(shù)也相應(yīng)表征了電子的能量狀態(tài)(能級(jí))。原子中的電子能級(jí)示意圖2.電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子數(shù)原子軌道電子（殼）層電子能級(jí)n電子離核的平均距離原子軌道離核的平均距離，n越大距離越遠(yuǎn)電子層離核的平均距離，n相同的電子分

4、布在同一亞層電子主能級(jí)，n越大能級(jí)越高l電子軌道運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量大小原子軌道形狀電子亞層（電子支殼層），同一電子層對(duì)應(yīng)于l的n個(gè)取值分為n個(gè)亞層亞能級(jí)，同一主能級(jí)對(duì)應(yīng)l取值分為n個(gè)亞能級(jí)j越大，亞能級(jí)越高m軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量的大小原子軌道在空間的伸展方向電子亞層含有不同伸展方向的軌道數(shù)亞能級(jí)的分裂，當(dāng)有外磁場(chǎng)存在時(shí)，同一亞能級(jí)對(duì)應(yīng)于m的取值分裂為2l＋1個(gè)間隔更小的能級(jí)表1.n、l、m對(duì)核外電子狀態(tài)的表征意義2.電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3.原子的激發(fā)(1)基態(tài)：原子核外電子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，分布于各能級(jí)上，處于能量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)。（參見無(wú)機(jī)化學(xué)）泡利不相容原理：原子中每個(gè)電

5、子必須有獨(dú)自一組四個(gè)量子數(shù)，一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子；能量最低原則：電子總是按能量最低的狀態(tài)分布。洪特規(guī)則：由原子光譜的事實(shí)總結(jié)出的多條規(guī)則。其基本原則是：基態(tài)多電子原子的電子總是首先自旋平行地、單獨(dú)地填入簡(jiǎn)并軌道。一、電磁輻射基礎(chǔ)(2)激發(fā)態(tài)、激發(fā)—原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)（激發(fā)態(tài)）的過(guò)程。激發(fā)條件：①：較高能級(jí)是空的或未填滿，由泡利不相容原理決定②：吸收能量等于兩能級(jí)能量差。愈接近原子核，電子能級(jí)愈低，電子愈穩(wěn)定；愈遠(yuǎn)離，愈高，不穩(wěn)定。電子可以在軌道間躍遷：低能級(jí)軌道→高能級(jí)軌道（吸收能量）各層的軌道數(shù)為n2電子層→電子亞層（s.p.d.f.g）→不同軌道s亞層1個(gè)軌道p

6、亞層3個(gè)，px,py,pzd亞層5個(gè)，dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2f亞層7個(gè)，g亞層9個(gè)一、電磁輻射基礎(chǔ)（3）激發(fā)能—電子激發(fā)前后所處能級(jí)（能量）之差。不穩(wěn)定，存在10－8～10－10s后返回基態(tài)。（4）電子（能級(jí)）躍遷—原子中電子受激向高能級(jí)躍遷或由高向低能級(jí)的躍遷。分為：輻射躍遷——多余能量以電磁輻射形式放出；無(wú)輻射躍遷——多余能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。（5）電離能——使原子中電子脫離原子核束縛的能量（eV）分為一次電離、二次電離等。一、電磁輻射基礎(chǔ)4．輻射的吸收與發(fā)射電磁波通過(guò)某物質(zhì)時(shí)，從能量角度說(shuō)分為：部分被散射，部分被吸收，部分被透過(guò)。（1）輻射的吸收實(shí)質(zhì)：吸收輻射光子能量發(fā)生

7、粒子的能級(jí)躍遷，hγ=ΔE=E2－E1不同物質(zhì)因能級(jí)躍遷類型不同→對(duì)輻射的吸收不同→能級(jí)躍遷不同→輻射被吸收程度對(duì)λ或γ的分布——吸收光譜不同一、電磁輻射基礎(chǔ)熱能透射I0散射X射線熒光X射線（能級(jí)差），產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線波長(zhǎng)必須小于吸收限λk。能級(jí)差為周圍某殼層上電子吸收受激逸出成為二次電子——俄歇電子吸收X光子失去內(nèi)層電子外層電子填充放能能級(jí)躍遷一、電磁輻射基礎(chǔ)（2）輻射的發(fā)射物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)