X射線衍射技術(shù)1課件

1、X射線衍射技術(shù)X射線基礎(chǔ)4X 射線應(yīng)用技術(shù)X 射線形貌技術(shù)（Radiography）醫(yī)學(xué)診斷、治療、工業(yè)探傷X 射線光譜技術(shù)（Spectrum）元素分析X 射線衍射技術(shù)（X ray Diffraction-XRD）相分析、結(jié)構(gòu)分析等 立方結(jié)構(gòu) 六方結(jié)構(gòu) 32面體結(jié)構(gòu) 單或多層碳管結(jié)構(gòu)材料的相結(jié)構(gòu)分析X射線衍射技術(shù) 以C的同素異形體體為例85年發(fā)現(xiàn) 91年發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)決定性能 7X射線的發(fā)現(xiàn)History retrospection1895年，德國物理學(xué)家Rntgen（倫琴）(Born in 1845 in Gernmany)在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線（1901年獲得首屆諾貝爾獎）X射線的發(fā)現(xiàn)和廣

2、泛應(yīng)用是廿世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大成就之一圍繞X射線發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用而進行科研工作的科學(xué)家獲諾貝爾獎的就有近卅人之多1901年 倫琴(英) 獲諾貝爾物理獎1914年 勞埃(德) 獲諾貝爾物理獎1915年 布拉格父子(英)獲諾貝爾物理獎1936年 德拜(英/荷) 獲諾貝爾化學(xué)獎1962年 奧森等3人 獲諾貝爾生物獎1964年 霍奇金(英/埃) 獲諾貝爾化學(xué)獎1985年 豪普特曼等2人 獲諾貝爾化學(xué)獎 X射線的性質(zhì)X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙及許多對于可見光不透明的物質(zhì)；X射線肉眼不可見，但可以使照相底片感光。在通過一些物質(zhì)時，使物質(zhì)原子中的外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光；X射線能夠殺死生物細胞

3、和組織，人體組織在受到X射線的輻射時，生理上會產(chǎn)生一定的反應(yīng)。112. Production of X RaysX射線源X 射線源X射線管發(fā)出的X射線X ray tube-Thermal cathode synchronization acceleration同步輻射源（最多）122.1 X射線管(X ray tube)加速電壓14153. X射線譜加速電壓min相對強度I連續(xù)X射線特征X射線施加不同的電壓，得到波長和強度的關(guān)系曲線，稱為X射線譜。3.1 X射線譜特征X射線譜由連續(xù)譜和特征譜組成.連續(xù)譜：具有從某個最短波長min開始的連續(xù)波長譜。特征譜：特征波長值是固定的，僅與陽極靶材有關(guān)。m

4、in相對強度I連續(xù)X射線特征X射線3.2 連續(xù)X射線譜各管電壓下W的連續(xù)譜加速電壓(1)連續(xù)X-ray譜為什么是“連續(xù)的”？電子加速后撞向陽極靶，大部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，一部分以X-ray釋放。撞向陽極的電子目數(shù)很多，時間、條件不同，或多次碰撞逐步減少其能量。動能轉(zhuǎn)換為X-ray的能量有多有少，射出X-ray的頻率有大有小，形成不同波長的X-ray，構(gòu)成連續(xù)的譜線。(2) 連續(xù)X射線譜的特點 強度隨波長連續(xù)變化。 每條曲線都有一個強度最大值和波長極限短波限0。 產(chǎn)生原因：高速運動的電子被靶面驟然阻止，并且其能量全部轉(zhuǎn)化為X-ray能量。連續(xù)X射線譜(3) 短波限0的形成因為，根據(jù)量子理論解釋，電

5、子的能量為：而由電子被阻擋而激發(fā)產(chǎn)生的X-ray，其最大的能量也就是電子的動能。所以在電子被阻擋后一次性發(fā)射出來的X-ray的波長最短，此即短波限0 。當(dāng)增加X射線管壓時，各種波長射線的相對強度一致增高；當(dāng)管壓保持恒定、增加管流時，各種波長X射線的相對強度一致增高；當(dāng)改變陽極靶元素時，各種波長的相對強度隨靶元素的原子序數(shù)增加3.3 特征X射線譜Mo靶X光管發(fā)出的X射線光譜（35kV時）(2) 標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生機理原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級，能級是不連續(xù)的，K層靠近原子核，能量最低。管電壓增加到一定數(shù)值，電子脫離原軌道，體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。電子從高能級向低

6、能級的躍遷將以光子的形式輻射出標(biāo)識X-ray譜。28高能電子撞擊出靶材料原子的內(nèi)層一個電子，被逐出電子的空位很快被外層的一個電子填占。而這個電子空位又被更外層來的電子占有，如此一系列步驟使該電離原子恢復(fù)正常狀態(tài)。每一步的電子躍遷產(chǎn)生特征X射線。 根本原因：原子內(nèi)層電子的躍遷29(3) 標(biāo)識X射線的 標(biāo)識線分別為相鄰電子層、隔層電子層、隔兩層躍遷產(chǎn)生的特征線 K系x射線：其它電子層躍遷到K層產(chǎn)生 等 問題：K線系和L線系相比，誰的波長短？波長最短的稱為K線系，次短的為L線系，再次短的為M線系，依次類推K線和K線相比，誰的波長短？誰的強度高？K線比K波長短而強度低(4) 標(biāo)識X射線譜的波長標(biāo)識X-

