材料科學(xué)xray原理及與物質(zhì)作用課件

緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線.1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì).1901年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng).1912年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線1X射線最早的應(yīng)用在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個(gè)月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封X射線最早的應(yīng)用2X射線的性質(zhì)

人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。X射線對動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。X射線的性質(zhì)人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使3X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長在10－8cm左右X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長4X射線具有波粒二相性X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方（），也是單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。X射線具有波粒二相性X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方（51-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。1-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：6X射線管的結(jié)構(gòu)為：X射線管的結(jié)構(gòu)為：7X射線管（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，以減少靶面對出射X射線的阻礙。X射線管（1）陰極——發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后8X射線管（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，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

X射線管（4）

高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其9旋轉(zhuǎn)陽極

上述常用X射線管的功率為500～3000W。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。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)陽極上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還10旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極11加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線12加速器中可以引出X射線

加速器中可以引出X射線13加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線14加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線15X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。在管壓很低時(shí)，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)16對連續(xù)X射線譜的解釋1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。

對連續(xù)X射線譜的解釋1根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電17對連續(xù)X射線譜的解釋2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”。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。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λ0。都有一個(gè)最短波長，稱之短波限λ0，強(qiáng)度的最大值在λ0的1.5倍處。

eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）對連續(xù)X射線譜的解釋2量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的18X射線管的效率

X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1﹪左右，99％的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

X射線管的效率X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X19X射線譜--------

特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會出現(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，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。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。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

X射線譜--------

特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值20特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理特征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)。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。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，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。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)。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。產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hυK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK

，VK稱之臨界激發(fā)電壓。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有21特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理處于激發(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，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。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Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即

特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾22特征X射線的命名方法同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級與K能級之差大于L能級與K能級之差，即一個(gè)Kβ光子的能量大于一個(gè)Kα光子的能量；但因L→K層躍遷的幾率比M→K遷附幾率大，故Kα輻射強(qiáng)度比Kβ輻射強(qiáng)度大五倍左右。顯然，當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N……層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系的輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。Kα雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。Kα雙線系電子分別由LⅢ和LⅡ兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)Δl＝0），因此沒有輻射。特征X射線的命名方法同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ23小結(jié)連續(xù)譜(軟X射線)高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化是衍射分析的背底;是醫(yī)學(xué)采用的特征譜(硬X射線)高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析采用小結(jié)連續(xù)譜高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強(qiáng)度隨波長24莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)

莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)25X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(gè)比較復(fù)雜的物理過程。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。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(gè)比較復(fù)雜26X射線的散射當(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。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。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)。

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，是因散射線分布于各個(gè)方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。X射線的散射當(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27不相干散射入射X射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（λ‘）比入射x射線的波長（λ）長，其差值與角度α之間存在如右關(guān)系：不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強(qiáng)度隨（sinθ/λ）的增加而增大，在底片中心處（λ射線與底片相交處）強(qiáng)度最小，α越大，強(qiáng)度越大。

不相干散射入射X射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子撞至一方，成為28小結(jié)相干散射因?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,所以相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底小結(jié)相干散射因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng).不相干散射因?yàn)椴幌?9X射線的吸收

物質(zhì)對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。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。X射線通過物質(zhì)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X射線的真吸收過程。X射線的吸收物質(zhì)對X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時(shí)光子的30光電效應(yīng)

---光電子和熒光X射線

光電效應(yīng)---光電子和熒光X射線31光電效應(yīng)1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，即將激發(fā)限波長λK和激發(fā)電壓VK聯(lián)系起，即式中VK以V為單位。（1－4）式和（1－11）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限λ0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。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱λK為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱λK為吸收限。

光電效應(yīng)1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32光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

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).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)2-----俄歇效應(yīng)俄歇（Auger，M.P.）33光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)34光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量,所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)俄歇電子高能級的電子回跳,多余能量將同能級的另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層35小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ),只有相干散射才能產(chǎn)生衍射.散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行,從而帶有殼層的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具可以在分析成分的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)36一束強(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。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x＋dx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。實(shí)驗(yàn)證明，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

X射線的衰減規(guī)律

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37X射線的衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從物體表面（即x＝0）穿透厚度H后的強(qiáng)度IH:

IH＝I0exp(-μH)

式中IH/I0稱穿透系數(shù)，而μ為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)的基本公式。線衰減系數(shù)μ＝－1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對X射線的衰減程度，它與物質(zhì)的密度ρ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：IH＝I0e-(μ/ρ)ρH＝I0e-μmρH

