第2章_X射線的物理基礎(chǔ)

1、v1895年德國物理學(xué)家倫琴年德國物理學(xué)家倫琴 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)X射線射線v帶來了實(shí)驗(yàn)水平的革命帶來了實(shí)驗(yàn)水平的革命v為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究打開了一扇大門為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究打開了一扇大門Rontgen W C 1845-19232.1 X X射線發(fā)展史射線發(fā)展史v 1909年德國物理學(xué)家勞埃年德國物理學(xué)家勞埃 第一次用第一次用X-射線實(shí)驗(yàn)證實(shí)了射線實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 晶體結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期性晶體結(jié)構(gòu)的重復(fù)周期性v 晶體結(jié)構(gòu)的研究從理論推導(dǎo)進(jìn)入實(shí)晶體結(jié)構(gòu)的研究從理論推導(dǎo)進(jìn)入實(shí)際測量際測量v X-射線為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了空前射線為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了空前威力的武器威力的武器Laue M V 1827-19602.1 X X射線發(fā)展

2、史射線發(fā)展史v 法國學(xué)者布拉格父子法國學(xué)者布拉格父子v 測定了測定了NaCl晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)v 這是人類測試的第一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。這是人類測試的第一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。v 自此之后，大量的晶體結(jié)構(gòu)被陸續(xù)測出，自此之后，大量的晶體結(jié)構(gòu)被陸續(xù)測出，從而開拓了晶體結(jié)構(gòu)研究的新領(lǐng)域。從而開拓了晶體結(jié)構(gòu)研究的新領(lǐng)域。Bragg W H1862-1942Bragg W L1890-19712.1 X X射線發(fā)展史射線發(fā)展史與與X X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單 年 份學(xué) 科得獎(jiǎng)?wù)邇?nèi) 容1901物理倫琴Wilhelm Conral RontgenX射線的發(fā)現(xiàn)191

3、4物理勞埃Max von Laue晶體的X射線衍射亨利.布拉格Henry Bragg勞倫斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射線1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射線光譜學(xué)戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson1954化學(xué)鮑林Linus Carl Panling化學(xué)鍵的本質(zhì)肯德魯John Charles Kendrew帕魯茲Max Ferdinand Perutz1962生理醫(yī)學(xué)Francis H.C.Crick、JA

4、MES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測定1964化學(xué)Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶體測定霍普特曼Herbert Hauptman卡爾Jerome Karle魯斯卡E.Ruska電子顯微鏡賓尼希G.Binnig掃描隧道顯微鏡羅雷爾H.Rohrer布羅克豪斯 B.N.Brockhouse中子譜學(xué)沙爾 C.G.Shull中子衍射直接法解析結(jié)構(gòu)1915物理晶體結(jié)構(gòu)的X射線分析1937物理電子衍射1986物理1994物理1962化學(xué)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定1985化學(xué) 產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生v 高速運(yùn)動(dòng)的電子流或

5、其他高能射流（如高速運(yùn)動(dòng)的電子流或其他高能射流（如射線，射線，X射線，射線，中子流等）中子流等）v 被突然減速被突然減速v 產(chǎn)生產(chǎn)生X射線射線電子流電子流高壓高壓靶面靶面123v 實(shí)驗(yàn)室所用實(shí)驗(yàn)室所用X射線通常由射線通常由X射線機(jī)產(chǎn)生射線機(jī)產(chǎn)生v X射線機(jī)包括：射線機(jī)包括： X射線管射線管 高壓變壓器高壓變壓器 電壓電壓 電流調(diào)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)2.2.1 X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生X射線產(chǎn)生射線產(chǎn)生原子序數(shù)越大，原子序數(shù)越大，X射線波長越短，射線波長越短，能量越大，穿透能力越強(qiáng)。能量越大，穿透能力越強(qiáng)。輔助設(shè)備：輔助設(shè)備：冷卻系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安全防護(hù)安全防護(hù)系統(tǒng)、檢系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)，測系統(tǒng)

6、，等等（1） 陰極發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。（2）陽極靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。（3）窗口X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6的斜角，以減少靶面對(duì)出射X射線的阻礙。v （4）高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極（5）焦點(diǎn)陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來的。焦點(diǎn)的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，

