第1章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、10:39:0510:39:05本課程的作用本課程的作用教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求考核方式考核方式課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容10:39:05本課程在材料研究領(lǐng)域中起著不同尋常的本課程在材料研究領(lǐng)域中起著不同尋常的作用，它們將材料各專(zhuān)業(yè)的核心問(wèn)題作用，它們將材料各專(zhuān)業(yè)的核心問(wèn)題“組組成成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能性能”有機(jī)地聯(lián)系在一起，從有機(jī)地聯(lián)系在一起，從而實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)而實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。 10:39:05掌掌 握握1. 各種測(cè)試技術(shù)的基本原理：各種測(cè)試技術(shù)的基本原理： X-射線衍射技術(shù)，電子顯微分析技術(shù)，熱分析技術(shù)；射線衍射技術(shù)，電子顯微分析技術(shù)，熱分析技術(shù)；2. 技術(shù)的應(yīng)用：技術(shù)的應(yīng)用：

2、（1）儀器設(shè)備的基本構(gòu)造與性能；）儀器設(shè)備的基本構(gòu)造與性能；（2）對(duì)電子顯微分析照片、）對(duì)電子顯微分析照片、X射線衍射圖譜和熱分析曲線等有分射線衍射圖譜和熱分析曲線等有分析處理能力；析處理能力；（3）具有進(jìn)行物相初步鑒定的能力具有進(jìn)行物相初步鑒定的能力（4）各種研究方法與測(cè)試技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。）各種研究方法與測(cè)試技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。10:39:0510:39:05第一篇第一篇 X射線衍射分析射線衍射分析第二篇第二篇 電子顯微分析電子顯微分析第三篇第三篇 熱分析熱分析10:39:05 1-1 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì)射線的產(chǎn)生及性質(zhì) 1-2 X射線譜射線譜1-3 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用10:39

3、:05 1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（1901年年獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）在研究陰極射線時(shí)獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了X射線，后人為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者也稱(chēng)射線，后人為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者也稱(chēng)它為它為“倫琴射線倫琴射線”。 X射線技術(shù)目前在射線技術(shù)目前在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，在材料工業(yè)及材料科學(xué)中材料工業(yè)及材料科學(xué)中X射線物相分析是射線物相分析是一種重要分析方法。一種重要分析方法。10:39:051912年，德國(guó)的年，德國(guó)的Laue第一次成功地進(jìn)行第一次成功地進(jìn)行X射射線通過(guò)晶體發(fā)生衍射的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體的線通過(guò)晶體發(fā)生衍射的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證

4、了晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門(mén)新的學(xué)科埃方程式。從而形成了一門(mén)新的學(xué)科X射射線衍射晶體學(xué)。線衍射晶體學(xué)。 （1914年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）；年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）；1913年，英國(guó)年，英國(guó)Bragg導(dǎo)出導(dǎo)出X射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并測(cè)定的基本公式，既著名的布拉格公式。并測(cè)定了了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。（的晶體結(jié)構(gòu)。（ 1915年獲得諾貝爾獎(jiǎng)年獲得諾貝爾獎(jiǎng))10:39:05 此外，此外， 莫賽萊于莫賽萊于1914年發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)年發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)X射線的波長(zhǎng)與原子射線的波長(zhǎng)與原子序數(shù)的關(guān)系，奠定了序數(shù)的關(guān)系

5、，奠定了X射線光譜學(xué)的基礎(chǔ)。射線光譜學(xué)的基礎(chǔ)。 巴克拉（巴克拉（1917年，發(fā)現(xiàn)元素的特征年，發(fā)現(xiàn)元素的特征X射線）射線） 塞格巴恩（塞格巴恩（1924年，年，X射線光譜學(xué)）射線光譜學(xué)） 德拜（德拜（1936年）、馬勒（年）、馬勒（1946年）、柯馬克年）、柯馬克（1979年）等人由于在年）等人由于在X射線及其應(yīng)用方面研究而射線及其應(yīng)用方面研究而獲得化學(xué)、生物獲得化學(xué)、生物、物理諾貝爾獎(jiǎng)。物理諾貝爾獎(jiǎng)。 豪普物曼和卡爾勒在豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應(yīng)用年代后建立了應(yīng)用X射射線分析的以直接法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特線分析的以直接法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特別對(duì)研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)

