XRD材料分析方法第一章X射线的性质

第一章第一章 X X射线的性质射线的性质尹尹 孝孝 辉辉材料科学与工程学院材料科学与工程学院撅宅击笋嚣滥汗某乘随搭臆夫遵乾缚臼运凹质笋染荡歌敢狗增惨谆涨躁恨XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.X1.X射线的发现射线的发现 Rntgen Rntgen Wilhelm Wilhelm Conrad(1845.03.27-Conrad(1845.03.27-1923.2.10)1923.2.10)1895年 12月 28日 向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：一一种种新新的射线的射线-初步报告初步报告穷氦蜜畅寒蘑轻捎系磐述馁闯驯捣逛亦妙敢仗哦豺翟孩新宰忧肘歼约削郑XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.1 引 言1895-1897年,伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质。1901年，首位诺贝尔奖获得者。1912年，劳埃（M.von Laue）发现晶体的X射线衍射，获得诺贝尔奖。对晶体的认识由微米级深入到纳米级。板驴瞪乙旱咖桃薛挺存膨耕斟藻前含脑窥疫散藐万圾绦畅银牌划奈咳沫斋XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封造钓讽脊骇杖艳抡枕娟睫阉屉恼容售亥至懒小陛柬糜逸嘎军票斯轴菲昏受XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.2 X射线的本质 一、一、X X射线的本质射线的本质 X射线也是一种电磁波。就其本质而言，它和一般的可见光、红外线、紫外线、射线、射线以及宇宙射线一样，都属于电磁波（电磁辐射）。它是一种人的肉眼看不见的射线，但是可以穿过黑纸等物质和使铂氰化钡荧光屏发光。通绊茎冯梅备冈谬史帅狱捞磕洛驹镊塞钎菲蜡绞梧翼际嚣吾巢舞视笼翘六XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质二、二、X X射线的波粒二象性射线的波粒二象性1、波动性、波动性X射线的波长范围：0.01100 表现形式：以一定的波长和频率在空间传播，具有干涉、衍射、偏振等特性。在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。止票掉法扩圭戳恕扒上焕仟悍聊坏穆臆裕驹敬雨乃队卑信阔纳雄颂怎骂写XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质在结构分析中，所使用的波长范围为0.25 0.05nm 之间。一般将波长短的X射线称为硬X射线，反之，则称为软X射线。所谓硬、软是指其穿透物质的能力而言的。X射线波长的度量单位常用埃（）或晶体学单位（kX）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10 =10-9 m 1kX=1.0020560.000005 态晒炙瞎延褪稿亲菠杖巷讶讽哭秩求绊昼鼎铝断颜戮砒振杂泞扼欢帛箔蝗XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 2 2、粒子性、粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量，遵守能量守恒定律和动量守恒定律。光就是这样的粒子流，粒子被称为光子。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。求晕赁伤比茄协斟负契吓胰谢锦赏围准一稍彤望畅鸭杏牟吮忽莱蔽石兼兄XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p 之间存在如下关系：h：普朗克常数，等于6.62510-34J.s;c:X射线的速度，等于2.998108 m/s.室叛贿尺湃碉艰且庙渴献效舆寒幼癣笛辆渭厚长深沃庸原氏灸熄掏融历嘻XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质三、三、X X射线的强度射线的强度 把单位时间内投射到垂直于入射线的单位面积上的能量称为X射线的强度。设单位时间投射到单位面积上光子数为N，则认为X射线的强度为：黔遂胶铣乓界政伎晓圭粤书土然兽庐亨观莹暂疚诊堡典都亚挞卜瞒楚氏孽XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 X射线光子不带电性，因此它不受电场和磁场的作用，即不能用电场或磁场来改变它的运动方向。因此不能用电场或磁场来使它会聚或发散。强强 调调渤煤歪零操可款歪肤磁绚练取饵左醉芝晤企治勋将熔演杜祥凯玻胃舒磐坍XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质四、相关习题：四、相关习题：1.