7、螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點(diǎn) X射線衍射工作中希望細(xì)焦點(diǎn)和高強(qiáng)度；細(xì)焦點(diǎn)可提高分辨率；高強(qiáng)度則可縮短暴光時(shí)間旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極 v 上述常用X射線管的功率為5003000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管和閃光X射線管。v 因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會(huì)燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。 旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極加速器中可以引出加速器中可以引出X X射線射線加速器中可以引出加速器中可以引出X射線射線2.2.2 X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)2.2.2 X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)v 肉眼觀察不到，但可使照相底片感光肉眼觀察不到，但可使照相底片感光/熒光板

8、發(fā)光熒光板發(fā)光/氣體電離；氣體電離；v 能透過可見光不能透過的物體；能透過可見光不能透過的物體；v X射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉(zhuǎn)，射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉(zhuǎn)， 通過物體時(shí)不發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，通過物體時(shí)不發(fā)生反射、折射現(xiàn)象， 通過普通光柵亦不引起衍射；通過普通光柵亦不引起衍射；v 能夠殺死生物細(xì)胞組織，對(duì)生物有很厲害的生理作用。能夠殺死生物細(xì)胞組織，對(duì)生物有很厲害的生理作用。焦斑焦斑陽極靶面被電子束轟擊的區(qū)域陽極靶面被電子束轟擊的區(qū)域v X射線從焦斑區(qū)域出發(fā)射線從焦斑區(qū)域出發(fā)v 焦斑的形狀對(duì)焦斑的形狀對(duì)X射線衍射圖的形狀、清晰度、分辨率有較大影響射線衍射圖的形狀、清晰度、分

9、辨率有較大影響在與焦斑短邊垂直處，可得到正方形焦點(diǎn)，即電光源在與焦斑短邊垂直處，可得到正方形焦點(diǎn)，即電光源在與焦斑長邊垂直處，可得到細(xì)線型焦點(diǎn)，即線光源在與焦斑長邊垂直處，可得到細(xì)線型焦點(diǎn)，即線光源較小的焦斑較小的焦斑&較強(qiáng)的強(qiáng)度較強(qiáng)的強(qiáng)度在與靶面成在與靶面成出射角為出射角為36處接受處接受X射線射線X射線譜射線譜v X射線管發(fā)出的射線管發(fā)出的X射線束并不是單一波長的輻射射線束并不是單一波長的輻射v X射線譜射線譜X射線隨波長而變化的關(guān)系射線隨波長而變化的關(guān)系強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的連續(xù)譜強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的連續(xù)譜波長一定、強(qiáng)度很大的特征譜波長一定、強(qiáng)度很大的特征譜疊加疊加管電壓管電壓 X射線連續(xù)

10、譜的強(qiáng)度射線連續(xù)譜的強(qiáng)度 最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)波長最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)波長 最短波長界限最短波長界限 2.3.1 X X射線連續(xù)譜射線連續(xù)譜v增加X射線管壓時(shí)，各種波長射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，最大強(qiáng)度X射線的波長lm和短波限l0變??；v當(dāng)管壓保持恒定、增加管流時(shí)，各種波長X射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，但lm和l0數(shù)值不變；v當(dāng)改變陽極靶元素時(shí)，各種波長的相對(duì)強(qiáng)度隨靶元素的原子序數(shù)增加而增加。對(duì)連續(xù)對(duì)連續(xù)X X射線譜的經(jīng)典解釋射線譜的經(jīng)典解釋v根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時(shí)間和條件不

11、可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。對(duì)連續(xù)對(duì)連續(xù)X X射線譜的量子力學(xué)解釋射線譜的量子力學(xué)解釋v 量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為eV的電子與靶的原子整體碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，即“韌致輻射”。v 大量的電子在到達(dá)靶面的時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度的光子序列，即形成連續(xù)譜。v 極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限0。都有一個(gè)最短波長，稱之短波限0，強(qiáng)度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hveV

12、= hvmaxmax = hc/ = hc/0 0 0 0 = 1.24/V = 1.24/V （nmnm）2.3.2 特征特征X X射線譜射線譜v 當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會(huì)出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對(duì)應(yīng)的波長保持不變。 v 鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時(shí)，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特征X射線譜。v 鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63和0.71處，后者的強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系 特征譜特征譜當(dāng)管電壓超過一定值當(dāng)管電壓超過一定值（激發(fā)電壓（激