式中μm＝μ/ρ稱質(zhì)量衷減系數(shù)，其單位為cm2

／g。工作中有時(shí)需要計(jì)算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)μm。由于μm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：μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi

X射線的衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從38X射線的吸收曲線X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的。如果用σm仍表示散射系數(shù)，τm表示吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，故μm≈τm。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此X射線的吸收曲線X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的。39X射線的衰減從熒光X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1－11中的吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出K電子，形成K吸收。但因其波長太短，K電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。隨著波長的逐漸增加，K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K吸收限波長為止。如果入射X射線的波長比λK稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射光子的能量已無法打出K電子，不產(chǎn)生K吸收。而對L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X射線的波長比λK稍大一點(diǎn)時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K吸收限至L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。X射線的衰減從熒光X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1－11中的吸40X射線的衰減小結(jié)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)是X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的X射線的衰減小結(jié)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)微41吸收限的應(yīng)用

---X射線濾波片的選擇

在一些衍射分析工作中，我們只希望是kα輻射的衍射線條，但X射線管中發(fā)出的X射線，除kα輻射外，還含有Kβ輻射和連續(xù)譜，它們會使衍射花樣復(fù)雜化。獲得單色光的方法之一是在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將Kβ和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。

吸收限的應(yīng)用---X射線濾波片的選擇在一些衍射分析工作中42濾波片的選擇規(guī)則

1：Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1；2：Z靶＞40時(shí)，Z濾＝Z靶-2濾波片的選擇規(guī)則1：Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1；43濾波片

常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚度制作的波濾片，濾波后Kβ/Kα的強(qiáng)度比為1/600。如果濾波片太厚，雖然Kβ可以進(jìn)一步衰減，但kα也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)Kα強(qiáng)度被衰減到原來的一半時(shí)，Kβ/Kα的強(qiáng)度比將由原來的1/5降為濾波后的1/500左右，這對大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（1-14）計(jì)算濾波片的厚度。

濾波片常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚44吸收限的應(yīng)用

---陽極靶材料的選擇

在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會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X射線的波長，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X射線波長偏離樣品的吸收限。根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是：

Z靶≤Z樣-1；或Z靶>>Z樣。對于多元素的樣品，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。吸收限的應(yīng)用---陽極靶材料的選擇在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分45總結(jié)本章主要講述三個(gè)問題:1.X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生2.X射線譜---連續(xù)譜,特征譜3.X射線與物質(zhì)的相互作用總結(jié)本章主要講述三個(gè)問題:46總結(jié)關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生1.了解X射線有哪些性質(zhì)!2.X射線的本質(zhì)是電磁波,具有波粒二相性.3.X射線的產(chǎn)生定義:高速運(yùn)動(dòng)的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射線形式釋放.4.X射線管結(jié)構(gòu)與工作原理總結(jié)關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生47總結(jié)關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜1.連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理的二種解釋(經(jīng)典,量子),什么是短波限?2.特征譜產(chǎn)生機(jī)制?特征譜的命名方法,什么是臨界電壓?什么是激發(fā)電壓?什么是激發(fā)限?總結(jié)關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜48總結(jié)關(guān)于X射線與物質(zhì)的相互作用1.宏觀效應(yīng)----X射線強(qiáng)度衰減2.微觀機(jī)制----X射線被散射,吸收

(1)散射---相干散射,康譜頓散射

(2)吸收---產(chǎn)生光電子,二次熒光,俄歇電子

(3)什么是吸收限?如何選擇濾波片,靶?總結(jié)關(guān)于X射線與物質(zhì)的相互作用49第三章

X射線衍射分析第三章

X射線衍射分析50第二章

X射線衍射分析主要內(nèi)容X射線的物理基礎(chǔ)X射線衍射原理（布拉格方程）樣品制備及實(shí)驗(yàn)方法X射線衍射方法在材料研究中的應(yīng)用第二章X射線衍射分析主要內(nèi)容X射線的物理基礎(chǔ)513.1X射線的物理基礎(chǔ)一、X射線的歷史1895年，著名的德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；M.K.R?ntgen(1845-1923)

倫琴是德國維爾茨堡大學(xué)校長，第一屆諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。1895年他發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強(qiáng)的一種射線。后來很快在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用，也引起各方面重視。3.1X射線的物理基礎(chǔ)一、X射線的歷史1895年，著名的52倫琴夫人的手X照片戒指倫琴夫人的手533.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。勞厄M.von.Laue德國物理學(xué)家(1879-1960)3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)54

X射線的衍射

X射線的衍射553.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，英國物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測定了NaCI晶體的結(jié)構(gòu)，從此開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。布拉格父子：因他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn)，共同榮獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。W(H(布拉格（WilliamHenryBragg1862～1942）W(L(布拉格（WilliamLawrenceBragg1890～1971）3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，英國物理學(xué)家Bragg父561.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；2.X射線的波長：

10－2~103

?