6、方面起了重要推進(jìn)作別對(duì)研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起了重要推進(jìn)作用，他們因此獲用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 10:39:05 X射線與無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫射線與無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線外線射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，它的波長(zhǎng)為電磁輻射，它的波長(zhǎng)為10-1210-8m ，在電磁，在電磁波譜中位于紫外線與波譜中位于紫外線與 射線之間并與它們部分射線之間并與它們部分相重疊。相重疊。一般波長(zhǎng)短的一般波長(zhǎng)短的X射線穿透能力強(qiáng)，稱(chēng)射線穿透能力強(qiáng)，稱(chēng)為硬為硬X射線，反之則稱(chēng)為軟射線，反之則稱(chēng)為軟X射線。射線。用于晶體用

7、于晶體衍射分析常用的衍射分析常用的X射線波長(zhǎng)約在射線波長(zhǎng)約在2.5到到0.5 之間。之間。10:39:0510-6 10-3 1 103 106 109 1012X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio wavesWavelength(nm)可見(jiàn)光可見(jiàn)光微波微波無(wú)線電波無(wú)線電波10:39:05 高能輻射區(qū) 射線 能量最高，來(lái)自于核能級(jí)躍遷 射線 來(lái)自內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷 光學(xué)光譜區(qū) 紫外光 來(lái)自原子和分子外層電子能級(jí)的躍遷 可見(jiàn)光 紅外光 來(lái)自分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷 波譜區(qū) 微波 來(lái)自分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)及電子自旋能級(jí)躍遷 無(wú)線電波 來(lái)自原子核自旋能級(jí)的躍

8、遷電磁波譜的本質(zhì)：電磁波譜的本質(zhì)：電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列 10:39:05電電磁原理：磁原理： 當(dāng)帶電當(dāng)帶電粒子在加速或粒子在加速或減減速速過(guò)過(guò)程中程中，會(huì)釋會(huì)釋放出放出電電磁波，在巨大加速或磁波，在巨大加速或減減速速過(guò)過(guò)程中程中，所所釋釋放放的電的電磁波具有高能量磁波具有高能量，當(dāng)當(dāng)其波其波長(zhǎng)長(zhǎng)在在10-1210-8m則則成成X光。光。10:39:06 用用高速加速高速加速的電的電子束撞子束撞擊擊陽(yáng)極靶時(shí)陽(yáng)極靶時(shí)，高速，高速電子電子受到靶受到靶原子原子的阻的阻擋擋，急急速速停下停下來(lái)來(lái)，其部分其部分動(dòng)動(dòng)能能則則以以X光的光的形式釋形式釋放放出來(lái)出來(lái)。高速高速電電子撞子撞

9、擊時(shí)減擊時(shí)減少的能量少的能量E 、所所轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化出化出來(lái)的來(lái)的X光波光波長(zhǎng)長(zhǎng)，根根據(jù)愛(ài)據(jù)愛(ài)因斯坦公式因斯坦公式Ehhc/可表示可表示為為：10:39:06 量子原理：量子原理：高速高速電電子在撞子在撞擊擊到原子到原子時(shí)時(shí)，很容，很容易易將將能量能量傳送傳送給原子中的給原子中的電電子子，而使原子而使原子離離子子化化。當(dāng)。當(dāng)原子內(nèi)原子內(nèi)層軌道的電層軌道的電子被激子被激發(fā)后發(fā)后，其其空空位位很快很快會(huì)會(huì)被外被外層電層電子的子的躍躍入入填滿填滿，在此在此電電子子躍遷躍遷的的過(guò)過(guò)程中程中，由由于于不同不同軌道間軌道間的能量的能量差差，X光光會(huì)會(huì)隨著隨著放出。放出。 此此過(guò)過(guò)程所程所產(chǎn)產(chǎn)生的生的X光光與與原子

