x射线物理基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,X,射线衍射分析,1,第一篇：,X,射线衍射分析,（,XRD,）,X,射线物理基础,X,射线晶体学基础,X,衍射理论,X,衍射的应用,2,1.,怎样得到一张好的粉末衍射谱？,2.,从一张图谱中可以挖掘出什么样的信息？,1,衍射峰位置：物相定性,2,衍射峰强度：物相含量,3,衍射峰型以及面积：结晶度,4,峰型拟合：晶粒尺寸及微观应变,5,全谱精修：晶胞参数计算,6,应力分析,7,粉末法未知晶体结构解析,。,3,主要内容：,1.X,射线的本质、产生和性质,2.X,射线谱,-,连续谱,特征谱,3.X,射线与物质的相互作用,第一节,X,射线物理基础,4,伟大的物理学家,X,射线发明者,-,伦琴,1895,年德国物理学家,-,“,伦琴,”,发现,X,射线,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,年伦琴获第一届诺贝尔奖,1.1 X,射线的发现,5,螢光一閃 揭開物理新紀元,照片一張 掀起報界千層浪,數理化通俗演義,.htm,6,与,X,射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,7,粒子流？电磁波,？,1.2,、,X,射线的本质,8,第一节,X,射线物理基础,9,10,在伦琴的两名研究生弗里德里希（,W. Friedrich,）和克尼,(Knipping),的帮助下，劳厄进行了第一次,X,射线衍射实验，并取得了成功。第一次,X,射线衍射实验所用的仪器。所用的晶体是硫酸铜。,劳厄法,X,射线衍射实验的基本装置与所拍的照片,爱因期坦称，劳厄的实验是“ 物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了,X,射线的,波动性和晶体的结构的周期性。,11,X,射线也是,电磁波,的一种，波长在,10,8,cm,左右。,它具有波粒二象性。即 它既具波动性，又具有粒子性。在,X,射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在传播过程中发生,干涉、衍射作用,。在与物质相互作用，进行,能量交换,时，则表现出它的粒子性。,X,射线的波动性：,X,射线作为电磁波的具有电场矢量和磁场矢量。它以一定的波长和频率在空间传播。,12,X,射线的波长范围：,100- 0.01,或,10-0.001nm,硬,X,射线：,0.05-2.5 ,0.5-2.5,主要用于晶体结构分析,0.05-1,主要用于金属探伤等软,X,射线：,10-100,主要用于医学,波长的单位：,nm,（纳米） 法定单位,过去的常用单位,KX,晶体学单位（不常用）换算关系：,1nm = 10,-9,m =10 ,13,高能辐射区,射线 能量最高，来自于核能级跃迁,射线 来自内层电子能级的跃迁,光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁,可见光,红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁,波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁,无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁,波长,长,14,X,射线粒子性,：,X,射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定能量和动量。能量,和动量,p,与,X,射线光子的频率,v,和波长,之间的关系如下：,hv=hc/,p,h/,h,为普朗克常数，为,c,为光速，为,15,1.3 X,射线的产生,1,、 原理,电,磁,学,原理：,当,带电,粒子在,加速或,减,速,过,程中,，,会释,放出,电,磁波，在巨大加速或,减,速,过,程中,，,所,释,放,的电,磁波具有高能量,，,当,其波長在10,-12,10,-8,m,則成,X,光。,16,2,、,X,射线管,17,（,1,） 阴极,发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。,（,2,）阳极,靶，使电子突然减速并发出,X,射线。,（,3,）窗口,X,射线出射通道。既能让,X,射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成,3-6,的斜角，以减少靶面对出射,X,射线的阻碍。,（,4,）高速电子转换成,X,射线的效率只有,1%,，其余,99%,都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此,X,射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。,（,5,）焦点,阳极靶表面被电子轰击的一块面积，,X,射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是,X,射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点,X,射线衍射工作中希望,细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间,18,2,）旋转阳极靶,19,3,、同步幅射,X,射线源,速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。