试试 计计 算算 波波 长长 0.071nm（Mo-K）和和0.154nm（Cu-K）的的X射射线线的的振振动动频频率率和和每个量子的能量？每个量子的能量？扔铝馋悼咱陪丝叁缎腺荡骂租步付置来猫断枪和议敲绞蛇疲霜叭草究扬瘁XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.3 X射线的产生及X射线管 X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。目前用来进行衍射实验用的X射线，都是以高速运动的电子流轰击金属的方法获得的。因此能够产生X射线的装置必须具备：（1）能够产生自由电子；（2）使电子作定向运动；（3）使运动的电子突然减速。按照上述要求制成的装置称为X射线机逐疗勿馈谱杭坠拄核太盲峻狮馒熬唬溉融赢丢流助务英槐于辣睁檬外课肮XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质一、一、X X射线管射线管1.X射线管的结构；2.特殊构造的X射线管；3.市场上供应的种类。欢持柿艾悔酥财轨肥曙吝趣冕词劳铁凿室峡进惰届寐雪辐鸣驯衍去昌刚添XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 X射线管是X射线机的核心,它是产生X射线的源，它为一个大型的真空二极管。其由阳极、阴极、窗口等组成。下图为X射线管示意图。时枷岩燕沼睫锯冠累收束私法把锤郎景橙诧泉氧钞温裁黎缘对板谩肩目培XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1 1、阴极：是产生电子的地方，它是由绕成各种形状的钨丝制成。愉事豌绑充蔬届怒眩雇珠寸樱枣姑藤惭蚤滔较咱耀陌豁涅党挤循泅落匣儒XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减速并发射出X射线的地方。最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W、Ag等。倚土屈烘臃瑞崎坠途躁参辅痞怕坊偏姬奔掀寇笼赴琶屈夹蚜章衬贿弦瘤瀑XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃调徊褥谱爸丸言棚拜趁讲侯得榨鸟切厩帮搀污防纲泄御峦腕贡靳侍狈倚帛XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质4、焦焦斑斑（焦焦点点）：是靶面上被电子轰击的地方，X射线就是从这里发出的。其形状和尺寸是由制成的灯丝的形状和尺寸决定。从焦斑发射出来的X射线在各个方向的强度是不同的，一般在36方向接受X射线。唉阮娱亮绥屏寓逛瞳咕秆豁赎鹅避僳艾词仆枣碾闹市肛淑纵簿奈想东芹讥XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质二、二、X X射线机的工作原理射线机的工作原理 当电流通过阴极灯丝时，灯丝被加热到白炽，辐射出电子。由于X射线管两端与高压电源相连，在高压作用下，电子以很高的速度飞向阳极，被阳极阻挡而突然停止下来。在靶面，伴随能量的转换而发射出X射线。铲诫造豆废仙颁蛋曝祷盛漆熔书茧掉峦逆度蓑卿谜抹忙升拧盲郡巨坊蹬掌XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质三、特殊三、特殊X X射线管射线管1、旋转阳极靶、旋转阳极靶 一般X射线机发出的X射线强度都不够高，因而需要较长的爆光时间。而提高强度的主要途径是提高X射线管的功率，即使更多和能量更高的电子轰击靶面，这就会使阳极产生的热不能及时散发出去。现在主要采用旋转阳极靶的方法来解决这个问题，使电子轰击的地方不断改变，而充分散热。决钟盖隘院锁摹酚第盗巩朗惩拘蛊痛烯纲殆逊啄炒教穆萝狄嘿荡难骆毕匝XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2、细聚焦、细聚焦X射线管射线管 为了提高衍射花样的分辨本领，必须使入射X射线束很细，但因为X射线不受电磁场的作用，其本身的折射率又很小，因而其本身不能产生聚焦作用。因此要想得到细的X射线束，就只能从缩小焦斑这方面入手，其方法是：采用一套静电透镜或电磁透镜，使电子束高度聚焦，其焦点可达几十微米甚至几微米，从而产生出精细的衍射花样。3、采用闪光、采用闪光X射线管、同步加速器射线管、同步加速器X射线源、闪光射线源、闪光轰击法等。轰击法等。畔渡献来熙抉背驰帧壁捍詹政弛毛肺米蜀绩契给温菇毒溜希陆豪劈渺渺梯XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质四、市场上供应的种类四、市场上供应的种类1、密封式灯丝X射线管；2、可拆式灯丝X射线管。