第1章(X射線的性質(zhì))

X射線衍射分析技術(shù)參考書：1)周玉：材料分析方法，機械工業(yè)出版社，2004,20102）周玉：材料分析測試技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，

20013)李樹棠：金屬X射線衍射與電子顯微分析技術(shù)，冶金工業(yè)出版社，1980第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

X射線的發(fā)現(xiàn)和研究歷程1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線;1912年，勞厄發(fā)現(xiàn)X射線衍射－X射線是電磁波;1913年，布拉格提出X射線衍射公式－測量晶體結(jié)構(gòu)，d，，關(guān)系;1913年，莫塞萊確定X射線標(biāo)識譜線－能躍遷;1917年，康普頓發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)－非彈性級散射；1956年，西格班創(chuàng)建X射線光電子能譜學(xué)－成分分析。1.1X射線的性質(zhì)

X射線是一種與可見光完全相同的電磁波，是由高速帶電粒子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子作用而產(chǎn)生的。能量大，波長短，穿透物質(zhì)的能力強。101510-410-610-710-810－11

10－1210－1310－15

波長，mX射線波長：0.01－10nm用于衍射分析的X射線：0.05～0.25nm1、X射線波長

無線電波

紅外線可見光紫外線X射線e射線

宇宙射線Cu靶：1.5406AMo靶：0.7071AX射線的波粒二象性1）波動性：有一定的頻率和波長，并可以傳播現(xiàn)象表現(xiàn)為：干涉效應(yīng)——晶體衍射。2）粒子性：是具有一定能量的粒子流.

現(xiàn)象表現(xiàn)為：光電效應(yīng)和熒光輻射。

對于X射線:頻率：ν、波長：λ

其光子的能量：ε=h.υ=h.c/λ、

動量：

p=h/λh——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34J.s;c——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.1.2X射線的產(chǎn)生1、產(chǎn)生原理：高速運動的電子與物體（靶）碰撞時，突然減速時，就會發(fā)生電磁輻射，此電磁輻射即為x射線。2、X射線產(chǎn)生的基本條件

產(chǎn)生自由電子；使電子作定向的高速運動;

與靶材相互碰撞，突然減速。

3、X射線管的結(jié)構(gòu)陰極：燈絲(鎢絲)，通電加熱后便能釋放出電子。陽極：靶材，通常由純金屬制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使電子突然減速并發(fā)射X射線。高壓：使電子加速；25－50KV真空管：維持管內(nèi)高真空，減少對X射線吸收。管流：30－50mA高壓：25－50KV1.3X射線譜1、X射線譜：

X射線強度隨波長而變化的關(guān)系曲線，它有兩種形式：

1)連續(xù)X射線譜，

2)特征（標(biāo)識）X射線譜

2、連續(xù)X射線譜：

特征：X射線的波長連續(xù)變化（具有連續(xù)波長）。原因：高速電子與陽極靶的原子碰撞時，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子——X射線。到達(dá)靶上的電子要經(jīng)過多次碰撞，逐步把能量釋放到零，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此形成連續(xù)X射線譜。短波限

0特點：（1）強度隨連續(xù)變化，（2）隨電壓增加，X強度增加；向短波方向移動，存在短波限；（3）不同電壓，有不同的短波限

0

UI

0

iI

0

不變ZI

0

不變（I為x射線強度）連續(xù)譜的影響因素：管壓U;管流i;原子序數(shù)Z產(chǎn)生短波限的原因：假設(shè)電子在一次碰撞中將全部能量(h)一次轉(zhuǎn)換為一個光量子（即X射線），這個光量子具有最高能量（光量子能量不可能超過電子的能量）,最高能量

最短波長。連續(xù)譜短波限λ0只與管電壓有關(guān)，與管電流和靶材無關(guān)。

連續(xù)X射線的強度X射線的強度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強度I是由光子能量hυ和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhυ.連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0

處。連續(xù)譜強度為分布曲線下所包絡(luò)的面積：X射線的效率:當(dāng)用鎢陽極(Z=74),管電壓為100kV,α約為1.1~1.4X10-9,此時,η=1%.x射線管的效率特別低。為獲得強的連續(xù)X射線譜,常選用原子序數(shù)較大的元素和較高的電壓值.3、特征（標(biāo)識）X射線譜特征X射線的產(chǎn)生與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。原因：（1）靶材中的電子分布在K，L,M,N,…

各層，各具有特定的能量。（2）若電子將K層能級中的電子擊出，原子將呈K激發(fā)態(tài)。（3）其他高能態(tài)的電子向K層躍遷，放出特定波長的X光子——特征X射線。特征：對一特定靶材，當(dāng)管電壓V增加到某一特定Vk時，在連續(xù)譜上某一特定波長

c處，產(chǎn)生強度很高的的X射線。若電壓繼續(xù)增加，

c

不變，僅強度增加，此

c為該靶材的特征X射線波長。與靶材（Z）相關(guān)，

c

與V,i無關(guān)莫塞萊定律（K和σ是兩個常數(shù)）開始產(chǎn)生特征X射線的臨界電壓Vk——激發(fā)電壓如L層電子躍遷到K層,此時能量降低為:這一能級躍遷，產(chǎn)生一固定波長的X射線對于原子序數(shù)為Z的物質(zhì)而言,各原子能級所具有的能量是固定的,所以,△εkL變?yōu)楣潭ㄖ?λ也隨之固定。這就是特征X射線波長為定值的原因。LK,K

L亞層

K,

K1,K2MK,

K

M亞層

K,

K1，K2

1)需要最低的管電壓Vk（激發(fā)電壓），它由陽極靶的原子序數(shù)Z決定。2)靶不同，特征X射線譜的波長也不同。3)V>V激時,特征X射線譜的波長不變，僅強度增大。特征X射線譜的特點Mo靶X射線管的X射線強度曲線1.4X射線與物質(zhì)相互作用X射線與物質(zhì)相互作用時，就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時，可分為三部分：一部分被散射（相干散射和非相干散射）一部分被吸收（真吸收、光電效應(yīng)、俄歇效應(yīng)）一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播

1、相干散射X射線與物質(zhì)的作用實際是與原子中的電子相互作用，作用的結(jié)果是使電子在其平衡位置發(fā)生受迫振動。每個受迫振動的電子在各方向反射電磁波，若該電磁波與入射X射線頻率、波長相同，這些電磁波之間就可以發(fā)生干涉現(xiàn)象，稱為相干散射。相干散射是晶體衍射的物理基礎(chǔ)2、非相干散射（康普頓散射）X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時，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。此時，