第1章-X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

材料研究與測(cè)試方法管航敏化學(xué)與材料工程工系2023/10/16本課程的作用教學(xué)基本要求考核方式課程主要內(nèi)容緒論2023/10/16一、本課程的作用本課程在材料研究領(lǐng)域中起著不同尋常的作用，它們將材料各專業(yè)的核心問(wèn)題“組成—結(jié)構(gòu)—性能”有機(jī)地聯(lián)系在一起，從而實(shí)現(xiàn)本專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。2023/10/16二、教學(xué)基本要求掌握1.各種測(cè)試技術(shù)的基本原理：X-射線衍射技術(shù)，電子顯微分析技術(shù)，熱分析技術(shù)；2.技術(shù)的應(yīng)用：（1）儀器設(shè)備的基本構(gòu)造與性能；（2）對(duì)電子顯微分析照片、X射線衍射圖譜和熱分析曲線等有分析處理能力；（3）具有進(jìn)行物相初步鑒定的能力（4）各種研究方法與測(cè)試技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。2023/10/16三、考核方式由于本課程是專業(yè)主干課程、學(xué)位課程，所以閉卷且無(wú)復(fù)習(xí)題，亦實(shí)行N+2（一次小論文，一次過(guò)程考核，一次期末考試），但期末閉卷考試必須過(guò)50分才可通過(guò)。請(qǐng)各位注意??！2023/10/16第一篇X射線衍射分析第二篇電子顯微分析第三篇熱分析

四、課程主要內(nèi)容2023/10/16第一篇X射線衍射分析第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

§1-1X射線的產(chǎn)生及性質(zhì)§1-2X射線譜§1-3X射線與物質(zhì)的相互作用2023/10/16§1-1X射線的產(chǎn)生及性質(zhì)

1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（1901年獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線，后人為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者也稱它為“倫琴射線”。X射線技術(shù)目前在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，在材料工業(yè)及材料科學(xué)中X射線物相分析是一種重要分析方法。2023/10/16

1912年，德國(guó)的Laue第一次成功地進(jìn)行X射線通過(guò)晶體發(fā)生衍射的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門新的學(xué)科—X射線衍射晶體學(xué)。（1914年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）；

1913年，英國(guó)Bragg導(dǎo)出X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并測(cè)定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。（1915年獲得諾貝爾獎(jiǎng))2023/10/16

此外，莫賽萊于1914年發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)X射線的波長(zhǎng)與原子序數(shù)的關(guān)系，奠定了X射線光譜學(xué)的基礎(chǔ)。巴克拉（1917年，發(fā)現(xiàn)元素的特征X射線）塞格巴恩（1924年，X射線光譜學(xué)）德拜（1936年）、馬勒（1946年）、柯馬克（1979年）等人由于在X射線及其應(yīng)用方面研究而獲得化學(xué)、生物、物理諾貝爾獎(jiǎng)。豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應(yīng)用X射線分析的以直接法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特別對(duì)研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起了重要推進(jìn)作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

2023/10/161.X射線的本質(zhì)

X射線與無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線γ射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，它的波長(zhǎng)為10-12－10-8m，在電磁波譜中位于紫外線與γ射線之間并與它們部分相重疊。一般波長(zhǎng)短的X射線穿透能力強(qiáng)，稱為硬X射線，反之則稱為軟X射線。用于晶體衍射分析常用的X射線波長(zhǎng)約在2.5?到0.5?之間。2023/10/1610-610-311031061091012X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowavesWavelength(nm)可見(jiàn)光微波無(wú)線電波2023/10/16高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來(lái)自于核能級(jí)躍遷