3.X射線的

（

?）、振動(dòng)頻峰

和傳播速度C（m·s-1）符合

=c/二、X射線的本質(zhì)X射線的物理基礎(chǔ)1.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；二、X射線的本57X射線的物理基礎(chǔ)X射線的物理基礎(chǔ)584.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子

E=hv（3-2）

P=h/

（3-3）

h為普朗克常數(shù)，h=6.62617610-27爾格，是1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)首次引進(jìn)，它是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。X射線的物理基礎(chǔ)4.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子59X射線的物理基礎(chǔ)1）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)；2）X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片

感光。在通過一些物質(zhì)時(shí)，使物質(zhì)原子中的

外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光；3）X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織

在受到X射線的輻射時(shí)，生理上會產(chǎn)生一定

的反應(yīng)。4）X射線可被鉛吸收。特點(diǎn)：X射線的物理基礎(chǔ)1）X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙60X射線的物理基礎(chǔ)三、X射線的產(chǎn)生

高速運(yùn)動(dòng)的電子流

射線X射線中子流高能輻射流在突然被減速時(shí)均能產(chǎn)生X射線X射線的物理基礎(chǔ)三、X射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的61X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管X射線的物理基礎(chǔ)X射線管62X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管圖3-3X射線管示意圖X射線的物理基礎(chǔ)X射線管圖3-3X射線管示意圖63X射線的物理基礎(chǔ)

X射線機(jī)圖3-2X射線機(jī)的主要線路圖X射線的物理基礎(chǔ)X射線機(jī)圖3-2X射線機(jī)的主要線路圖64X射線的物理基礎(chǔ)X射線管電子槍：產(chǎn)生電子并將電子束聚焦，鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子。金屬靶：發(fā)射x射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點(diǎn)較高的金屬材料制成，如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。X射線的物理基礎(chǔ)X射線管65X射線的物理基礎(chǔ)

整個(gè)X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)陰極和陽極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時(shí)，陰極燈絲產(chǎn)生的電子在電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經(jīng)高速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產(chǎn)生X射線，這些X射線通過用金屬鈹（厚度約為0.2mm）做成的x射線管窗口射出，即可提供給實(shí)驗(yàn)所用。

X射線管的工作原理：X射線的物理基礎(chǔ)整個(gè)X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)66X射線的物理基礎(chǔ)

X射線管X射線的物理基礎(chǔ)X射線管67X射線的物理基礎(chǔ)四、X射線譜特征X射線譜：特定波長的X射線。產(chǎn)生：電子進(jìn)入到陽極內(nèi)部，將內(nèi)部電子激發(fā)到高能態(tài)上，高能電子回落到低能位時(shí)放出的X

射線。X射線譜連續(xù)X射線譜：連續(xù)的各種波長的X射線。產(chǎn)生：電子在陽極表面受阻而產(chǎn)生。X射線的物理基礎(chǔ)四、X射線譜特征X射線譜：特定波長的X射線。68X射線的物理基礎(chǔ)1、連續(xù)X射線譜圖各管電壓下W的連續(xù)譜

右圖為不同管電壓下W的連續(xù)X射線譜，其總強(qiáng)度等于曲線下面的積分面積。實(shí)驗(yàn)表明：I連續(xù)＝

KiZVmk＝1.1～１.４x10－9m

＝2i－管電流，V－管電壓，

Z－原子序數(shù)

連續(xù)X射線的總強(qiáng)度正比于管電流、管電壓及陽極材料原子序數(shù)。X射線的物理基礎(chǔ)1、連續(xù)X射線譜圖各管電壓下W的連續(xù)譜69X射線的物理基礎(chǔ)圖

Mo靶的X光譜（35kV時(shí)）2、特征X射線譜（標(biāo)識X射線）

右圖為管電壓35kV時(shí)Mo的特征X射線譜，其波長不連續(xù)，為特定波長。X射線的物理基礎(chǔ)圖Mo靶的X光譜（35kV時(shí)）2、特征70X射線的物理基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)殼層理論