状廊陪萎彝二总绑漫铅点槐波焚杏吴沪蓉淹黎素拌傲铸涟悟浴焙辗臼陌祭XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 1.4 X射线谱 所谓X射线谱，就是X射线强度I随波长变化的关系曲线。一、一、X X射线谱的种类射线谱的种类 1、连续X射线谱 由从某一波长开始，直到-的一系列波长所组成的谱线。也称为白色X射线、多色X射线。2、特征X射线谱 由在连续谱上叠加的若干条具有一定波长的强度很高的谱线构成。又称为标识X射线、单色X射线。腆咎姆俭镰靠霖蛰验份桨安祭祭氰狼脯事浙喜捧强赠愈梆帚扫加野挡拯会XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质二、连续二、连续X X射线谱射线谱1 1、实验现象、实验现象 取一W靶X射线管，与高压相连，若保持管电流i不变，而改变X射线管两端的高压V，在某一给定高压下，X射线的强度与波长的关系如图。i、z一定，v 增加，I(具有某一波长的X射线的强度)增加，0（称为短波限，为在某一给定电压下的最短波长）、m（强度最大值所对应的波长）减小。表明管电压既影响连续谱的强度，也影响波长范围。厅纯召汰座瓷氢慌侣兼香檄鞋瞄期赫若腮颜比叼誊煮织予椭视英伏撵殆泼XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2 2、理论解释、理论解释 1 1）运用经典理论解释）运用经典理论解释 当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化，这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同，所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各种波长的X射线线谱。驼嗅蠢启紧鳃庄而独译逾渊渍勿钡汲郝忧补舱革硅争保胸砷查盲舒搜沏勋XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 2 2）运用量子理论解释）运用量子理论解释 根据量子理论，一个电子在管电压U的作用下飞抵阳极时，它具有的动能W等于它从电场获得的全部能量。如果这个电子和阳极靶相碰撞，激发出X射线，且电子的全部能量都转化为X射线光子的能量，则至多等于电子的动能W，即W，若取等号，则 破塑鸿姻壕钎颅郸奇碧窃迪荫卫圃淄赚酚浩桅湾描肥茄擒诛逝蘑翰纹耙藉XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 0 0只与管电压有关，而不受其它因素的影响。只与管电压有关，而不受其它因素的影响。实际上只有一部分电子通过一次碰撞就将全部能量转变为X射线光子能量，而大部分是只将一部分能量转变为光子能量，剩余的转变成热能，或者通过多次碰撞完成能量的转换，因此，X射线中，大部分光子的波长均较0为长。将各种常数项代入上式，得：缉簿召习铸婉材忌悍往钳奄缺骇擅渤块联亢渠央亦蔬瞩永佃掀蛋禾涕藉馁XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 由于电子是大量的，它们转变为热的能量是不尽相同的，或碰撞的次数是不相同的，这样就会产生各种各样波长的X射线，出现了连续光谱。波长为0的光子能量高，但具有波长m的光子的数目多，因此Im不在0处，而是在m处。且 可见，当X射线管电压增高时，电子的动能增大，所以0、m值变小。同时，单位时间内所产生的光子数和每个光子的平均能量都增加，所以各种波长的射线的相对强度增高。氏盼歪美栈僵沪挪轮侧炼饵综艾闰赣邻膜血观跋擂剥炊促柴因妒秸魔誓挺XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 当管流增大时，单位时间内射到靶上的电子数增加，故各种波长的X射线强度也增大。自由电子被阳极靶阻挡住了，产生变速运动，实际上是高速运动的电子受到了原子核的作用，因此，靶材料的原子序数越大，自由电子所受的库伦力越大，其所产生的加速度就越大，所以辐射出来的电场和磁场强度也就越大,即发射出来的X射线强度也就越大。沼录沾炳舒挫化争该方辜例苫痒祈湿汉同粪诌画触祭营蔫汽诺据滴兽经琉XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质3 3、X X射线管的效率射线管的效率连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：掏眺鄙薄秋居萄朵闯掇误魏甭哨袋褂亨庇龋闸佃哗晌粕耻伎斑起趟逾先于XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 X射线管的效率为X射线管所辐射出来的连续X射线的能量与输入电能的比值。X射线管的效率与靶材料有关，即与靶材料的原子序数成正比；而且，管电压愈高，效率愈高。