χ射線來(lái)自內(nèi)層電子能級(jí)的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來(lái)自原子和分子外層電子能級(jí)的躍遷可見(jiàn)光紅外光來(lái)自分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷波譜區(qū)微波來(lái)自分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)及電子自旋能級(jí)躍遷無(wú)線電波來(lái)自原子核自旋能級(jí)的躍遷電磁波譜的本質(zhì)：電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列波長(zhǎng)長(zhǎng)2023/10/162.X射線產(chǎn)生的原理電磁原理：當(dāng)帶電粒子在加速或減速過(guò)程中，會(huì)釋放出電磁波，在巨大加速或減速過(guò)程中，所釋放的電磁波具有高能量，當(dāng)其波長(zhǎng)在10-12－10-8m則成X光。2023/10/16

具體形式：用高速加速的電子束撞擊陽(yáng)極靶時(shí)，高速電子受到靶原子的阻擋，急速停下來(lái)，其部分動(dòng)能則以X光的形式釋放出來(lái)。高速電子撞擊時(shí)減少的能量△E、所轉(zhuǎn)化出來(lái)的X光波長(zhǎng)λ，根據(jù)愛(ài)因斯坦公式△E＝hν＝hc/λ可表示為：λ＝ｈc/△E2023/10/16

量子原理：高速電子在撞擊到原子時(shí)，很容易將能量傳送給原子中的電子，而使原子離子化。當(dāng)原子內(nèi)層軌道的電子被激發(fā)后，其空位很快會(huì)被外層電子的躍入填滿，在此電子躍遷的過(guò)程中，由于不同軌道間的能量差，X光會(huì)隨著放出。此過(guò)程所產(chǎn)生的X光與原子中電子軌道的能量有關(guān)。2023/10/163.X射線的產(chǎn)生X-射線：波長(zhǎng)0.001-10nm的電磁波高速電子撞擊使陽(yáng)極元素的內(nèi)層電子激發(fā)，產(chǎn)生X射線輻射。2023/10/16X光管工作情形2023/10/16封閉式X射線管2023/10/16高功率旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極電子束X射線2023/10/16加速器中可以引出X射線2023/10/16X射線產(chǎn)生必須具備的三個(gè)基本條件：(Ⅰ)產(chǎn)生自由電子;(Ⅱ)使電子作定向高速運(yùn)動(dòng);(Ⅲ)有障礙物使其突然減速;2023/10/164.X射線的性質(zhì)

①是電磁波，具有波粒二象性。

ε=h·ν=h(c/λ)，P=h/λ；能被物質(zhì)吸收，會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象；與可見(jiàn)光比較，差別主要在波長(zhǎng)和頻率。②具有很強(qiáng)的穿透能力，通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收使其強(qiáng)度減弱，能殺傷生物細(xì)胞。③沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場(chǎng)、磁場(chǎng)不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2023/10/16小結(jié)一、X射線的產(chǎn)生:三個(gè)基本條件;經(jīng)典理論和量子理論解釋；二、X射線的性質(zhì):

:10-12-10-8m、波動(dòng)性、穿透能力、沿直線傳播;三、X射線的應(yīng)用:晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定，軟、硬X射線。2023/10/16如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就稱之為相干的(coherent).不相干的光波(noncoherent)相互干擾，導(dǎo)致強(qiáng)度的減弱.在同一方向的射線稱為準(zhǔn)直的（平行的）collimatedbeam.電燈泡的光線是發(fā)散的,射向地球的太陽(yáng)光基本是collimated。如果所有光波的頻率相同（即波長(zhǎng)一致），就之為單色的，反之為多色的。燈泡是多色的，激光是單色的。關(guān)于電磁波的三個(gè)術(shù)語(yǔ)2023/10/16§1-2X射線譜1、連續(xù)X射線譜2、X射線特征光譜2023/10/161．連續(xù)X射線譜（1）定義：是具有連續(xù)變化波長(zhǎng)的X射線，也稱白色X射線。2023/10/16（2）產(chǎn)生機(jī)理：主要有兩種解釋。經(jīng)典物理學(xué)理論認(rèn)為是高速運(yùn)動(dòng)熱電子的動(dòng)能變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽(yáng)極靶上時(shí)，由于到達(dá)靶面上的時(shí)間和被減速的情況各不相同，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)。近代量子理論認(rèn)為是多次碰撞、多次輻射的結(jié)果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出波長(zhǎng)不同。2023/10/16（3）.連續(xù)X射線強(qiáng)度X射線強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于X射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。連續(xù)X射線的總強(qiáng)度：強(qiáng)度是由單個(gè)光子的能量和數(shù)目?jī)蓚€(gè)因素決定的，所以連續(xù)X射線的總強(qiáng)度極大值不在光子能量最大的λ0處，而在1.5λ0

