X射線衍射學(xué)1,X射線物理學(xué)

1、 李先鋒 材料科學(xué)與工程學(xué)院1材料近代分析測(cè)試方法聯(lián)系方式：科研大樓B108，email: X射線衍射1-X射線物理學(xué)(1,2)X射線衍射2-晶體學(xué)基礎(chǔ)(3,4)X射線衍射3-衍射原理(5-6)X射線衍射4-實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用(7-8)XPS原理及應(yīng)用- (9,10)22.1 X2.1 X射線簡(jiǎn)介射線簡(jiǎn)介2.2 X2.2 X射線及其本質(zhì)；射線及其本質(zhì)；2.3 X2.3 X射線的產(chǎn)生；射線的產(chǎn)生；2.4 X2.4 X射線譜；射線譜；2.5 X2.5 X射線與物質(zhì)相互作用；射線與物質(zhì)相互作用；2.6 X2.6 X射線的探測(cè)與防護(hù)；射線的探測(cè)與防護(hù)；34 2.1 X射線簡(jiǎn)介射線簡(jiǎn)介1836年，英國(guó)科學(xué)家

2、邁克爾.法拉第(Michael Faraday)，陰極射線；1861年，英國(guó)科學(xué)家威廉.克魯克斯（William Crookes，1832-1919）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生亮光；膠卷曝光；1890年美國(guó)科學(xué)家古德斯柏德，偶然洗出了一張X射線的透視底片；18951895年年1111月月8 8日，克魯克斯日，克魯克斯管，氰亞鉑酸鋇屏1895年12月28日，論文一種新射線-初步報(bào)告X X射線。為世紀(jì)之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)射線。為世紀(jì)之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一之一 X X射線射線在晶體結(jié)構(gòu)分析，人體疾病透視檢查治療方面有廣泛應(yīng)用，此而獲得19011901年諾年諾貝爾物理獎(jiǎng)貝爾物理獎(jiǎng)。51901年獲

3、諾貝爾物理獎(jiǎng) (W.C. Roentgen1845-1923)生活：體檢透視、安全檢查。生產(chǎn)：海關(guān)驗(yàn)貨、工業(yè)探傷等?？蒲校篨RD，XPS，XRF等61895年，德國(guó)，倫琴（W.C.Rontgen)，發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)；1912年，德國(guó)，勞埃(M.von Laue)，第一張X射線衍射花樣，晶體結(jié)構(gòu)，電磁波，原子間距，勞埃方程，1914年諾物獎(jiǎng)；1913-1914年，英國(guó)，布拉格父子(Henry Bragg, Lawrence Bragg)，布拉格方程，晶體結(jié)構(gòu)分析，1915年諾物獎(jiǎng)；1916年，德拜、謝樂(lè)，粉末法，多晶體結(jié)構(gòu)分析，1936年諾化獎(jiǎng)；1917年，巴克拉（C.G.Barkla)

4、,元素特征X射線，1917年諾物獎(jiǎng)；1928年，蓋格，彌勒，計(jì)數(shù)管，X射線衍射線強(qiáng)度，衍射儀。781，晶體結(jié)構(gòu)分析：人類研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法。2，物相定性分析3，物相定量分析4，晶粒大小分析結(jié)晶度分析5， 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)分析，6，宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力分析7，擇優(yōu)取向分析910 材料結(jié)構(gòu)分析方法是建立在材料的各種物理化學(xué)效應(yīng)基礎(chǔ)上，包括：（1）物理方法：光束、X射線束，電子束、中子束、其它粒子等射線束，電子束、中子束、其它粒子等（2）化學(xué)方法： 利用X射線束和電子束與材料射線束和電子束與材料相互作用產(chǎn)生效應(yīng)相互作用產(chǎn)生效應(yīng)來(lái)對(duì)材料進(jìn)行分析測(cè)試的來(lái)對(duì)材料進(jìn)行分析測(cè)試的方法是材料近代分析中最重要的

5、方法 。（1）材料的X射線分析方法（2）材料電子顯微分析方法材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。 X射線衍射將會(huì)有助于你探究為何成份相同的材料，其性能有時(shí)會(huì)差異極大。 X射線衍射將會(huì)有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑。11X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。 (1)(1)波動(dòng)性波動(dòng)性 (2)(2)粒子性。粒子性。12X射線的波長(zhǎng)范圍：0.01-100 （ m）表現(xiàn)形式：用晶體作衍射光柵，觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動(dòng)性。硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。 軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線

6、能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（），通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為 ： 1 nm=10 138121010特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率、波長(zhǎng)以及其光子的能量、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系： 式中h普朗克常數(shù)，cX射線的速度。1415產(chǎn)生原理高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.