13、發(fā)電壓Vk）只取決于陽極靶材料只取決于陽極靶材料特征特征X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生特征特征X射線射線線性光譜，由若干分離且具有特定波長的譜線組成線性光譜，由若干分離且具有特定波長的譜線組成 強(qiáng)度大大超過連續(xù)譜線的強(qiáng)度，可迭加于連續(xù)線譜之上強(qiáng)度大大超過連續(xù)譜線的強(qiáng)度，可迭加于連續(xù)線譜之上 結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用的就是結(jié)構(gòu)分析時(shí)采用的就是K系系X射線射線（波長最短）（波長最短）特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理射線的產(chǎn)生機(jī)理v 特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 v 原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。 v 但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下

14、，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。v 陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。v 如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。v 產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WKhK，陰極電子的能量必須滿足v eVWKhK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVKWK ，VK稱之臨界激發(fā)電壓。特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理射線的產(chǎn)生機(jī)理v 處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定

15、，兩特定能級(jí)間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。v 當(dāng)K電子被打出K層時(shí)，如L層電子來填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生K輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，即v LKLKKhhWWh小結(jié)小結(jié)類型類型成因成因譜圖特征譜圖特征應(yīng)用應(yīng)用連續(xù)譜連續(xù)譜(軟軟X射線射線)高速運(yùn)動(dòng)的粒高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成子能量轉(zhuǎn)換成電磁波電磁波強(qiáng)度隨波長強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化連續(xù)變化生物、醫(yī)學(xué)生物、醫(yī)學(xué)特征譜特征譜(硬硬X射線射線)高能級(jí)電子回高能級(jí)電子回跳到低能級(jí)多跳到低能級(jí)多余能量轉(zhuǎn)換成余能量轉(zhuǎn)換成電磁波電磁波僅在特定波僅在特定波長處有特別長處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析衍射分析2.4 X2.4 X射線

16、與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用v X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程。v 一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。vX射線是一種電磁波，當(dāng)他通過物質(zhì)時(shí)，在入射電場的作用下，物質(zhì)原子中的電子將被迫圍繞其平衡位置振動(dòng)，同時(shí)向四周輻射出與入射X射線波長相同的散射X射線，稱之為經(jīng)典散射。v由于散射波與入射波的頻率相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干條件，又稱為相干散射。2.4.1 X射線的經(jīng)典散射射線的經(jīng)典散射1.3.2 1.3.2 不相干散射不相干散射 入射入射X X射線遇到約束松的電射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子

17、撞至一方，成子時(shí)，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量為反沖電子。入射線的能量對(duì)電子作功而消耗一部份后，對(duì)電子作功而消耗一部份后，剩余部份以剩余部份以X X射線向外輻射。射線向外輻射。散射散射X X射線的波長（射線的波長（）比）比入射入射x x射線的波長（射線的波長（）長，）長，其差值與角度其差值與角度之間存在如之間存在如右關(guān)系：右關(guān)系： 不相干散射在衍射圖相上成不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強(qiáng)度隨為連續(xù)的背底，其強(qiáng)度隨（sin/sin/）的增加而增大，）的增加而增大，在底片中心處（在底片中心處（射線與底射線與底片相交處）強(qiáng)度最小，片相交處）強(qiáng)度最小，越越大，強(qiáng)度越大。大，強(qiáng)度

18、越大。 lllcos10243. 0 v 當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)原子的電子在電磁場的作用下將產(chǎn)生受迫振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與入射X射線的頻率相同。v 任何帶電粒子作受迫振動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振動(dòng)頻率相同。v 由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。v X射線經(jīng)束縛力不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓(xùn)散射,也稱之為不相干散射，是因散射線分布于

19、各個(gè)方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。小結(jié)小結(jié)相干散射相干散射因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng)因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng). .只有相干散射才能產(chǎn)生衍射只有相干散射才能產(chǎn)生衍射, ,所以相所以相干散射是干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ)不相干散射不相干散射因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生衍射衍射, ,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍射的背底底1.3.3 1.3.3 二次特征輻射與光電效應(yīng)二次特征輻射與光電效應(yīng) v物質(zhì)對(duì)X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時(shí)光子的能量變成了其他形式時(shí)能量。v有時(shí)將X射線通過物質(zhì)時(shí)造成的能量損失稱為真吸收。vX射線通過物質(zhì)

