材料分析X射線XRAY

材料分析X射線XRAY第一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六一、X射線的發(fā)現(xiàn)二、X射線的本質(zhì)三、X射線的產(chǎn)生與X射線管四、X射線譜五、X射線與物質(zhì)的相互作用本章內(nèi)容第三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細(xì)心倫琴的注意。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。由于當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱(chēng)之為X射線，也稱(chēng)倫琴射線。第四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細(xì)心倫琴的注意。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。由于當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱(chēng)之為X射線，也稱(chēng)倫琴射線。第五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的發(fā)現(xiàn)

倫琴發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對(duì)X射線的穿透能力是不同的。他用X射線拍了一張其夫人手的照片。很快，X射線發(fā)現(xiàn)僅半年時(shí)間，在當(dāng)時(shí)對(duì)X射線的本質(zhì)還不清楚的情況下，X射線在醫(yī)學(xué)上得到了應(yīng)用，發(fā)展了X射線照像術(shù)。

1896年1月23日倫琴在他的研究所作了第一個(gè)關(guān)于X射線的學(xué)術(shù)報(bào)告。

1895年倫琴初次發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)，拍攝的他夫人手指的X射線照片第六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的發(fā)現(xiàn)

1896年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究結(jié)果寫(xiě)了一篇論文，發(fā)表在英國(guó)的《Nature》雜志上。他的發(fā)現(xiàn)在社會(huì)上引起了轟動(dòng)，也為他贏得了很大的榮譽(yù)。

1901年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因X射線的發(fā)現(xiàn)而獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1901年第一張諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予W.K.倫琴第七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六隨著衍射分析技術(shù)的發(fā)展,有十幾位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

第八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

對(duì)X射線本質(zhì)的爭(zhēng)論，焦點(diǎn)集中在它是

粒子流？電磁波？

認(rèn)為X射線是物質(zhì)粒子流的科學(xué)家中有W.H.布拉格。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

他的兒子W.L.布拉格

則對(duì)X射線的波動(dòng)性進(jìn)行了深入的研究，并給出了著名的布拉格方程。二、X射線的本質(zhì)W.L.布拉格第九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線的本質(zhì)對(duì)X射線波動(dòng)性最完美的研究是德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Laue）。

1912年，勞厄是德國(guó)慕尼黑大學(xué)非正式聘請(qǐng)的教授。一天著名物理學(xué)家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他請(qǐng)教關(guān)于光在晶體中散射的數(shù)學(xué)分析問(wèn)題。討論時(shí)，勞厄若有所思······第十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)光通過(guò)與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻艜r(shí)會(huì)發(fā)生衍射作用。第十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六光的干涉與衍射可見(jiàn)光波的楊氏干涉實(shí)驗(yàn)第十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六當(dāng)光通過(guò)與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻艜r(shí)會(huì)發(fā)生衍射作用。人們推測(cè)晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則排列的，且間距在10-8cm。第十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六如果X射線是一種波，且波長(zhǎng)與晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的間距相當(dāng)。那么，用X射線照射晶體······當(dāng)光通過(guò)與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)墓鈻艜r(shí)會(huì)發(fā)生衍射作用。人們推測(cè)晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則排列的，且間距在10-8cm。X射線衍射？!第十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六在倫琴的兩名研究生弗里德里希（W.Friedrich）和克尼(Knipping)的幫助下，勞厄進(jìn)行了第一次X射線衍射實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。第一次X射線衍射實(shí)驗(yàn)所用的儀器。所用的晶體是硫酸銅。

第十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六勞厄法X射線衍射實(shí)驗(yàn)的基本裝置與所拍的照片

第十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

愛(ài)因斯坦稱(chēng)，勞厄的實(shí)驗(yàn)是“物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)”。它一箭雙雕地解決了X射線的波動(dòng)性和晶體結(jié)構(gòu)的周期性。第十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)后來(lái)的科學(xué)證明，與可見(jiàn)光一樣，X射線的本質(zhì)是一種電磁波。

它具有波粒二象性。即它既具波動(dòng)性，又具有粒子性。

二、X射線的本質(zhì)