高能電子撞擊陽極靶時(shí)，會將陽極物質(zhì)原子中K層電子撞出電子殼層，在K殼層中形成空位，原子系統(tǒng)能量升高，使體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，按能量最低原理，L、M、N一層中的電子會躍人K層的空位，為保持體系能量平衡，在躍遷的同時(shí)，這些電子會將多余的能量以特定波長的X射線光量子的形式釋放，形成了特征X射線。X射線的物理基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)殼層理論高能電子撞擊陽71X射線的物理基礎(chǔ)

K系標(biāo)識X射線：

對于從L，M，N…殼層中電子躍入K殼層空位時(shí)所釋放的X射線，分別稱之為K

、

K

、

K…譜線，共同構(gòu)成K系標(biāo)識X射線。（L、M系特征X射線波長較長，強(qiáng)度弱，容易被吸收，故很少）（每種元素都有其特定的特征X譜線，因此，可用特征X射線的波長來識別化學(xué)元素，進(jìn)而進(jìn)行成分分析，如：X熒光光譜分析、電子探針分析、電鏡能譜分析等。）X射線的物理基礎(chǔ)K系標(biāo)識X射線：（L、M系特征X射線72X射線的物理基礎(chǔ)

產(chǎn)生物理、化學(xué)和生化作用，引起各種效應(yīng)，如：使一些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵，使新鍵形成，促進(jìn)物質(zhì)的合成；引起生物效應(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化；五、X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的物理基礎(chǔ)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生化作用，引起各種效應(yīng)73X射線的物理基礎(chǔ)圖3－8X射線與物質(zhì)作用示意圖X射線的物理基礎(chǔ)圖3－8X射線與物質(zhì)作用示意圖741、X射線的散射

在X射線光子與物質(zhì)作用時(shí)，由于光子與原子的碰撞使其前進(jìn)方向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生散射現(xiàn)象。散射相干散射：彈性碰撞過程，X射線光子只改變方向，不發(fā)生能量損耗，波長不變。不相干散射：非彈性碰撞過程，X射線光子不僅改變方向，同時(shí)還發(fā)生能量損耗，波長發(fā)生改變。1、X射線的散射在X射線光子與物質(zhì)作用時(shí)，752、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(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(gè)過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。兩種效應(yīng)分別產(chǎn)生光電子和俄歇電子，同時(shí)產(chǎn)生熒光X射線。2、X射線的吸收物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線76緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線.1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì).1901年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng).1912年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)緒.1895年德國物理學(xué)家---“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線77X射線最早的應(yīng)用在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個(gè)月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封X射線最早的應(yīng)用78X射線的性質(zhì)

人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。X射線對動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。X射線的性質(zhì)人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使79X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長在10－8cm左右X射線的本質(zhì)

X射線也是電磁波的一種，波長80X射線具有波粒二相性X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方（），也是單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。X射線具有波粒二相性X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方（811-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。1-3X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線的產(chǎn)生：82X射線管的結(jié)構(gòu)為：X射線管的結(jié)構(gòu)為：83X射線管（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，以減少靶面對出射X射線的阻礙。X射線管（1）陰極——發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后84X射線管（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，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

X射線管（4）

高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其85旋轉(zhuǎn)陽極

上述常用X射線管的功率為500～3000W。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。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)陽極上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還86旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極87加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線88加速器中可以引出X射線

加速器中可以引出X射線89加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線90加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線91X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。在管壓很低時(shí)，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。X射線譜--------

連續(xù)X射線譜X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)92對連續(xù)X射線譜的解釋1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。

對連續(xù)X射線譜的解釋1根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電93對連續(xù)X射線譜的解釋2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”。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。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λ0。都有一個(gè)最短波長，稱之短波限λ0，強(qiáng)度的最大值在λ0的1.5倍處。

eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）對連續(xù)X射線譜的解釋2量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的94X射線管的效率

X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1﹪左右，99％的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

X射線管的效率X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X95X射線譜--------

特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會出現(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，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。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。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

X射線譜--------

特征X射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值96特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理特征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)。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。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，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。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)。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。產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hυK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK

，VK稱之臨界激發(fā)電壓。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有97特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理處于激發(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，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。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Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即