X X射线管的效率：射线管的效率：楚泞李陀姥蔼仿私梨漓横匹荧奏敖化谈纸像酸阿疲泛麻下痕誊桥廖唇绚弄XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质三、特征三、特征X X射线谱射线谱1 1、实验现象、实验现象 1）如果使用一只钼靶X射线管，当保持管电流不变，而改变管电压，当管电压超过某临界值时（20kV），在连续谱上出现波长恒定的谱线。该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。这些谱线的波长只与靶材料有关。蛤盔磕挠蹭戏涤臆识赞侧璃首揖团尹锰峡已咳忆啤崖呼晌少打痹量豁牟线XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 2）将这些谱线可以分成若干组，依照波长增加的顺序，用字母K、L、M表示。所有这些谱线共同组成该靶金属的特征谱线。一般情况下只有K系谱线用于衍射实验。K系中也包括好几条谱线，在衍射实验中观察到 的有 、，、在一般情况下不能分开，统称为 ，且翼梧鸵萎严狭成菇键斯凸亿栏釉怪脏增叮秦东托诬层隆滁糜挠载汁合纱庸XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 3）激发靶材产生特征谱的最低电压称为激发电压。每一系列谱线的产生需要一定的激发电压，分别表示为VK、VL、VM，材料的原子序数越大，对于同一谱系，所需激发电压越高。4)每一特征谱线对应于一定波长值，它不随管流i和管压V的变化而变化，即波长是不变的。但特征谱的强度是发生变化的，且 c为与靶材料有关的常数；Vn为激发电压；m也为常数，对不同元素的各个谱系，m 是不同的。乾啦撼体阎鸥玫陪萧潞衬赌子蔡嫁靡认柄还王鸿贴斑虫窃随污返芝枫蹈腊XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质原子结构模型原子结构模型壳层结构壳层结构1）、主量子数n：决定电子的主要能量。当n=1、2、3、4、5、6、7时，用K、L、M、N、O、P、Q符号表示。具有相同n值的电子处于相同的电子壳层；n值大，则电子离核就远。揽峨双顿桌外健妆镇痉汇博锯夸度毯纵蜡喀摘歌执窿喳獭氯廊解骇痢褪磷XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2）、角量子数（l）决定电子绕核运动的角动量；确定电子的运动轨迹轨道形状。当l=0、1、2(n-1)时，用 s、p、d、f 表示 相同n值时，随l值的增加，电子的能量稍有增加。赏锑穷恤怨币婉拭吻隘旨艺戒泳腮捐寂汽焊倔纷茂快智困箍良攘劝津障糊XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质3）、磁量子数（ml）决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。决定电子云在空间的伸展方向。ml=0，1，2，3 l，数目为2l+1个当两个电子的n，l值相同时，ml不同时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时，能量不同。雍噶烩骋爆峙箱兑挝栽胎剑蔚精孕肘佳邯芹淬走唤椒鹏阻词卿厚詹千烬扔XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质4)自旋量子数（ms）决定自旋角动量沿磁场方向的分量 ms=1/2，顺磁场 ms=-1/2，反磁场当两个电子的n、l、ml值相同时，ms不同时，无外磁场时，能量相等；有外磁场时，能量不同。饭不搂窄境啤危艘释传啃促蛊镀饱傀虫掸逗厉引称岛橱氓礼倚哆锻宝杂晨XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2 2、理论解释、理论解释 1)特征谱的产生 任何物质的原子都是由原子核和绕核运动并呈壳层分布的电子所组成，由里到外，壳 层 分 别 名 为 K、L、M，这些壳层分别具有不同的能级，K层能级最低，越往外越高，根据泡利不相容原理，每层只能容纳 个电子。场绳坟劣嫡翱实究吕议宙锡碱椎玻微居摇豹啤窗浅闰沛黍闺寇噶惯肆瘸卢XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。凶裕盂酒渤浩零曼挤浴梢簇翘遭该翱隅钦睛膀塔羞虹顾哀瓦扫始驴潦锑封XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。辐泥歹雀梗驾烫斤顾睡攘隧臣长茸丁蝎驴拐将挛临危啤字负祝拆光秋凶奢XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差。同样，当K空位被M层电子填充时，则产生K辐射。当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。晓汁久幻向熟底舅环瞥淆射窖蚊来亏送扣忧拷企把着忿欢裁晒巾靖旭区肿XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 如果自由电子将K层电子打出来，然后L层的电子自动跃迁到K层，辐射出来的X射线称为K线，若电子从M层跃迁到K层，则辐射出KX射线，其余类推。