20、時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收過程。光電效應(yīng)光電效應(yīng) -光電子和熒光光電子和熒光X X射線射線光電效應(yīng)光電效應(yīng)1 1v 激發(fā)K系光電效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠(yuǎn)時(shí)所作的功WK 。v 將激發(fā)限波長K和激發(fā)電壓VK聯(lián)系起來，即v 式中VK以V為單位。與公式1-3形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限0隨管電壓的增高而減小，而后者說明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。v 從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱K為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，

21、則稱K為吸收限。kkkWhchl41024. 1kkkkkkVeVhchceVll光電效應(yīng)光電效應(yīng)2- 2- 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng) v 俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現(xiàn)，原子中K層的一個(gè)電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。如果一個(gè)L層電子來填充這個(gè)空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時(shí)將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產(chǎn)生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層的一個(gè)空位被L層的兩個(gè)空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng).v 從L層跳出原子的電子稱KLL俄歇電子。每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子

22、的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。不過，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測到的只是表面兩三個(gè)原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。光電效應(yīng)光電效應(yīng)2- 2- 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)光電效應(yīng)小結(jié)光電效應(yīng)小結(jié)光電子光電子被被X X射線擊出殼層的電子即射線擊出殼層的電子即光電子光電子, ,它帶有它帶有殼層的特征能量殼層的特征能量, ,所以可用來進(jìn)行成分分析所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)(XPS)俄歇電子俄歇電子 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量將同能級(jí)的另多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去一個(gè)電子送出去,

23、,這個(gè)被送出去的電子就是這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子俄歇電子帶有殼層的特征能量帶有殼層的特征能量(AES)(AES)二次熒光二次熒光 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射線形式射線形式發(fā)出發(fā)出. .這個(gè)二次這個(gè)二次X X射線就是射線就是二次熒光二次熒光也稱熒也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量光輻射同樣帶有殼層的特征能量小結(jié)小結(jié)散射散射散射無能力損失或損失相對(duì)較小散射無能力損失或損失相對(duì)較小相干散射是相干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ), ,只有相干散射才只有相干散射才能產(chǎn)生衍射能產(chǎn)生衍射. .散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸

24、收吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換, ,多數(shù)在原子殼層多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行上進(jìn)行, ,從而帶有殼層的特征能量從而帶有殼層的特征能量, ,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具可以在分析可以在分析成分成分的同時(shí)告訴你的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)元素價(jià)態(tài)v 一束強(qiáng)度為I0的X射線束，通過厚度為H的物體后，強(qiáng)度被衰減為IH。v 為了得到強(qiáng)度的衰減規(guī)律，現(xiàn)取離表面為x的一薄層dx進(jìn)行分析。設(shè)X射線束穿過厚度為X的物體后，強(qiáng)度波衷減為，而穿過厚度為xdx的物質(zhì)后的強(qiáng)度為I-dI，則通過dx厚的一層引起的強(qiáng)度衰減為dI。v 實(shí)驗(yàn)證明

25、，X射線透過物質(zhì)時(shí)引起的強(qiáng)度衰減與所通過的距離成正比xIIdIdIIdIX X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 X X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律v 對(duì)（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從物體表面（即x0）穿透厚度H后的強(qiáng)度IH: IHI0exp(-H) v 式中IH/I0稱穿透系數(shù)，而為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)的基本公式。v 線衰減系數(shù)1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對(duì)X射線的衰減程度，它與物質(zhì)的密度成正比，即與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)?，F(xiàn)將（1-13）式改寫成：v IHI0e-(/) HI0e-mH v 式中m/稱質(zhì)量衷減系數(shù)， 其單位為cm2 g。v 工作中有時(shí)需要計(jì)算

26、i個(gè)元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質(zhì)量衰減系數(shù)m。由于m與物質(zhì)的存在狀態(tài)無關(guān)，因此衰減系數(shù)可按下式求得：v m=1m1+2m2+imiX X射線的吸收曲線射線的吸收曲線vX X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的，是吸收和散射造成的。v如果用如果用m m仍表示散射系仍表示散射系數(shù)，數(shù)，m m表示吸收系數(shù)。表示吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸收系在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，數(shù)比散射系數(shù)大得多，故故m mm m。質(zhì)量吸收。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此方近似地成比例，因此33ZKm