10、中原子中電子電子軌道的軌道的能量有能量有關(guān)關(guān)。10:39:06X-射線：波長(zhǎng)射線：波長(zhǎng)0.001-10nm的電磁波的電磁波高速電子撞擊使陽(yáng)極元素的內(nèi)層電子激高速電子撞擊使陽(yáng)極元素的內(nèi)層電子激發(fā)，產(chǎn)生發(fā)，產(chǎn)生X射線輻射。射線輻射。10:39:06X光管工作情形10:39:06封閉式X射線管10:39:06高功率旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極電子束電子束X射線射線10:39:06加速器中可以引出加速器中可以引出X X射線射線10:39:06X射線產(chǎn)生必須具備的三個(gè)基本條件：射線產(chǎn)生必須具備的三個(gè)基本條件： () 產(chǎn)生自由電子產(chǎn)生自由電子; () 使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)使電子作定向高速運(yùn)動(dòng); () 有障礙物使其突然減速有障

11、礙物使其突然減速;10:39:064. X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) 是電磁波，具有波粒二象性。是電磁波，具有波粒二象性。 =h=h(c/) ， P=h/； 能被物質(zhì)吸收，會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射和光電能被物質(zhì)吸收，會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象；與可見(jiàn)光比較，差別主要在波長(zhǎng)效應(yīng)等現(xiàn)象；與可見(jiàn)光比較，差別主要在波長(zhǎng)和頻率。和頻率。 具有很強(qiáng)的穿透能力，通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收具有很強(qiáng)的穿透能力，通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收使其強(qiáng)度減弱，能殺傷生物細(xì)胞。使其強(qiáng)度減弱，能殺傷生物細(xì)胞。 沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場(chǎng)、磁場(chǎng)不能使沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場(chǎng)、磁場(chǎng)不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。10:39:06一、一、X射線的產(chǎn)生射線

12、的產(chǎn)生: 三個(gè)基本條件三個(gè)基本條件;經(jīng)典理論和量子理論經(jīng)典理論和量子理論解釋?zhuān)唤忉專(zhuān)欢?、二、X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì): : 10-12-10-8m、 波動(dòng)性、波動(dòng)性、 穿透能穿透能力、力、 沿直線傳播沿直線傳播;三、三、X射線的應(yīng)用射線的應(yīng)用: 晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定，軟、硬晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定，軟、硬X射線。射線。10:39:06如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就稱(chēng)之為如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就稱(chēng)之為相干的相干的(coherent). 不相干的光波不相干的光波(noncoherent)相互相互干擾，導(dǎo)致強(qiáng)度的減弱干擾，導(dǎo)致強(qiáng)度的減弱. 在同一方向的射線稱(chēng)為在同一方向的射線稱(chēng)為準(zhǔn)直的準(zhǔn)直的（平行的

13、）（平行的）collimated beam. 電燈泡的光線是發(fā)散的電燈泡的光線是發(fā)散的, 射向地球的太陽(yáng)光基射向地球的太陽(yáng)光基本是本是 collimated 。如果所有光波的頻率相同（即波長(zhǎng)一致），就之為如果所有光波的頻率相同（即波長(zhǎng)一致），就之為單色的單色的，反之為多色的。燈泡是，反之為多色的。燈泡是多色的多色的，激光是單，激光是單色的。色的。關(guān)于電磁波的三個(gè)術(shù)語(yǔ)關(guān)于電磁波的三個(gè)術(shù)語(yǔ)10:39:061-2 X射線譜射線譜1、連續(xù)、連續(xù)X射線譜射線譜2、X射線特征光譜射線特征光譜10:39:06（1）定義：）定義：是具有連續(xù)變化波長(zhǎng)的是具有連續(xù)變化波長(zhǎng)的X射射線，也稱(chēng)線，也稱(chēng)白色白色X射線射線