在X射線衍射分析中應(yīng)用的主要是它的波動(dòng)性，反映在傳播過(guò)程中發(fā)生干涉、衍射作用。

在與物質(zhì)相互作用，進(jìn)行能量交換時(shí)，則表現(xiàn)出它的粒子性。第十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的波動(dòng)性：

X射線的波動(dòng)性表現(xiàn)在它以一定的波長(zhǎng)和頻率在空間傳播。二、X射線的本質(zhì)第二十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六X射線的波長(zhǎng)范圍：10-0.001nm第二十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的波長(zhǎng)范圍：100-0.01

?

或10-0.001nm

硬X射線：0.05-2.5?

0.5-2.5?主要用于晶體結(jié)構(gòu)分析

0.05-1?主要用于金屬探傷等

軟X射線：10-100?主要用于醫(yī)學(xué)波長(zhǎng)的單位：

nm（納米）法定單位

?

過(guò)去的常用單位

換算關(guān)系：

1nm=10-9m=10?

二、X射線的本質(zhì)第二十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線粒子性：

X射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)的粒子流構(gòu)成的。它具有一定能量和動(dòng)量。

能量ε和動(dòng)量p與X射線光子的頻率v和波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系如下：二、X射線的本質(zhì)h為普朗克常數(shù)，為6.625×10-34J.sc為光速，為2.998×108m/s第二十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六X射線的產(chǎn)生常用的方式：

X射線管和同步輻射X射線源

常用X射線管的結(jié)構(gòu)：第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)三、X射線的產(chǎn)生與X射線管第二十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六三、X射線的產(chǎn)生與X射線管

1常用的靶材：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag2冷卻系統(tǒng)：陽(yáng)極的底座一般用銅制作,使用時(shí)通循環(huán)水進(jìn)行冷卻。3窗口：X射線射出的通道。窗口一般用對(duì)X射線穿透性好的輕金屬鈹密封，以保持X射線管的真空。一般X射線管有四個(gè)窗口，分別從它們中射出一對(duì)線狀和一對(duì)點(diǎn)狀X射線束。4焦點(diǎn)：指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的面積，其形狀取決于陰極燈絲的形狀。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六三、X射線的產(chǎn)生與X射線管

4

焦點(diǎn)：焦點(diǎn)一般為1mm×10mm的長(zhǎng)方形。產(chǎn)生的X射線束以6°度角度向外發(fā)射。X射線射出時(shí)，在不同的方向產(chǎn)生不同形狀的X射線束：

0.1×10mm的線狀X射線束。

1×1mm的點(diǎn)狀X射線束。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六三、X射線的產(chǎn)生與X射線管

5、X射線管的基本電氣電路與X射線產(chǎn)生第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)高壓變壓器燈絲變壓器第二十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(一)連續(xù)X射線（白色X射線）

四、X射線譜

為一波長(zhǎng)連續(xù)的光譜，包括從某一最小值開(kāi)始的一系列連續(xù)波長(zhǎng)的輻射。它與可見(jiàn)光中的白光相似，故出稱(chēng)白色X射線。第二十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

1、特點(diǎn)：1）強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而連續(xù)變化，每條曲線都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最短的波長(zhǎng)（短波限λ0）和一個(gè)強(qiáng)度的最大值。最大值一般在1.5λ0地方。第二十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

2）λ0與管流和靶的材料無(wú)關(guān)，只與管壓有關(guān)，二者之間的關(guān)系：λ0=1.24/V

(nm)隨著管壓的增大，λ0向短波方向移動(dòng)。第三十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

3）連續(xù)X射線的強(qiáng)度不僅與管壓有關(guān)，還與管流和靶材有關(guān)。

I連=αiZVmi

i為電流強(qiáng)度，Z為靶材的原子序數(shù)

mi與α

為常數(shù)分別為2和（1.1-1.4）×10-9第三十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

