X射线与物质相互作用课件.ppt

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1、121.概述X射线与物质相互作用的宏观效应：（波）相干散射、衍射，界面的反射、折射，衰减（粒子）不相干散射，光电吸收及其二次效应(荧光,俄歇)电子对的产生(Ex>1.022MeV)物质的变化：热效应改性辐射损伤(结构变化)微观本质：X射线与物质中电子的相互作用理论处理方法：经典电磁理论，量子力学32.X射线的相干散射相干散射(λ不变,远场光学)弹性散射(Ex不变)Ryleigh散射不相干散射（λ改变）非弹性散射(Ex改变)Compton散射Raman散射41)自由电子的相干散射电子在入射X射线的交变电场作用下作受迫振动，成为具有交变电矩的电偶极子。

2、电偶极子辐射出次级辐射，即散射X射线。电子受迫振动的频率与入射波的振动频率一致（不考虑阻尼），故散射波的频率与入射波一致，也即散射波的波长与入射波相同。即相干散射，对入射X射线（原级）来说，这种散射只是改变方向而波长不变的一种次级辐射。5由电动力学，一个电子作加速运动时，电磁辐射为式中为辐射方向，R为观察点与电子之间的距离，6(1)入射X射线为线偏振光令电场为，则，设α为与的夹角，则e7式中负号表示在入射波前进方向上，散射波与入射波位相差180度，散射波的强度为为电子经典半径，8图6单个电子的X射线相干散射Op(2)入射波为非偏振情况9(2)入射

3、波为非偏振情况令入射方向为，P为观察点，散射方向与确定的平面为散射面,令散射方向与入射方向夹角为θ。可将任一偏振方向的的入射波，分解为、10分别计算它们的散射波电场、，然后矢量相加求出散射波总的电场及散射强度。计算可得散射波强度为（2.4）e11如入射X射线为完全非偏振光（例X射线管发射的X射线），则对求平均，得（2.5）式中是偏振因子由入射波的偏振情况确定。偏振情况不同时，偏振因子相应变化。ee122）单个原子的X射线相干散射原子对X射线的散射，主要由电子贡献，原子核的作用一般情况下是微不足道的，因为散射波强度与带电粒子的质量平方成反比。设原子半

4、径为a，电子分布在这球体中，入射X射线波长为λ，原子散射波强度为。13⑴长波原子内不同处的电子的散射波到达远处的观察点P时没有显著的位相差。14⑵短波λ～这时原子内各处电子发出的散射波有很大的位相差，散射波的强度由相互间干涉来决定。结构分析中常用的X射线波长λ～À，正是这种情况定义原子结构因子（原子散射因子）一个原子相干散射波的振幅（电场强度）一个电子相干散射波的振幅（电场强度）15计算可得出式中为原子中径向电子密度分布函数，为电子波函数。，散射角为2θf与Z，，有关各元素原子、离子的结构因子可查InternationalTablesforX-

5、raycrystallography16fSinf与Z，，关系173）凝聚态物质的相干散射所有原子相干散射的叠加晶体、准晶体、液晶——X射线衍射非晶体、液体——相干散射图形→干涉函数→相关函数184）介质的X射线光学特性界面的反射、折射、全反射原子→电偶极子→可以得出折射率n为式中N为单位体积内的电子数，ω为X射线频率，在X射线频率的范围内δ的数值为。由光学在界面上的折射、反射的菲涅耳公式，在掠入射角为大角度时，X射线在界面的反射率是很小的，可以忽略不计，折射引起的角度变化也很小，一般情况可以不考虑。19图7X射线的折射与反射i2i1i

6、1θ1θ2θ1空气介质掠入射20但当X射线从真空（空气）以小角度掠入射至介质，当掠入射角小于临界角将发生全反射。由折射定律，21当10时，2更快地趋近于0。当时，即折射光束消失，发生全反射。此时的掠入射角为全反射临界角对X射线，的数值为mrad量级，它随X射线波长（频率）与介质的电子密度变化。22X射线全反射的重要应用X射线反射镜用于改变X射线方向、聚焦、滤去高能X射线X射线“透镜”毛细管束X射线透镜－－－用于聚焦23X射线毛细管透镜1931年提出原理，80年代有实用报道Tu6-23X光在毛细管内反射的情形24单毛细管X射线聚焦/准直Corn

7、ell毛细管束X射线聚焦/准直Kumakhov差异：长度、焦点大小/位置25毛细管束X射线透镜263．X射线的不相干散射Compton散射，1923实验：靶（各种不同材料）入射光子能量，波长λ散射光子，波长反冲电子（动量、能量）2728图3.散射光波长与散射角的关系2930Compton散射证实X射线的粒子性，它是奠定量子力学理论的重要实验基础之一。Compton散射可用于研究固体中电子的能量、动量关系。（Compton轮廓）312)Raman散射本质上与可见光的Raman散射一样，为原子从基态到一激发态跃迁所需方程323)Plasmon散射X射线

8、在金属薄膜中激发等离子体振荡产生的不相干散射。p为某等离子体振荡效率。33(a)(b)C对CuK的散射Be对CuK的