處。2023/10/16有：實(shí)驗(yàn)證明：計(jì)算表明，效率往往只有1%，很低，能量絕大部分生成熱能損失。2023/10/16（4）連續(xù)X射線譜的特征在陽(yáng)極靶所輻射的全部X光子中，光子能量的最大值不能大于電子的能量，具有極大能量的光子波長(zhǎng)，即為短波極限λ0。當(dāng)：E=1/2mν2=eU=hνmax=hc/λ0

有短波極限：λ0=1.24/Uλm位于1.5λ0處。2023/10/162023/10/16I固定，U變化(升高),在連續(xù)X射線譜上可看出：①各種波長(zhǎng)射線的相對(duì)強(qiáng)度都相應(yīng)地增高；②各曲線上都有短波極限，且短波極限值（λ。）逐漸變小；③各曲線的最高強(qiáng)度值(λm)的波長(zhǎng)逐漸變小。2023/10/162023/10/162.特征X射線譜（1）定義（2）產(chǎn)生機(jī)理（3）作用2023/10/16（1）特征X射線譜定義：是具有特定波長(zhǎng)的X射線，也稱單色X射線。2023/10/16（2）X射線特征譜的產(chǎn)生X射線特征譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子或X射線光子）撞擊原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過(guò)一系列的躍遷（L

K，M

L，N

M），直至受激原子回到基態(tài)。2023/10/16特征光譜產(chǎn)生：碰撞→躍遷↑(高)→空穴→躍遷↓(低)2023/10/16特征譜線的頻率：R=1.097×107m-1,Rydberg常數(shù)；σ

核外電子對(duì)核電荷的屏蔽常數(shù)；n

電子殼層數(shù)；c

光速；Z原子序數(shù)，不同元素具有自己的特征譜線—定性基礎(chǔ)2023/10/162023/10/16躍遷定則：(1)主量子數(shù)

n≠0(2)角量子數(shù)

L=±1(3)內(nèi)量子數(shù)

J=±1,0,J為L(zhǎng)與磁量子數(shù)矢量和S

n=1,2,3，可分為線系,線系,線系；

L→K層K

：K1、K2;

M→K層K

：K1、K2；N→K層K

：K

1、K

2

M→L

層L

：L1、L2;N→L層L

：L1、L2

N→M層M

；M1、M22023/10/16（3）特征X射線的強(qiáng)度：(a).經(jīng)驗(yàn)公式:如K系譜線強(qiáng)度(b).特征X射線與連續(xù)X射線的強(qiáng)度比：

U=3~5Uk有最大比值。(c).2023/10/16（4）特征光譜應(yīng)用

不同元素具有自己的特征譜線—定性依據(jù)例如：L→K層；K

線系；n1=2，n2=1；2023/10/16莫塞萊定律：式中：λ是波長(zhǎng)；K、σ：常數(shù)；Z：原子序數(shù)這個(gè)公式表明：只要是同種原子，不論它所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)如何，它發(fā)出的特征X射線均具有相同波長(zhǎng)。譜線強(qiáng)度——定量；2023/10/16特征X射線小結(jié)1）具有特定波長(zhǎng)的X射線，也稱單色X射線；2）機(jī)理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中內(nèi)層電子的結(jié)合能，將內(nèi)層電子激發(fā)掉，外層電子會(huì)躍遷到內(nèi)層空位，因外層電子能量高，多余的能量就會(huì)以X射線的形式輻射出來(lái)，兩個(gè)能級(jí)之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波長(zhǎng)也是固定。2023/10/163）特征譜結(jié)構(gòu)