3）連續(xù)X射線的強(qiáng)度不僅與管壓有關(guān)，還與管流和靶材有關(guān)。

I連=αiZvmimi為2，α

為（1.1-1.4）×10-9

強(qiáng)度隨管流、管壓和靶材的原子序數(shù)的增大而增大。當(dāng)需要連續(xù)X射線時(shí)，采用重元素的靶能得到較強(qiáng)的連續(xù)X射線。

X射線管的效率：η=連續(xù)X射線的總強(qiáng)度/X射線管的功率η=αiZV2/iV=αZV

當(dāng)用鎢靶（Z=74），管壓為100KV。η≈1%?？梢?jiàn)X射線管的效率很低。要提高效率，應(yīng)采用高電壓和重金屬。第三十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(一)連續(xù)X射線四、X射線譜

按量子理論，當(dāng)能量為eV的高速電子撞擊靶中的原子時(shí)，電子失去自己的能量，其中大部分轉(zhuǎn)化為熱能。一部分以光子（X射線）的形式輻射出。每撞擊一次就產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子。由于單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)靶表面的電子數(shù)量很多。若管流為10mA，每秒到達(dá)陽(yáng)極靶的電子可達(dá)6.25×1016個(gè)。大多數(shù)電子還經(jīng)過(guò)多次碰撞。因此，各個(gè)電子的能量各不相同，產(chǎn)生的X射線的波長(zhǎng)也就不同。于是產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的X射線譜。2、連續(xù)X射線產(chǎn)生機(jī)理第三十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(一)連續(xù)X射線四、X射線譜

其中少數(shù)電子在一次碰撞中就將能量全部轉(zhuǎn)化為光子，因此它產(chǎn)生的光子能量最大，波長(zhǎng)最小。其短波限λ0取決于能量最大電子，這與管壓有關(guān)。大多數(shù)的電子經(jīng)過(guò)多次碰撞，能量逐步地釋放，產(chǎn)生的光子能量也相應(yīng)減小，波長(zhǎng)大于λ0。由于X射線的強(qiáng)度取決于光子的數(shù)目。所以連續(xù)X射線譜的最大值不在λ0的位置。2、連續(xù)X射線產(chǎn)生機(jī)理第三十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(二)特征X射線譜（標(biāo)識(shí)X射線）

當(dāng)電壓加到25KV時(shí)，Mo靶的連續(xù)X射線譜上出現(xiàn)了二個(gè)尖銳的峰Kα(0.071nm)和Kβ(0.063nm)。四、X射線譜1、特征X射線及其激發(fā)電壓第三十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

Kα波長(zhǎng)比Kβ長(zhǎng)，Kα與Kβ

強(qiáng)度比約為5：1。放大看，Kα還分為Kα1和Kα2兩條線。Kα1和Kα2強(qiáng)度比約為2：1。第三十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(二)特征X射線譜（標(biāo)識(shí)X射線）

1、特征X射線及其激發(fā)電壓

隨著電壓的增大，其強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，但波長(zhǎng)不變，也就是說(shuō)，這些譜線的波長(zhǎng)與管壓和管流無(wú)關(guān)。它與靶材有關(guān)，對(duì)給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱(chēng)之為特征X射線譜或標(biāo)識(shí)X射線譜。產(chǎn)生特征X射線的最低電壓稱(chēng)激發(fā)電壓。四、X射線譜第三十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六不同靶材料具有不同波長(zhǎng)的特征X射線和激發(fā)電壓1常用陽(yáng)極靶材的特征譜參數(shù)元素原子序數(shù)K系特征譜波長(zhǎng)（nm）激發(fā)電壓(kV)工作電壓(kV)Kα1Kα2KαKβCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.228960.193600.778890.165780.154050.070930.055940.229350.193990.179280.166170.154430.071350.056380.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.175650.162070.150010.139220.063230.049705.897.107.718.298.8620.025.520-2525-303030-3535-4050-5555-60第三十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

莫塞來(lái)1914年總結(jié)了特征X射線與靶材原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：四、X射線譜(二)特征X射線譜

1、特征X射線及其激發(fā)電壓或K為常數(shù)，與原子的主量子數(shù)有關(guān)σ為屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層有關(guān)。