7、ray譜的波長只取決陽極靶材料的原子序數(shù)，是物質(zhì)的固有特性。（莫塞萊定律）：式中：K常數(shù)（與靶材物質(zhì)總量子數(shù)有關(guān)）常數(shù)（與電子所在殼層位置有關(guān)）z靶材料的原子序數(shù)常用陽極靶材料的特征譜參數(shù) 陽極靶元素 原子序數(shù)Z K系特征譜波長（埃） U(KV)(3-5)UK K1K2K KCr 24 2.28970 2.29306 2.29100 2.08487 20_25 Fe 26 1.936042 1.939980 1.937355 1.75661 25_30 Co 27 1.788965 1.792850 1.790262 1.62079 30 Ni 28 1.657910 1.661747 1.6

8、59189 1.500135 30_35 Cu 29 1.540542 1.544390 1.541838 1.392218 35_40 Mo 42 0.709300 0.713590 0.710730 0.632288 50_55 3.4 X-ray譜知識小結(jié)比較內(nèi)容連續(xù)譜特征譜譜線特征譜線形態(tài)I沿連續(xù)分布 有0、m、I不連續(xù)分布有K、K電壓變化V ：I 0、m 不變電流變化i ：I 0、m不變不變靶材料原子序數(shù)變化Z：同上變機理減速輻射激發(fā)輻射4. X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復(fù)雜的物理過程。 一束X射線通過物體后，其強度被衰減，是其散射和吸收的結(jié)果，吸收是造成

9、強度衰減的主要原因。X射線與物質(zhì)的相互作用H熱能入射X射線強度為I0透過X射線強度為I=I0e-uH熒光X射線電子X射線散射X射線散射由特征X射線激發(fā)的次級特征X射線稱為熒光X射線3637X射線與物質(zhì)的相互作用X射線的散射 ；X射線的吸收 ；X射線的衰減規(guī)律； 吸收限的應(yīng)用； 384.1 X射線的散射 X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。39(1) 相干散射物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強迫振動。這樣每個電子在各方向產(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。X射線衍射 技術(shù)的基礎(chǔ)40(2) 非相干散射 X射線光子與束縛力不大的外層電子

10、 或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。能量與波長反比非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。414.2 X射線的吸收 物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚琗射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。（自學(xué)）42(1) X射線的吸收及其應(yīng)用當(dāng)一束X射線通

11、過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。43邊界條件： X=0, I = I0線吸收系數(shù) 1 單位厚度的物體對X射線的吸收。與吸收體密度成正比。 質(zhì)量吸收系數(shù) m 1/密度44質(zhì)量衰減系數(shù)m 表示單位重量物質(zhì)對X射線強度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系： K為常數(shù)x射線的波長愈長，或吸收體的原子序數(shù)愈大，x射線越容易被吸收(減函數(shù)IH越小）；亦即x射線的波長越短，或者穿過原子序數(shù)越小的物質(zhì)時，其穿透力越大45計算舉例：試問Cu靶Ka線經(jīng)過10-3厘米厚的銅薄片和鉛薄片，強度各減弱多少？已知對于x=10-3厘米的銅薄

12、片：對于x=10-3厘米的鉛薄片：強度減弱 1-0.623=37.7%強度減弱 1-0.065=93.5%47Compound and solid solution元素吸收系數(shù)與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘積之和物相定量分析的基礎(chǔ)SiO2對Cu Ka線質(zhì)量吸收系數(shù)計算舉例：原子量：Si 28.09， O 16.0；質(zhì)量吸收系數(shù)：Si 60.6， O 11.5（查表）已知則 SiO2質(zhì)量吸收系數(shù)=(28.09*60.6 + 16*11.5)/(28.09 + 16.0) = 34.45 cm2/g48 (2)吸收限 m隨的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對應(yīng)的波長為K吸收限。吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的

13、：當(dāng)X射線的波長等于或小于時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使m突變性增大。吸收限與原子能級的精細結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層，有三個吸收限。49濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K之間，且盡量靠近K 。強烈吸收K ，K吸收很小；(2)濾波片的以將K強度降低一半最佳。 Z靶40時 Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。 Z靶Z試樣+1。50514.3 X射線與物質(zhì)相互作用總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干 的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)525 X射線的探測與防護 （1) X射線的探測；（2）X射線的安全防護。 535.1 X射線的探測熒光屏法； 照相法； 輻射探測器法：X射線光子對氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測量它和強度。按照這種原理制成的探測X射線的儀器電離室和各種計數(shù)器。545.2 X射線的安全防護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。電震的危險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的源泉。在安裝時可以把陰極端裝在儀器臺面之下或箱子里、屏后等方法加以保證。輻射損傷是過量的X射線對人體產(chǎn)生有害影響?？墒咕植拷M織灼