14、。10:39:06（2）產(chǎn)生機(jī)理：）產(chǎn)生機(jī)理：主要有兩種解釋。主要有兩種解釋。u 經(jīng)典物理學(xué)理論認(rèn)為是高速運(yùn)動(dòng)熱電子的動(dòng)能變經(jīng)典物理學(xué)理論認(rèn)為是高速運(yùn)動(dòng)熱電子的動(dòng)能變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽(yáng)極靶成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽(yáng)極靶上時(shí)，上時(shí)，由于到達(dá)靶面上的時(shí)間和被減速的情況各由于到達(dá)靶面上的時(shí)間和被減速的情況各不相同不相同，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)。，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)。u 近代量子理論認(rèn)為是近代量子理論認(rèn)為是多次碰撞多次碰撞 、多次輻射、多次輻射的結(jié)的結(jié)果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出波長(zhǎng)不同

15、。波長(zhǎng)不同。10:39:06X射線強(qiáng)度：射線強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于X射線射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。和。dII0)(連連續(xù)續(xù) 連續(xù)連續(xù)X X射線的總強(qiáng)度：射線的總強(qiáng)度：強(qiáng)度是由單個(gè)光子的能量和數(shù)目?jī)蓚€(gè)因素決定的，強(qiáng)度是由單個(gè)光子的能量和數(shù)目?jī)蓚€(gè)因素決定的，所以連續(xù)所以連續(xù)X射線的總強(qiáng)度極大值不在光子能量最大射線的總強(qiáng)度極大值不在光子能量最大的的0處，而在處，而在1.5 0 處。10:39:06u有：有：實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明：2kiZUI連連續(xù)續(xù)kZUiUkiZUI2射射線線管管輸輸入入功功率率連連續(xù)續(xù)X計(jì)算表明，

16、效率往往只有計(jì)算表明，效率往往只有1%，很低，能量絕大部分生成熱能損失。，很低，能量絕大部分生成熱能損失。10:39:06 在陽(yáng)極靶所輻射的全部在陽(yáng)極靶所輻射的全部X光子中，光子能量的最光子中，光子能量的最大值不能大于電子的能量，具有極大能量的光子波大值不能大于電子的能量，具有極大能量的光子波長(zhǎng)，即為短波極限長(zhǎng)，即為短波極限0 。 當(dāng)：當(dāng)：E=1/2m2=eU=hmax=hc/0 有短波極限有短波極限：0=1.24/U m位于位于1.50處。處。10:39:0610:39:06I 固定，固定，U變化變化(升高升高), 在連在連續(xù)續(xù)X射線譜上可看出：射線譜上可看出： 各種波長(zhǎng)射線的相對(duì)強(qiáng)各種波長(zhǎng)

17、射線的相對(duì)強(qiáng)度都相應(yīng)地增高；度都相應(yīng)地增高； 各曲線上都有短波極限，各曲線上都有短波極限，且短波極限值（且短波極限值（。）。）逐漸逐漸變小；變小； 各曲線的最高強(qiáng)度值各曲線的最高強(qiáng)度值(m)的波長(zhǎng)逐漸變小。的波長(zhǎng)逐漸變小。10:39:0610:39:06（1）定）定義義（2）產(chǎn)生機(jī)理）產(chǎn)生機(jī)理（3）作）作用用10:39:06（1）特征）特征X射線譜定義：射線譜定義： 是具有特定波長(zhǎng)的是具有特定波長(zhǎng)的X射線，射線， 也稱(chēng)也稱(chēng)單色單色X射線射線。10:39:06（2）X射線特征譜的產(chǎn)生射線特征譜的產(chǎn)生uX射線特征譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。射線特征譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。 當(dāng)高能粒子（如電子、

