2.2 X射线与物质的相互作用 [兼容模式]

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1、2014/10/20材料科学与工程学院第2章现代分析测试技术X射线衍射分析一、散射效应ModerntechnologyofAnalysisandTest二、光电效应第二节X射线与物质的相互作用授课教师：张玉德2014年10月20日1X射线与物质相互作用，过程复杂。就能量转换而言,一束X射线通过物质时,它的能量分为三部分:散射：改变前进方向吸收：产生光电效应(荧光X射线、俄歇电子)热效应:热振动能量透过——透过物质后的射线束强度被衰减反冲电子：非相干散射过程中，电子被碰撞而改变方向2014年10月20日2014年10月

2、20日34一、散射效应物质对X射线的散射主要是物质中的电子与X射1.相干散射线的相互作用电子在X射线电场作用下，产生强迫振动，成为2.非相干散射新的电磁波源。X射线被物质散射时,产生两种散射现象：相干3.散射系数散射和非相干散射.2014年10月20日2014年10月20日5612014/10/201.相干散射又称弹性散射、经典散射另一种理解方式：X射线光子能量(hν,1.27eV)与电子的能量•产生原因：X射线与原子内紧密束缚电子弹性碰撞(m0c2=5×105eV)相比小得多，可认为电子在X射线的电

3、磁场作用下，在初始•特点：只变方向,不变能量，散射波波长和频率与位置上发生受迫振动，振动着的电子以本身为散射中心向周围辐射与入射光相同入射X射线波长相同的次级X射线。•新的散射波之间可以发生干涉作用——相干散射弹性碰撞，X射线只改变方向，不改变能量相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础2014年10月20日2014年10月20日782.非相干散射又称非弹性散射、量子散射现象：在散射光中除了有与入射光波长λ0相同的射线之外，同时还出现一种波长λ大于λ0的射线。这种改变波长的散射称为康普顿效应。又称为康普顿散射或

4、康普顿效应X光检测1922-1923年由美国物理学家康光晶体器散射普顿Compton观察到，并在随后X光阑管物质的几年间，由他的研究生吴有0训进一步证实。康普顿因发现此效应而获得康普顿实验装置示意图1927年的诺贝尔物理学奖。2014年10月20日2014年10月20日910•产生原因：X射线光子与束缚力弱的外层电子或自•特点:散射波改变方向，能量变小由电子碰撞（频率变小亦即波长变长）动量、能量守恒：'h电子获得一部分动(1cos)能成为反冲电子;m0c“康普顿波长”h普朗克常数；m0电子静

5、止质量；c光速；2θ散射角（散射线与入射线的夹角）Φ角度方向产生一0.0243(1cos)个新X射线光子※随散射角不同，散射波的波长也不相同非相干散射线不会干涉形成衍射，散布于各方向强度一般很低，在衍射工作中形成连续背景。2014年10月20日2014年10月20日111222014/10/203.散射系数衡量物质对X射线的散射能力二、光电效应质量散射系数：表示单位质量的物质对X射线的散射m阿伏加德罗常数物质对X射线的吸收主要是原子内部的电子跃迁4而引起的。8NeZ原子序数m24原子量在这个过程

6、中，X射线的部分能量转变成光电子、3mcA荧光Ｘ射线及俄歇电子的能量。电子电荷电子质量Ｘ射线的强度被衰减。近似公式：对原子序数小的轻元素较适用，对重元素，实测值比理论计算值大几~十几倍。2014年10月20日2014年10月20日13141.光电效应（或光电吸收）2.荧光效应（荧光X射线）•荧光效应即X射线光致发光现象。•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•外层电子填补空位将多余能量ΔE辐射次级特征X射线，子打出来，由X射线激发出的X射线称为荧光X射线。（示意图）

7、•！衍射工作中，荧光X射线增加衍射花样背影，是有害因•X射线光子本身被吸收，它的能量传给该电子，素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。---光电效应荧光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，•伴随发生：荧光效应和俄歇效应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。2014年10月20日2014年10月20日1516电子束的荧光效应荧光效应示意图入射Ｘ线光电子原子核LkMN荧光Ｘ射线2014年10月20日2014年10月20日17

8、1832014/10/20例：K层激发，L2层电子跃入K层空位，多余能量传递3.俄歇效应给L3、M、N等层电子，使之脱离原子，这样脱离的电法国物理学家Auger于1925年发现的子称为俄歇电子。命名：KL2M2俄歇效应是外层电子跃迁到空位时将多余能量ΔE激发另一个核外电子，使之脱离原子。（示意图）俄歇电子的能量与参与该过程的Augerelc