特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾98特征X射線的命名方法同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級與K能級之差大于L能級與K能級之差，即一個(gè)Kβ光子的能量大于一個(gè)Kα光子的能量；但因L→K層躍遷的幾率比M→K遷附幾率大，故Kα輻射強(qiáng)度比Kβ輻射強(qiáng)度大五倍左右。顯然，當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N……層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系的輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。Kα雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。Kα雙線系電子分別由LⅢ和LⅡ兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)Δl＝0），因此沒有輻射。特征X射線的命名方法同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ99小結(jié)連續(xù)譜(軟X射線)高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化是衍射分析的背底;是醫(yī)學(xué)采用的特征譜(硬X射線)高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析采用小結(jié)連續(xù)譜高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強(qiáng)度隨波長100莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)

莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)101X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(gè)比較復(fù)雜的物理過程。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。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(gè)比較復(fù)雜102X射線的散射當(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。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。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)。

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，是因散射線分布于各個(gè)方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。X射線的散射當(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103不相干散射入射X射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（λ‘）比入射x射線的波長（λ）長，其差值與角度α之間存在如右關(guān)系：不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強(qiáng)度隨（sinθ/λ）的增加而增大，在底片中心處（λ射線與底片相交處）強(qiáng)度最小，α越大，強(qiáng)度越大。

不相干散射入射X射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子撞至一方，成為104小結(jié)相干散射因?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,所以相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底小結(jié)相干散射因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng).不相干散射因?yàn)椴幌?05X射線的吸收

物質(zhì)對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。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。X射線通過物質(zhì)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X射線的真吸收過程。X射線的吸收物質(zhì)對X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時(shí)光子的106光電效應(yīng)

---光電子和熒光X射線

光電效應(yīng)---光電子和熒光X射線107光電效應(yīng)1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，即將激發(fā)限波長λK和激發(fā)電壓VK聯(lián)系起，即式中VK以V為單位。（1－4）式和（1－11）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限λ0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。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱λK為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱λK為吸收限。

光電效應(yīng)1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108光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

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).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)2-----俄歇效應(yīng)俄歇（Auger，M.P.）109光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)2-----俄歇效應(yīng)110光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量,所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)俄歇電子高能級的電子回跳,多余能量將同能級的另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量光電效應(yīng)小結(jié)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層111小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ),只有相干散射才能產(chǎn)生衍射.散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行,從而帶有殼層的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具可以在分析成分的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)小結(jié)散射散射無能力損失或損失相對較小吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)112一束強(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。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x＋dx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。實(shí)驗(yàn)證明，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

X射線的衰減規(guī)律

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113X射線的衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從物體表面（即x＝0）穿透厚度H后的強(qiáng)度IH:

IH＝I0exp(-μH)

式中IH/I0稱穿透系數(shù)，而μ為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)的基本公式。線衰減系數(shù)μ＝－1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對X射線的衰減程度，它與物質(zhì)的密度ρ成正比，即與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)。現(xiàn)將（1-13）式改寫成：IH＝I0e-(μ/ρ)ρH＝I0e-μmρH

式中μm＝μ/ρ稱質(zhì)量衷減系數(shù)，其單位為cm2

／g。工作中有時(shí)需要計(jì)算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)μm。由于μm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：μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi

X射線的衰減規(guī)律對（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從114X射線的吸收曲線X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的。如果用σm仍表示散射系數(shù)，τm表示吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，故μm≈τm。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此X射線的吸收曲線X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的。115X射線的衰減從熒光X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1－11中的吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出K電子，形成K吸收。但因其波長太短，K電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。隨著波長的逐漸增加，K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K吸收限波長為止。如果入射X射線的波長比λK稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射光子的能量已無法打出K電子，不產(chǎn)生K吸收。而對L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X射線的波長比λK稍大一點(diǎn)時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K吸收限至L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。X射線的衰減從熒光X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1－11中的吸116X射線的衰減小結(jié)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)是X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的X射線的衰減小結(jié)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)微117吸收限的應(yīng)用

---X射線濾波片的選擇

在一些衍射分析工作中，我們只希望是kα輻射的衍射線條，但X射線管中發(fā)出的X射線，除kα輻射外，還含有Kβ輻射和連續(xù)譜，它們會使衍射花樣復(fù)雜化。獲得單色光的方法之一是在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將Kβ和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。

吸收限的應(yīng)用---X射線濾波片的選擇在一些衍射分析工作中118濾波片的選擇規(guī)則

1：Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1；2：Z靶＞40時(shí)，Z濾＝Z靶-2濾波片的選擇規(guī)則1：Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1；119濾波片