反過(guò)來(lái)，如果能測(cè)到材料中元素發(fā)射的特征X射線的波長(zhǎng)，就能知道產(chǎn)生這些特征X射線元素是什么?這就是X射線熒光光譜和電子探針?lè)治龅睦碚摶A(chǔ)。第三十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

原子內(nèi)部電子的分布

原子內(nèi)部的電子分布在不同的殼層上K、L…

每個(gè)殼層上的電子具有不同的能量εk、εL…四、X射線譜(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理MLK第四十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六特征X射線KLM撞擊與激發(fā)躍遷與發(fā)射第四十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

陰極電子的撞擊與原子內(nèi)層電子的激發(fā)

這就是為什么特征X射線的產(chǎn)生具有一個(gè)臨界的激發(fā)電壓。

陰極電子的能量eV應(yīng)大于原子中的電子與原子核的結(jié)合能或它的逸出功。

eV≥-Ek

或eV≥Wk臨界條件：eVk=Wk

第四十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

電子的躍遷與X射線的發(fā)射(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

高能級(jí)電子填補(bǔ)低能級(jí)空穴。這一過(guò)程稱(chēng)躍遷。躍遷的過(guò)程伴隨著能量的釋放，方式之一是以光子的形式輻射，這就是X射線的發(fā)射。第四十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

輻射光子的能量等于二個(gè)能級(jí)之間的能量差。比如L—K層電子的躍遷：

△εKL=εL-εk=hv=hc/λ△εKL在X射線的范圍內(nèi)，且對(duì)某個(gè)原子來(lái)說(shuō)是固定的。因此，二個(gè)能級(jí)之間電子躍遷產(chǎn)生的X射線波長(zhǎng)是一定的。這就是特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

第四十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六特征X射線KLM撞擊與激發(fā)躍遷與發(fā)射eV≥WkVk=Wk/e△εKL=hc/λλ=hc/△εKL第四十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

光譜學(xué)定義，電子躍遷到K層產(chǎn)生的輻射稱(chēng)為K系輻射，依次還有L系、M系輻射等。并按電子躍遷時(shí)所跨躍的能級(jí)數(shù)目不同，進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)識(shí)?？畿S1個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為α，2個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為β等。

L—K為Kα

M—K為Kβ第四十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)△εKM>△εKL

，所以Kβ的波長(zhǎng)小于Kα。L—K躍遷的幾率比M—K大5倍左右，所以，Kα強(qiáng)度比Kβ大5倍。

同一殼層中電子能量實(shí)際上有微小的差別。于LIII--K的躍遷幾率比LII—K躍遷高1倍。IKα1：IKα2≈2：1(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理第四十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)四、X射線譜

這些輻射中L、M、N系列的輻射強(qiáng)度很弱，波長(zhǎng)長(zhǎng)，容易被吸收。K系特征輻射最強(qiáng)，尤其是Kα，是X射線分析中最常用的X射線。(二)特征X射線譜

2、特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理

由于Kα1和Kα2波長(zhǎng)相差很小。一般將它們視為同一條線Kα。其波長(zhǎng)用二者的加權(quán)平均。

λKα=2/3λKα1+1/3λKα2第四十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六說(shuō)明：1)激發(fā)電壓對(duì)不同的陽(yáng)極靶是不同的，它由陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z所決定。2)陽(yáng)極靶不同產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)不同。3）工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。因?yàn)楫?dāng)工作電壓是激發(fā)電壓的3-5倍時(shí)，I特/I連最大。4）實(shí)驗(yàn)中最常用的特征X射線是Kα。最常用的靶材是Cu和Fe。5）λKα=2/3λKα1+1/3λKα2，有時(shí)需要注意區(qū)分Kα1和Kα2。常用陽(yáng)極靶材的特征譜參數(shù)元素原子序數(shù)K系特征譜波長(zhǎng)（nm）激發(fā)電壓(kV)工作電壓(kV)Kα1Kα2KαKβCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.228960.193600.778890.165780.154050.070930.055940.229350.193990.179280.166170.154430.071350.056380.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.175650.162070.150010.139220.063230.049705.897.107.718.298.8620.025.520-2525-303030-3535-4050-5555-60第四十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，部分X射線將改變它們前進(jìn)的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。X射線的散射包括兩種：