27、lX X射線的衰減射線的衰減v從熒光從熒光X X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1 11111中的中的吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出K K電電子，形成子，形成K K吸收。但因其波長太短，吸收。但因其波長太短，K K電子不易吸電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。v隨著波長的逐漸增加，隨著波長的逐漸增加，K K電子也越來越容易吸收這電子也越來越容易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到K K吸收限波長為止。吸收限波長為止。v如果入射如果

28、入射X X射線的波長比射線的波長比K K稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射光子的能量已無法打出光子的能量已無法打出K K電子，不產(chǎn)生電子，不產(chǎn)生K K吸收。而吸收。而對(duì)對(duì)L L層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易被吸收，因此，入射被吸收，因此，入射X X射線的波長比射線的波長比K K稍大一點(diǎn)稍大一點(diǎn)時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K K吸收限吸收限至至L L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。吸收限之間曲線的變化規(guī)律。X X射線的衰減小結(jié)射線的衰減小結(jié)宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn)強(qiáng)度衰減與穿過物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)強(qiáng)度衰減與穿過物質(zhì)

29、的質(zhì)量和厚度有關(guān)是是X X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制微觀機(jī)制散射和吸收消耗了入射線的能量散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的這與吸波原理是一樣的吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 - -X X射線濾波片的選擇射線濾波片的選擇 v在一些衍射分析工作中，我在一些衍射分析工作中，我們只希望是們只希望是kk輻射的衍射線輻射的衍射線條，但條，但X X射線管中發(fā)出的射線管中發(fā)出的X X射射線，除線，除kk輻射外，還含有輻射外，還含有KK輻射和連續(xù)譜，它們會(huì)使輻射和連續(xù)譜，它們會(huì)使衍射花樣復(fù)雜化。衍射花樣復(fù)雜化。v獲得單色光的方法之一是在獲得單色光的方法之一是在X

30、 X射線出射的路徑上放置一定射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地厚度的濾波片，可以簡便地將將KK和連續(xù)譜衰減到可以忽和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。略的程度。濾波片的選擇規(guī)則濾波片的選擇規(guī)則 v1： Z靶靶40時(shí)，時(shí)，Z濾濾Z靶靶-1；v2： Z靶靶40時(shí)，時(shí)，Z濾濾Z靶靶-2 濾波片濾波片 v常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-11-1。按。按表中厚度制作的波濾片，表中厚度制作的波濾片，濾波后濾波后K/KK/K的強(qiáng)度比的強(qiáng)度比為為1/6001/600。如果濾波片太厚，雖然如果濾波片太厚，雖然KK可以進(jìn)一步可以進(jìn)一步衰減，但衰減，但kk也相應(yīng)衰

31、減。實(shí)踐表明，當(dāng)也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)KK強(qiáng)度強(qiáng)度被衰減到原來的一半時(shí)，被衰減到原來的一半時(shí)，K/KK/K的強(qiáng)度比將由原的強(qiáng)度比將由原來的來的1/51/5降為濾波后的降為濾波后的1/5001/500左右左右，這對(duì)大多數(shù)衍，這對(duì)大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（可按需要的衰減比用公式（1-141-14）計(jì)算濾波片的）計(jì)算濾波片的厚度。厚度。吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 - -陽極靶材料的選擇陽極靶材料的選擇 v在在X X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的射的X X射線

32、激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射X X射線射線的波長，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽的波長，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽極靶材料，讓靶材產(chǎn)生的特征極靶材料，讓靶材產(chǎn)生的特征X X射線波長偏離樣品射線波長偏離樣品的吸收限。的吸收限。v根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是：根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是：v Z Z靶靶Z Z樣樣-1-1；或；或Z Z靶靶ZZ樣樣。v對(duì)于多元素的樣品，原則上是以含量較多的幾種對(duì)于多元素的樣品，原則上是以含量較多的幾種元素中最輕的元素為基準(zhǔn)來選擇靶材。元素中最輕的元素為基準(zhǔn)來選擇靶材。 X X射線技術(shù)及應(yīng)用射線技術(shù)及應(yīng)用X射線衍射（射線衍射（XRD）EXAFS，XANESX射線形貌（射線形貌（XRT）X射線成像（射線成像（XRI）X射線小角散射（射線小角散射（XRS）X射線光刻（射線光刻（XRL）X射線熒光（射線熒光（XRF）X射線衍射（射線衍射（XRD）l l=2dsin 納米微晶納米微晶FeFe的的X X射線衍射射線衍