常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚度制作的波濾片，濾波后Kβ/Kα的強(qiáng)度比為1/600。如果濾波片太厚，雖然Kβ可以進(jìn)一步衰減，但kα也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)Kα強(qiáng)度被衰減到原來的一半時(shí)，Kβ/Kα的強(qiáng)度比將由原來的1/5降為濾波后的1/500左右，這對大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（1-14）計(jì)算濾波片的厚度。

濾波片常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚120吸收限的應(yīng)用

---陽極靶材料的選擇

在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會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X射線的波長，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X射線波長偏離樣品的吸收限。根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是：

Z靶≤Z樣-1；或Z靶>>Z樣。對于多元素的樣品，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。吸收限的應(yīng)用---陽極靶材料的選擇在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分121總結(jié)本章主要講述三個(gè)問題:1.X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生2.X射線譜---連續(xù)譜,特征譜3.X射線與物質(zhì)的相互作用總結(jié)本章主要講述三個(gè)問題:122總結(jié)關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生1.了解X射線有哪些性質(zhì)!2.X射線的本質(zhì)是電磁波,具有波粒二相性.3.X射線的產(chǎn)生定義:高速運(yùn)動(dòng)的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射線形式釋放.4.X射線管結(jié)構(gòu)與工作原理總結(jié)關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生123總結(jié)關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜1.連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理的二種解釋(經(jīng)典,量子),什么是短波限?2.特征譜產(chǎn)生機(jī)制?特征譜的命名方法,什么是臨界電壓?什么是激發(fā)電壓?什么是激發(fā)限?總結(jié)關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜124總結(jié)關(guān)于X射線與物質(zhì)的相互作用1.宏觀效應(yīng)----X射線強(qiáng)度衰減2.微觀機(jī)制----X射線被散射,吸收

(1)散射---相干散射,康譜頓散射

(2)吸收---產(chǎn)生光電子,二次熒光,俄歇電子

(3)什么是吸收限?如何選擇濾波片,靶?總結(jié)關(guān)于X射線與物質(zhì)的相互作用125第三章

X射線衍射分析第三章

X射線衍射分析126第二章

X射線衍射分析主要內(nèi)容X射線的物理基礎(chǔ)X射線衍射原理（布拉格方程）樣品制備及實(shí)驗(yàn)方法X射線衍射方法在材料研究中的應(yīng)用第二章X射線衍射分析主要內(nèi)容X射線的物理基礎(chǔ)1273.1X射線的物理基礎(chǔ)一、X射線的歷史1895年，著名的德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線；M.K.R?ntgen(1845-1923)

倫琴是德國維爾茨堡大學(xué)校長，第一屆諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。1895年他發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強(qiáng)的一種射線。后來很快在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用，也引起各方面重視。3.1X射線的物理基礎(chǔ)一、X射線的歷史1895年，著名的128倫琴夫人的手X照片戒指倫琴夫人的手1293.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波。勞厄M.von.Laue德國物理學(xué)家(1879-1960)3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，德國物理學(xué)家勞厄等人發(fā)現(xiàn)130

X射線的衍射

X射線的衍射1313.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，英國物理學(xué)家Bragg父子利用X射線衍射測定了NaCI晶體的結(jié)構(gòu)，從此開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。布拉格父子：因他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn)，共同榮獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。W(H(布拉格（WilliamHenryBragg1862～1942）W(L(布拉格（WilliamLawrenceBragg1890～1971）3.1X射線的物理基礎(chǔ)1912年，英國物理學(xué)家Bragg父1321.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；2.X射線的波長：

10－2~103

?

3.X射線的

（

?）、振動(dòng)頻峰

和傳播速度C（m·s-1）符合

=c/二、X射線的本質(zhì)X射線的物理基礎(chǔ)1.X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；二、X射線的本133X射線的物理基礎(chǔ)X射線的物理基礎(chǔ)1344.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子

E=hv（3-2）

P=h/

（3-3）

h為普朗克常數(shù)，h=6.62617610-27爾格，是1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)首次引進(jìn)，它是微觀現(xiàn)象量子特性的表征。X射線的物理基礎(chǔ)4.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子135X射線的物理基礎(chǔ)1）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)；2）X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片

感光。在通過一些物質(zhì)時(shí)，使物質(zhì)原子中的

外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光；3）X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織