相干散射和非相干散射。五、X射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射1）相干散射（湯姆遜散射）當(dāng)對(duì)X射線與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用時(shí)，無(wú)法使它們脫離所在的能級(jí)，但產(chǎn)生受迫振動(dòng)。每個(gè)受迫振動(dòng)的電子便成為一個(gè)新的電磁波源，向四周輻射與入射X射線的頻率（波長(zhǎng)）相同的電磁波。第五十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射A、與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用。B、散射波隨入射X射線的方向改變了，但頻率（波長(zhǎng)）相同。C、各散射波之間符合振動(dòng)方向相同、頻率相同、位相差恒定的干涉條件，可產(chǎn)生干涉作用。1）相干散射（湯姆遜散射）相干散射是X射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。第五十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射2）非相干散射（康普頓散射）

A、X射線作用于束縛較小的外層電子或自由電子。

當(dāng)X射線與束縛較小的外層電子或自由電子作用時(shí)，X射線光子將一部分能量傳給電子，使之脫離原有的原子而成為反沖電子。同時(shí)光子本身也改變了傳播方向，發(fā)生散射，且能量減小，即散射X射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了。第五十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射2）非相干散射（康普頓散射）B、散射X射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了。散射X射線波長(zhǎng)的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系：△λ=0.0024(1-cos2θ)

C、由于散射X射線的波長(zhǎng)隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)。故這種X射線散射稱(chēng)為非相干散射。非相干散射不能參與晶體對(duì)X射線的衍射，只會(huì)在衍射圖上形成不利的背景。第五十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六我國(guó)著名的物理學(xué)家吳有訓(xùn)與美國(guó)物理學(xué)家康普頓一起在1924年發(fā)現(xiàn)的此效應(yīng)。故亦稱(chēng)康普頓－吳有訓(xùn)效應(yīng)第五十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指X射線能量在經(jīng)過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰康男?yīng)。它主要包括：

光電效應(yīng)（二次特征輻射）和俄歇效應(yīng)等。五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收

1）光電效應(yīng)當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí)，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子的能量就會(huì)被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級(jí)上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。我們稱(chēng)X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征X射線或熒光X射線。第五十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收1）光電效應(yīng)

這種以光子激發(fā)電子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程稱(chēng)為光電效應(yīng)。被擊出的電子稱(chēng)光電子。

產(chǎn)生的二次特征X射線的波長(zhǎng)與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種類(lèi)和結(jié)構(gòu)。第五十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收1）光電效應(yīng)

要使K層電子產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射X射線的能量必須大于等于原子中K層電子的逸出功Wk，

hv≥WkWk=eVk

將入射X射線的波長(zhǎng)與激發(fā)電壓聯(lián)系起來(lái)就有:第五十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六熒光X射線KLMX射線照射與光電子激發(fā)躍遷與發(fā)射第五十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收1）光電效應(yīng)

能引起光電效應(yīng)的入射X射線的最大波長(zhǎng):

(nm)

λk

從激發(fā)光電效應(yīng)的角度說(shuō)，稱(chēng)為激發(fā)限波長(zhǎng)，意義是只有入射的X射線波長(zhǎng)達(dá)到或小于它時(shí)，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征X射線。從X射線被吸收的角度看，稱(chēng)為吸收限波長(zhǎng)。意義是當(dāng)入射的X射線的波長(zhǎng)達(dá)到它時(shí)，入射X射線將被該物質(zhì)強(qiáng)烈吸收，并產(chǎn)生光電效應(yīng)。第五十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收1）光電效應(yīng)

Kα線和Kβ線發(fā)射分別對(duì)應(yīng)于L到K和M到K能級(jí)之間的電子躍遷，而K吸收限的能量相當(dāng)于K層電子的結(jié)合能或逸出功，即K能級(jí)與原子第一個(gè)自由能級(jí)之間的能量差。因此，對(duì)于一個(gè)給定的元素，就有:

λk吸收

〈λkβ發(fā)射〈λkα發(fā)射第六十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收2）俄歇效應(yīng)

當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次X射線，而是被周?chē)硞€(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的。故稱(chēng)俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱(chēng)俄歇電子。二次電子具有特定的能量值?？梢杂脕?lái)表征這些原子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。第六十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六KLMX射線照射與光電子激發(fā)俄歇電子的產(chǎn)生第六十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)

X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，X射線強(qiáng)度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，X射線通過(guò)物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。第六十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)

衰減的程度可以用吸收系數(shù)來(lái)表征：

Ix=I0e-μx

I0和Ix分別是入射和透過(guò)物質(zhì)后X射線的強(qiáng)度

x

為厚度。

μ為物質(zhì)的線吸收系數(shù)，其意義是當(dāng)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在X射線傳播方向上，單位長(zhǎng)度上X射線強(qiáng)度的衰減程度（cm-1）。它與物質(zhì)的種類(lèi)、密度和X射線波長(zhǎng)有關(guān)。μxIxI0第六十四頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)

由于線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度有關(guān)，計(jì)算起來(lái)不方便。因此，實(shí)際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)μm:

μxIxI0

ρ為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線的衰減程度第六十五頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)

如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合物、或溶液，其總體的質(zhì)量吸收系數(shù)為

μm=w1μm1+w2μm2+w3μm3+……+wpμmp

w1,w2,w3

和wp

為該吸收體中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

μm1,μm2,μm3和μmp為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)μxIxI0第六十六頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)

質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無(wú)關(guān)，而與物質(zhì)的原子序數(shù)（即原子的種類(lèi)）和入射X射線的波長(zhǎng)有關(guān)。它們的關(guān)系為

μm≈Kλ3Z3

K為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對(duì)X射線的吸收程度。μxIxI0第六十七頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

1）吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而增大,且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易被物質(zhì)所吸收。μm≈Kλ3Z3

2）在某些波長(zhǎng)的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限的存在。X射線通過(guò)某一物質(zhì)時(shí)隨Z和λ的衰減規(guī)律：第六十八頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六幾種元素K系射線波長(zhǎng)和常用的濾波片及其吸收限陽(yáng)極靶元素原子序數(shù)Kα波長(zhǎng)(nm)Kβ波長(zhǎng)(nm)濾波片材料原子序數(shù)λKCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.175650.162070.150010.139220.063230.04970VMnFeCoNiZrRh232526272840450.226900.186940.174290.160720.148690.068880.05338第六十九頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六

對(duì)一定波長(zhǎng)的X射線在某些原子序數(shù)的位置上也產(chǎn)生跳躍式的突變。μm≈Kλ3Z3第七十頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應(yīng)用

1）濾波片的選用在X射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用的X射線波長(zhǎng)單一，即“單色”X射線。但實(shí)際上，如上所述，K系特征譜線包括兩條譜線。在X射線分析時(shí)，它們之間會(huì)相互干擾。我們可以應(yīng)用某些材料對(duì)X射線吸收的特性，將其中的Kβ線過(guò)濾掉。第七十一頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應(yīng)用

1）濾波片的選用

如上所述，任何材料對(duì)X射線的吸收都有一個(gè)Kα線和Kβ線。如Ni的吸收限為0.14869nm。也就是說(shuō)它對(duì)0.14869nm波長(zhǎng)及稍短波長(zhǎng)的X射線有強(qiáng)烈的吸收。而對(duì)比0.14869稍長(zhǎng)的X射線吸收很小。第七十二頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六Ni的吸收限:0.14869nmCu靶X射線:Kα=0.15418nmKβ=0.13922nm

第七十三頁(yè)，共八十頁(yè)，編輯于2023年，星期六第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)五、X射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應(yīng)用

1）濾波片的選用

X射線分析中，在X射線管與樣品之間放一個(gè)濾波片，以濾掉Kβ線。濾波片的材料依靶的材料而定。

一般采用比靶材的原子序數(shù)小1或2的材料。

當(dāng)