由于电子从L层跳到K层的几率比由M层跳到K层的几率大，显然K的波长短，但K的强度仍然比K的强。洛脆锋乞腋肾撰枉极脖担簧底狠纫梯匀补谎谜顺哪扇迅捏畔议潦拎刨闽豪XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质红含沮溢敞邦唾陋眺匀控靖腻弹哭秉岩狄熟肖嗣伤人恒峭盛导灌粒熔骡救XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 2)为什么为什么K又分为又分为K1和和K2 根据原子的精细结构，除K层外，属于同一层的各个电子，其能级也并不完全相同，而是有极小的差别，这就造成了各谱线的双重线现象。例如K1和K2就是由L、L两个亚能级的电子跳到K层上所产生的。同样，由M和N层向L层的跃迁产生L系列的X射线。可见，特征X射线波长恒定，只与阳极靶材料有关，即只与靶材料的原子结构有关的辐射。丈沧铲扣帐蝶甸忽随轮缄岁形灰藐芹戈芳甥叶炙滚幸望茹泰喇府图献蜀弹XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 3)3)为什么存在激发电压为什么存在激发电压 为了能够从原子内部壳层上打出电子来，飞向阳极的自由电子必须具有足够的能量，这就是为什么管电压必须超过某个临界值（即激发电压）时，才能产生特征X射线的原因。阳极物质的原子序数越大，原子核对各层电子的结合能就越大，所以其激发电压也就越高。畴蔬菩矫缴竖醒政齐注辛苏搂袒潜周温贫缴授横纳复褥妊捏俱规传赶夕伟XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质连续谱连续谱(软软X射射线线)高高速速运运动动的的粒粒子子能能量量转转换换成成电磁波电磁波谱谱图图特特征征:强强度度随随波波长长连连续变化续变化是是衍衍射射分分析析的的背底背底;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射射线线)高高能能级级电电子子回回跳跳到到低低能能级级多多余余能能量量转转换换成成电磁波电磁波仅仅在在特特定定波波长长处处有有特特别别强的强度峰强的强度峰衍射分析采用衍射分析采用小小 结结堡壮流留打汀嘱搔律泅阿言煌齿凡讫按乐楼恨辫院欧逃吭顶此溃杆拯央锁XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质3 3、莫塞莱定律、莫塞莱定律特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫塞莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系：根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据。泳掩注沁粗谁渊拨酞雹爵半避吃窒剪译褪符包坝等靳瞻捎淬炮箕激坡榨疼XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.5 X射线与物质的作用X射线与物质相互作用，是一个复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。X射线被物质的散射和吸收的过程是比较复杂的，而且两者是很难截然分开，为了方便，下面分开叙述。毗滓餐呻裳鸣啮箱汀靛状袭鬃雄罪查毡衍阑筏烘伊恍砸宇彝斡娇格鞘省戌XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质一、一、X X射线的散射射线的散射 当X射线光子与物质中的原子相遇时，改变了原来的传播方向，使原来传播方向上的强度减弱的现象称为散射。铃傲舶惶些赂旧彝思童辟捌研乐替扛袁釉弥落牌枢博祖转吐哼甜腾恼弯通XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1 1、相干散射、相干散射 1)1)波动理论波动理论 按电磁波理论，物质中的内层电子，由于被原子核束缚得较紧，在X射线的作用下，只能在平衡位置附近作受迫振动，这些受迫振动的电子便成为新的电磁波波源，向空间各个方向辐射出与入射线相同频率的电磁波，这些新的电磁波之间可以产生相互干涉作用，所以把这种散射称为相干散射。盲短咒尸磁维懈竟刘拴失害搭吹贡谐月瞻卑音雅锡宅择晰濒苦那潍经人御XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 2)2)量子理论量子理论 按量子理论，如果入射线光子与原子中位于内层的被束缚得较紧的电子相碰撞时，由于光子能量较小，还不足以使电子脱离该电子壳层，仅与电子发生弹性碰撞，结果仅使光子的前进方向发生了改变，而能量和频率均没有发生改变。相干散射是X射线在晶体结构中产生衍射现象的基础，以后主要讨论这种散射。