7、使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物，使電子突然減速或停止。16X射線管剖面示意圖封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空二極管?；窘M成包括：(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。(2)陽(yáng)極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。17X射線管的結(jié)構(gòu)由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線:具有連續(xù)波長(zhǎng)的X 射線， 構(gòu)成連續(xù)X 射線譜 ， 它和可見(jiàn)光相似，亦稱多色X射線。(2)標(biāo)識(shí)X射線。18能量為eV的電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，電

8、子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X X射線。射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X X射線譜。射線譜。192021X射線的強(qiáng)度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)目的能量總和。 常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv。連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.50,而不在0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。221，各種波長(zhǎng)的X射線

9、的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，2，最高強(qiáng)度的射線的波長(zhǎng)逐漸變短（曲線的峰相左移動(dòng)），3，短波極限逐漸變小，即0 向左移動(dòng)，4，波譜變寬。23因此，管電壓既影響連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度，也影響其波長(zhǎng)范圍。是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見(jiàn)光中的單色相似，稱單色X射線。當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為K和K，波長(zhǎng)分別為0.71A和0.63A.24鉬陽(yáng)極管發(fā)射的X射線譜波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生相理與陽(yáng)極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)。在電子轟擊陽(yáng)極的過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能

10、量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。2526K 層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K 層空位填充時(shí)產(chǎn)生K 系輻射。L 層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生K 輻射； M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生K 輻射。27由能級(jí)可知K 輻射的光子能量大于K 的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，所以K 的強(qiáng)度約為K 的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk 至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk 。Vk就是激發(fā)電壓。28標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶

11、物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。 即莫塞萊定律。該發(fā)現(xiàn)是原子知識(shí)進(jìn)展的一個(gè)里程碑。莫塞萊的主要業(yè)績(jī)是：用實(shí)驗(yàn)證明元素的主要特性由其原子序數(shù)決定，而不是由原子量決定，確立了原子序數(shù)與原子核電荷之間的關(guān)系。29X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同和復(fù)雜的過(guò)程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X 射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)的方向傳播。30X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象： 相干散射：物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。 非相干散射。31物質(zhì)中的

12、電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。由于散射線與入射線的頻率和波長(zhǎng)一致，位相固定，在相同的方向上各個(gè)散射波符合干涉條件，因此稱為相干散射。干涉條件：1，頻率相同2，相位差固定3，振動(dòng)方向一致32相干散射并未損失X射線的能量（頻率或者波長(zhǎng)沒(méi)變），而只是改變了它的傳播方向。因此相干散射又稱為彈性散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。3334討論：1、由一個(gè)電子散射到相距R的P點(diǎn)的散射波強(qiáng)度只是入射波的強(qiáng)度的極小一部分。2、散射強(qiáng)度與距離的平方成反比。3、各個(gè)方向上散射強(qiáng)度不同。35（2）衍射儀法）衍射儀法（1）勞厄方法）勞厄方法X射線

13、光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。36非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來(lái)描述，亦稱量子散射。它會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來(lái)不利的影響，特別對(duì)輕元素。物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對(duì)X射線的非熱能非熱能的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過(guò)程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。 光電效應(yīng)； 俄歇效應(yīng)； 熱能。37光電效應(yīng)以X光子

14、激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱為熒光X X射線射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限k k( (引起原子內(nèi)層電子躍遷的最低能量)38原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時(shí)，放出能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1)熒光X射線；(2)當(dāng)釋放的能量傳遞到另一層的一個(gè)電子，產(chǎn)生二次電離，這個(gè)電子就可以脫離原子發(fā)射，被稱為俄歇電子（Auger electron ）。3940俄歇電子的能量與激發(fā)源（光子或電子）的能量無(wú)關(guān)，只取決于物質(zhì)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。 當(dāng)一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過(guò)物質(zhì)中的距離成正比。41I0 入射X射線強(qiáng)度，Ix 為穿透厚度為x的物質(zhì)后的X射線強(qiáng)度，l 為線衰減系數(shù)，衰減與散射的關(guān)系很小，因此， l 也稱線吸收系數(shù)。m為質(zhì)量吸收系數(shù)42X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999-0.999999 。43因此，一般衍射實(shí)驗(yàn)中可以不考慮X射線折射的影響。44 X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險(xiǎn)。 電震的危險(xiǎn)在高壓儀器的周圍是經(jīng)常地存在的，X射線的陰極端為危險(xiǎn)的源泉。在安裝時(shí)