18、質(zhì)子或當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子或X射線光子）射線光子）撞擊原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，撞擊原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過(guò)一系列的躍遷（通過(guò)一系列的躍遷（LK，ML，NM），），直至受激原子回到基態(tài)。直至受激原子回到基態(tài)。 10:39:06特征光譜產(chǎn)生：特征光

19、譜產(chǎn)生：碰撞碰撞躍遷躍遷(高高) ) 空穴空穴躍遷躍遷(低低) )10:39:06特征譜線的特征譜線的頻率頻率：uR =1.097107 m-1,Rydberg常數(shù)；常數(shù)；u 核外電子對(duì)核電荷的屏蔽常數(shù)；核外電子對(duì)核電荷的屏蔽常數(shù)；un 電子殼層數(shù)；電子殼層數(shù)；uc 光速；光速；uZ 原子序數(shù)，原子序數(shù)，不同元素具有自己的特征譜線不同元素具有自己的特征譜線定性基礎(chǔ)定性基礎(chǔ)1212222211()nnnnEEcR Zhnn10:39:0610:39:06 躍遷定則：躍遷定則：(1)主量子數(shù)主量子數(shù) n0 (2)角量子數(shù)角量子數(shù) L=1(3)內(nèi)量子數(shù)內(nèi)量子數(shù) J=1, 0 ,J為為L(zhǎng)與磁量子數(shù)矢量

20、和與磁量子數(shù)矢量和S n=1, 2, 3，可分為可分為 線系線系, 線系線系, g g 線系；線系；u LK層層K ： K 1 、K 2 ; MK層層K ： K 1 、 K 2 ；NK層層Kg g ： Kg g 1 、 Kg g 2 u M L 層層L ： L 1 、 L 2; NL層層L ： L 1 、 L 2 NM層層M ； M 1 、M 2 10:39:06（3）特征）特征X射線的強(qiáng)度：射線的強(qiáng)度：(a). 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式: 如如K系譜線強(qiáng)度系譜線強(qiáng)度(b). 特征特征X射線與連續(xù)射線與連續(xù)X射線的射線的強(qiáng)度比：強(qiáng)度比： U=35Uk 有最大比值。有最大比值。系譜線的臨界激發(fā)電壓系譜線

21、的臨界激發(fā)電壓為為為常數(shù)；為常數(shù)；KUknAUUAiInKK,)(c). 2125KKKKIIII10:39:06（4）特征光譜應(yīng)用）特征光譜應(yīng)用不同元素具有自己的特征譜線不同元素具有自己的特征譜線 定性定性依據(jù)依據(jù)例如：例如：LK層；層；K 線系；線系；n1 =2，n2 =1；1212222211()nnnnEEcR Zhnn23( )()4KcR Z243 ()KKcR Z10:39:06莫塞萊定律：莫塞萊定律：式中：式中： 是波長(zhǎng)；是波長(zhǎng)；K 、：常數(shù)；：常數(shù)； Z：原子序數(shù)：原子序數(shù)這個(gè)公式表明：這個(gè)公式表明：只要是同種原子，不論它只要是同種原子，不論它所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)如何，它

22、發(fā)出所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)如何，它發(fā)出的特征的特征X X射線均具有相同波長(zhǎng)。射線均具有相同波長(zhǎng)。譜線強(qiáng)度譜線強(qiáng)度定量定量；)(/1ZK10:39:07特征特征X射線小結(jié)射線小結(jié)1） 具有特定波長(zhǎng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，也稱(chēng)單色射線，也稱(chēng)單色X射線；射線；2） 機(jī)理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)機(jī)理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中內(nèi)層電子的結(jié)合能，將內(nèi)層電子激原子中內(nèi)層電子的結(jié)合能，將內(nèi)層電子激發(fā)掉，外層電子會(huì)躍遷到內(nèi)層空位，因外發(fā)掉，外層電子會(huì)躍遷到內(nèi)層空位，因外層電子能量高，多余的能量就會(huì)以層電子能量高，多余的能量就會(huì)以X射線射線的形式輻射出來(lái)，兩個(gè)能級(jí)之間的能量差的形式輻射出來(lái)，兩個(gè)能級(jí)