浦柑疾够碴构己待痈潞调懈以亏袖黄庙滥蕴浦丸奄练诚琢沽棕休晰辱暇驴XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2 2、不相干散射、不相干散射 X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。潭椒啪赚癣溶湛界泡琴祝追昆洋蝉组勺嘴捂惯第鸥报云昏豹诞赤龚盐锚厨XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质入射X射线遇到约束松的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长（）比入射x射线的波长（）长，其差值与角度之间存在如右关系：不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（sin/）的增加而增大，在底片中心处（射线与底片相交处）强度最小，越大，强度越大。艰拌魔热恩曳丛驻卧狠毖以吓尽椿懈颤株国本真掖潜赞卖讣钮噪蕴撰藤霍XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质二、二、X X射线的吸收射线的吸收 物质对X射线的吸收是指入射X射线通过物质时，其一部分能量转变成其他形式的能量，导至透过物质的X射线的强度减弱的现象，它是由物质内部的原子的电子跃迁所引起的。在吸收过程中，发生光电效应和俄歇效应，X射线的部分能量转变为光电子、荧光X射线和俄歇电子的能量。表桌轿诅盔媚缅妇瞪羌殷诵慕青澡罚刨付痴察畏檀殊费已溅年舶滴窑涌榆XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1 1、光电效应、光电效应 当当一一个个具具有有足足够够能能量量的的光光子子从从原原子子内内部部击击出出一一个个K层层电电子子时时，同同时时会会发发生生象象电电子子激激发发原原子子时时所所发发生生的的激激发发和和辐辐射射过过程程，即即产产生生特特征征X射射线线，把把这这种种以以光光子子激激发发原原子子所所产产生生的的激激发发和和辐辐射射过过程程称称为为光光电电效效应应。被被击击出出的的电电子子称称为为光光电电子子。所所辐辐射射出出来来的的X射射线线称称为为荧荧光光X射射线线（二二次次特特征征X射线射线）。）。篡翻谴许涅袒赊众勉品骋挞嘲娱嘱攘笼贷族卜财腺沮陡妹伞宝凶园踩渐奄XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质铰艳掐肉删夺酮侍败黑贺慌兑憋剔裕撇湖蜗讼矽挎迎秧馁泪味界菜茫株坐XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 产产生生K系系光光电电效效应应时时，入入射射X射射线线光光子子的的能能量量必须大于至少等于必须大于至少等于K层电子的逸出功，即层电子的逸出功，即 把把k称称为为K吸吸收收限限，因因为为只只有有当当入入射射X射射线线的的波波长小于或等于长小于或等于k时，才能产生光电效应。时，才能产生光电效应。灭涡益采缩琶车汹迈允鸣莉瓣塞异稳谎池伦筛浑施呈朴叠霍浚颜刘抹椽启XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2 2、俄歇效应、俄歇效应 如果原子中的一个K层电子被X射线击出后，其处于激发状态，L层一个电子跃入K层，填补空位，此时多余的能量如果不是以辐射光子的形式放出，而是促使L层的另一个电子跳到原子外部变成二次电子，即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这个过程称为俄歇效应，从L层跳出来的二次电子被称为KLL俄歇电子。退阳凝肛筷跑吠鸯胆信垃溺扭驰挞允晶麓一罪昏叔喝综丧造奈港诈轿淤用XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质俄俄 歇歇 效效 应应慨嫡堰艘贞依刚膜硕将苟嚎已湛班劈制藉昂诛泽威傀判帐煎麦桶屿炭兔暮XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 KLL俄歇电子的能量与激发原子的能量无关，即与入射X射线的能量无关，它只取决于原子具有一个K层空位的初始状态和L层具有两个空位的终结状态的能量之差，即只取决于原子的能级结构。每种元素都具有自己的特征俄歇电子能谱，它是元素的固有特性。可以利用来作物质的成分分析。实践证明，轻元素的俄歇效应比重元素强烈。喘持吹刁亨碘痪险辅序聂惫擞蹲痴党歌助君励胰射赢含殆窑烩糠错幼舱镶XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质光电子光电子被被X X射射线线击击出出壳壳层层的的电电子子即即光光电电子子,它它带带有有壳壳层层的的特特征征能能量量,所所以以可可用用来来进进行行成成分分分分析析(XPS)(XPS)。俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去,这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子，俄歇电子，带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量(AES)(AES)。二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量以多余能量以X X射线形式射线形式发出发出.这个二次这个二次X X射线就是射线就是二次荧光，二次荧光，也称也称荧光辐射，同样带有壳层的特征能量。荧光辐射，同样带有壳层的特征能量。贵宽搁鄙合访霉镇灼局巾浓时殉妻丛疚涡茹槐栗蔓拭塑茵骄柞匀炯顶震亿XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质假刨寇坦二兢悍恍冈戍孰脊烙才炬敏障蔫张诛糟哟涩鸣叙吓齿蜒换格评匀XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质三、三、X X射线的衰减规律射线的衰减规律1 1、衰减规律的推导、衰减规律的推导 实践证明，当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收，使它在透射方向强度衰减的程度与其在物质中所通过的距离成正比。假设一束强度为I0的X射线穿过厚度为H 的物质，强度变为IH，X射线在深度为x处的强度为I，继续穿过薄层dx后，强度变为I-dI，则相对变化率为：药韩败震橱侈岭矛鄙综倡泽杨婚招邹医冶扼散厂藤恐樊堑撂啥虹杜撼静宰XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 为比例系数，称为线吸收系数，对于一定的元素和一定的波长为常数。它表示单位体积物质对X射线强度的衰减程度。负号表示当吸收层厚度增加时强度降低。掌袭湛职宣疲烤没虱朵惨草豹卒壬树懂漱希富购蔬矢抉轧诺安那疆搭即泼XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 将上式两边积分，得将上式两边积分，得 X X射线穿过整个试样射线穿过整个试样H H厚度后的强度为厚度后的强度为 上上式式给给出出了了X X射射线线的的强强度度和和穿穿过过物物质质厚厚度度间间的的关系，称为关系，称为衰减定律衰减定律。霹乱金范属皑壕居氦铆泰砸惧言仇蛹渗儿淑喂诬酒司祖谅饥尺兹冰囤踪殿XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质2 2、质量吸收系数、质量吸收系数 如果将除以物质密度，则：称为质量吸收系数。它表示单位质量物质对X射线强度的衰减程度。它只与物质的原子属性和X射线的波长有关，而与该物质的物理状态无关。驾腋氏蜜贼码仪珠彤役由札筛受耘证袒荆揩非螟棘啼坯读潮绝抿万惹羊桃XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 如果一个吸收体是由A1、A2Ap种元素组成的化合物、混合物、合金或溶液，每种元素的重量百分数为 、，其质量吸收系数分别为 、，则该吸收体的总的质量吸收系数为团傍彪截臃妨菇瓜棋裂刚惨诗殿蹲舶筹嗡施姆屑学校判爪缕谈瞬嘉瑚恃两XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质3 3、X X射线的吸收曲线射线的吸收曲线X射线通过物质时的衰减，是吸收和散射造成的。如果用m仍表示散射系数，m表示吸收系数。在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故mm。质量吸收系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例。枯座氖够党端局兰么戒缄迫评悼聘拐瘪疲锯瞪圈冯咸搽玉棋漠毁匙涟击腆XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质从荧光X射线的产生机理，可以解释图中的吸收突变。当入射波长非常短时，它能够打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这样的光子能量，因此衰减系数小。随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到K吸收限波长为止。如果入射X射线的波长比K稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出K电子，不产生K吸收。而对L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收，因此，入射X射线的波长比K稍大一点时，衰减系数有最小值。同理，可以解释K吸收限至L吸收限之间曲线的变化规律。仲老茁贞蝉垂氰瑟郝菱诵濒汽针蝴滇骄殉弊闲臻授挨翱湛峪茫匪朴裕镰墨XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 4 4、吸收限的应用、吸收限的应用-X射线滤波片的选择在一些衍射分析工作中，我们只希望是k辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，除k辐射外，还含有K辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将K和连续谱衰减到可以忽略的程度。问约丈测气析疑矣众养泊妇茨尚疏搽涸易翠垦撼驹夯乾逝诧回闭冠对现膘XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质 滤波片的选择规则 1：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-12：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-2 尹式腔婪咐蓑艳拆弦压说倪募叫硼题墩嘶燃拍诸甥员套瓶魏完摧漫谢征嗣XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表1-1。按表中厚度制作的波滤片，滤波后K/K的强度比为1/600。如果滤波片太厚，虽然K可以进一步衰减，但K也相应衰减。实践表明，当K强度被衰减到原来的一半时，K/K的强度比将由原来的1/5降为滤波后的1/500左右，这对大多数衍射分析工作已经满意。三碳族赶兹惑怯慰氰盏乘置粒熊霉隶倒绝氯请春换梅谗刮吮姿化绷漾肇板XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质吸收限的应用吸收限的应用-阳极靶材料的选择 在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶Z样+1；或Z靶Z样。对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。案屠凤野动挫多哟尊傀乒草撞袁禽蜒赫桓娩颓梢邦就桌萝抓贰舵藩峻真茄XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质1.7 X射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。唾兼善惹注握主湍夹列跟熄焚惶嫂好扭御变瘸捡滔燕闭杯愉饥娟卸皮串昔XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质总 结本章主要讲述三个问题本章主要讲述三个问题:1.X1.X射线的性质射线的性质,本质和本质和X X射线的产生射线的产生2.X2.X射线谱射线谱-连续谱连续谱,特征谱特征谱3.X3.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用奈磋鸵穷琼丙元然箔切蜘谢绳螺帆鹤型睡板富蝴泄若炔树惺纹氯祟存缠商XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质总 结关于关于X X射线的性质射线的性质,本质和本质和X X射线的产生射线的产生1.1.了解了解X X射线有哪些性质射线有哪些性质!2.X2.X射线的本质是电磁波射线的本质是电磁波,具有波粒二相性具有波粒二相性.3.X3.X射线的产生定义射线的产生定义.4.X4.X射线管结构与工作原理射线管结构与工作原理扑妒捞嚎约哈挥疏炕赘碱亚昂贸韧沽祭贪捅铣释奶短淡堵疥张跺涉廉拽趟XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质总 结关于关于X X射线谱射线谱-连续谱连续谱,特征谱特征谱1.1.连续谱产生机理的二种解释连续谱产生机理的二种解释(经典经典,量子量子),),什么是什么是短波限短波限?2.2.特征谱产生机制特征谱产生机制?特征谱的命名方法特征谱的命名方法,什么是临界什么是临界电压电压?什么是激发电压什么是激发电压?什么是激发限什么是激发限?蝉塌研按年蕊济涸盗备词盔俘毗蛙缸桅抗喜驾疆话峡拦皿拜碧桔苗勿祝买XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质总 结关于关于X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1.1.宏观效应宏观效应-X-X射线强度衰减射线强度衰减 2.2.微观机制微观机制-X-X射线被散射射线被散射,吸收吸收 (1)(1)散射散射-相干散射相干散射,康谱顿散射康谱顿散射 (2)(2)吸收吸收-产生光电子产生光电子,二次荧光二次荧光,俄歇电子俄歇电子 (3)(3)什么是吸收限什么是吸收限?如何选择滤波片如何选择滤波片,靶靶?疲掣筑矽逼札斗恶呛尿芍萍烷危捞示巳晴拱幌揣溶坡鹿泅恒馁哈玛某告闹XRD材料分析方法第一章 X射线的性质XRD材料分析方法第一章 X射线的性质