23、之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波是固定的，所以此能量也是固定，即其波長(zhǎng)也是固定。長(zhǎng)也是固定。10:39:073）特征譜結(jié)構(gòu)）特征譜結(jié)構(gòu) K系特征譜系特征譜 ： K、K、K, K(K1、K2) 4）與與Z的關(guān)系的關(guān)系熒光熒光X射線光譜分析（射線光譜分析（XRF、XFS）5) 特征特征X X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度)(/1ZK10:39:07相干的相干的散射散射X射線射線電子電子非相干的非相干的反沖電子反沖電子俄歇電子俄歇電子光電子光電子熒光熒光x射線射線康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)光電效應(yīng)光電效應(yīng)透射透射X射線射線I=I0e-ut熱能熱能t入射入射X射線射線I010:39:0

24、710:39:07 X射線的強(qiáng)度衰減：射線的強(qiáng)度衰減： 吸收吸收+散射散射；u X射線的射線的 ，物質(zhì)的，物質(zhì)的 Z ，越易吸收，越易吸收（吸收吸收散射散射），吸收吸收為主；為主； u ，物質(zhì)的，物質(zhì)的 Z，穿透力越強(qiáng)；，穿透力越強(qiáng)； 對(duì)輕元對(duì)輕元素素N、C、O （Z小）而言，小）而言，散射散射為主。為主。10:39:07(1)(1)相干散射相干散射( (經(jīng)典經(jīng)典散射，散射，彈性散射彈性散射，湯姆遜散射湯姆遜散射) )新的新的X射線與原射線與原X射線的周期、頻率相同，射線的周期、頻率相同，方向可能不同。實(shí)驗(yàn)可觀察到該現(xiàn)象，這方向可能不同。實(shí)驗(yàn)可觀察到該現(xiàn)象，這是是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)，

25、也即射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)，也即測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)。測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)。X射線射線碰撞碰撞新振動(dòng)波源群新振動(dòng)波源群相干散射相干散射內(nèi)層內(nèi)層電子電子10:39:07 上述考慮沒(méi)有考慮上述考慮沒(méi)有考慮X X射線的強(qiáng)度問(wèn)題，射線的強(qiáng)度問(wèn)題，但實(shí)際上，被電子散射的但實(shí)際上，被電子散射的X X射線強(qiáng)度在不同射線強(qiáng)度在不同方向上是完全不同的。方向上是完全不同的。10:39:07（2）非相干散射）非相干散射Comptom 散射、非彈性散射；散射、非彈性散射；Comptom-吳吳有訓(xùn)效應(yīng)；有訓(xùn)效應(yīng)； X射線非彈性碰撞波/，方向改變反沖電子 波長(zhǎng)變長(zhǎng)、波長(zhǎng)變長(zhǎng)、周相不同，周相不同， 不相干不相干外層

26、外層電子電子10:39:07u = - = K (1-cos2 ) K 與散射體和入射線波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)；與散射體和入射線波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)； 作用物質(zhì)作用物質(zhì)Z，非相干散射，非相干散射，衍射圖上衍射圖上出現(xiàn)連續(xù)背景。出現(xiàn)連續(xù)背景。10:39:07 (a) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)當(dāng)入射當(dāng)入射X射線能量做夠大，射線能量做夠大，將將內(nèi)層電子內(nèi)層電子擊出，產(chǎn)生光電子，被打掉內(nèi)層擊出，產(chǎn)生光電子，被打掉內(nèi)層電子的原子發(fā)生外層電子想內(nèi)層躍遷，輻射電子的原子發(fā)生外層電子想內(nèi)層躍遷，輻射出一定波長(zhǎng)的特征出一定波長(zhǎng)的特征X射線的過(guò)程。是以射線的過(guò)程。是以X射線射線產(chǎn)生產(chǎn)生X射線射線(熒光輻射、二次熒光輻射、二次特征特征輻

27、射輻射) 的過(guò)程，的過(guò)程，區(qū) 別 于 電 子 入 射 產(chǎn) 生 的 特 征區(qū) 別 于 電 子 入 射 產(chǎn) 生 的 特 征 X 射 線 。射 線 。 10:39:07發(fā)射出的光電子發(fā)射出的光電子hvhv 發(fā)射出的熒光發(fā)射出的熒光x x射線射線u 重元素易產(chǎn)生熒光重元素易產(chǎn)生熒光X X射線。射線。10:39:07 如：激發(fā)如：激發(fā)k層上的電子，產(chǎn)生層上的電子，產(chǎn)生k線系的熒光輻射，線系的熒光輻射，入射入射x射線的能量必須大于等于射線的能量必須大于等于Ek , 理想狀態(tài)下理想狀態(tài)下可以等于靶材的臨界激發(fā)電壓可以等于靶材的臨界激發(fā)電壓U: Ek=hk =hc/=eU U=1.24/ 激發(fā)電壓：激發(fā)電壓：

28、10:39:07 光 電 子 能 譜 分 析 （光 電 子 能 譜 分 析 （ E S C A ） X射線光電子能譜分析（射線光電子能譜分析（XPS）,紫外光電紫外光電子能譜分析（子能譜分析（UPS）10:39:07(b) 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)以以X射線產(chǎn)生射線產(chǎn)生X射線，但該射線，但該射線不輻射出而是再激發(fā)其它電子的過(guò)程。射線不輻射出而是再激發(fā)其它電子的過(guò)程。發(fā)射出的光電子發(fā)射出的光電子能量被鄰近的能量被鄰近的L層電子吸收，層電子吸收，發(fā)射出的發(fā)射出的俄歇電子俄歇電子KL2L210:39:07（c）光電效應(yīng)與俄歇效應(yīng)關(guān)系：u俄歇電子與熒光俄歇電子與熒光X射線在同一過(guò)程中產(chǎn)生，幾射線在同一過(guò)程中產(chǎn)

29、生，幾率之和為一；率之和為一；u 真吸收；真吸收；u輕元素易產(chǎn)生俄歇電子，重元素易產(chǎn)生熒光輕元素易產(chǎn)生俄歇電子，重元素易產(chǎn)生熒光X射線。射線。10:39:0710:39:075004003002001000OPb Pb150145140135130PbO2Pb3O4PbNCaCNaClOPb Pb10:39:07 吸收限吸收限(吸收邊吸收邊)：一個(gè)特一個(gè)特征征X射線譜系的臨界激發(fā)波長(zhǎng)射線譜系的臨界激發(fā)波長(zhǎng)，即，即m突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 在元素的在元素的X射線吸收光譜中，射線吸收光譜中，m 發(fā)生突變；呈現(xiàn)非連續(xù)性發(fā)生突變；呈現(xiàn)非連續(xù)性；上一個(gè)譜系的吸收結(jié)束，；上一個(gè)譜系的吸收結(jié)束，下一個(gè)譜系的吸收開(kāi)始。下一個(gè)譜系的吸收開(kāi)始。能級(jí)能級(jí)(MK), 吸收限吸收限(波長(zhǎng)波長(zhǎng))，激發(fā)需要的能量激發(fā)需要的能量。10:39:07由于存在由于存在x射線激發(fā)電壓射線激發(fā)電壓k12.4/uk uk稱(chēng)稱(chēng) K系激發(fā)電壓，系激發(fā)電壓，k稱(chēng)為激發(fā)稱(chēng)為激發(fā)限，限，從從X射線吸收的角度講又可稱(chēng)射線吸收的角度講又可稱(chēng)吸收限吸收限。10:39:07（a） 線吸收系數(shù)與質(zhì)量吸收系數(shù)線吸收系數(shù)與質(zhì)量吸收系數(shù) 由于散射與真吸收，透射方向