,20,频谱宽且连续可调,亮度高、高准直度,高偏振性、高纯净性,窄脉冲、精确度高,高稳定性、高通量、微束径、准相干,21,1.4 X,射线谱,X,射线谱,连续,X,射线谱,特征,X,射线谱,波长连续变化的,X,射,线组成,一定波长的若干,X,射,线叠加在连续,X,射线,谱上构成,X,射线谱,是指,X,射线强度随波长变化的关系曲线,。,22,连续,X,射线谱,连续,X,射线谱及管电压,(V),对连续谱的影响,(,钨靶,),短波限,0,（,1,）波长连续分布的原因,?,（,2,）短波限的决定因素,（,3,）强度分布规律,讨论：,23,特征,X,射线谱及管电压对特征谱的影响,钼靶,K,系,20kV,25kV,35kV,特征谱线的位置只与靶材的原子序数,Z,有关，而与,V,和,I,无关,K,K,24,特征,X,射线谱,特征,X,射线的产生,较外层电子将向内层跃迁产生辐射即特征,X,射线或产生俄歇电子 。,管电压增至某一临界值,(,称激发电压,),使撞击靶材的电子具有足够能量时，可使靶原子内层产生空位,h,L,K,=,E,L,-,E,K,在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭窄的谱线。,25,X,射线谱系,若,K,层产生空位，其外层电子向,K,层跃迁产生的,X,射线统称为,K,系特征辐射,。,由,L,层或,M,层或更外层电子跃迁产生的,K,系特征辐射分别顺序称为,K,，,K,，,射线。,距,K,层越远的能级，电子向,K,层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故,通常除,K,、,K,外，忽略其它辐射,。,若,L,层产生空位，其外,M,，,N,，,层电子向其跃迁产生的谱线分别顺序称为,L,，,L,，,射线，并统称为,L,系特征辐射,。,M,系等依此类推。,依据特征,X,射线的产生机理：,K,，,L,，,系谱线激发电压,V,K,，,V,L,，,不同，有,V,K,V,L,；,同系各谱线按,，,波长顺序减少，如,K,V,激发,，继续增加,V,，仅使谱线强度增加,),。,与,Z,的关系由莫塞菜,(Mose1ey),定律表述,(2-26),c,与,与线系有关的常数。,特征,X,射线的产生遵从光谱选律,。,莫塞菜,(Moseley),定律,电子探针和,X,荧光光谱元素定性分析的基本公式,27,特征,X,射线的多重线系,K,射线的双重线,K,1,与,K,2,(,钼靶,),K,1,：,L,2,K,K,2,：,L,3,K,28,29,1.5 X,射线与物质的相互作用,X,射线与固体物质的相互作用,医学上透视,X,射线荧光光谱,X,射线光电子能谱,X,射线衍射,X,射线激发俄歇电子能谱,若,X,射线照射,(,气态,),自由原子，原子内层电子吸收辐射向高能级跃迁是,X,射线吸收光谱分析方法的技术基础。,30,1.X,射线与固体物质相互作用,热能,透射,散射,相干散射,非相干散,反冲电子,俄歇电子,光电子,荧光,X,射线,电子,康普顿效应,光电效应,2.,建立的主要材料分析方法,X,射线衍射,XRD,X,射线激发俄歇电子能谱,XAES,X,射线光电子能谱,XPS,X,射线荧光光谱,XRF,或叫荧光,X,射线光谱,FXS,结构分析方法,表面分析方法,化学成分分析方法,31,X,射线的散射,X,射线通过物质时，部分,X,射线将改变它们前进的方向，即发生散射现象。,X,射线的散射包括两种：,1,）相干散射（汤姆逊散射）,A,、与物质原子中束缚较紧的电子作用。,B,、散射波随入射,X,射线的方向改变了，但频率相同。,C,、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。,相干散射是,X,射线在晶体产生衍射的基础,。,2,）非相干散射（康普顿散射）,A,、,X,射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。,B,、散射,X,射线的波长变长了。散射,X,射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：,=0.0024(1-cos2),不能参与晶体对,X,射线的衍射，,只会在衍射图上形成不利的背景,(,噪声,),。,32,光电效应与俄歇效应,当入射,X,射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生,光电效应,。,与此能量阈值相应的波长称为,物质的吸收限,。,以击出原子,K,层电子为例，,X,射线光子能量用于克服原子对,K,层电子的束缚而作功,(,W,K,),，有,K,K,吸收限，使原子,K,层电子击出的阈值波长。,33,34,X,射线的衰减,X,射线的衰减,入射,X,射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象。,线吸收系数,(cm,-1,),X,射线衰减规律：,X,射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,35,表示,X,射线通过单位长度物质时强度的衰减。,亦为,X,射线通过单位体积物质时强度的衰减。,常称,为单位体积物质对,X,射线的吸收。,但此处之,“,吸收,”,包括导致,X,射线衰减的各种作用,(,光电效应、散射和热损失等,),。,设,m,=,/,(,为物质密度,),，,称,m,为质量吸收系数,(cm,2,/g),m,为,X,射线通过单位质量物质时,(,强度,),的衰减，亦称单位质量物质对,X,射线吸收。,36,若物质是由,n,(,n,2),个元素组成的混合物、化合物、合金等，则,元素,j,的质量衰减系数,元素,J,的质量分数,37,1,）吸收系数随波长的增大而增大,且在一定区间内是连续变化的。这是因为,X,射线的波长越长越容易被物质所吸收。,2,）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。,即吸收限（吸收边）或激发限,的存在。,？,38,吸收限的应用,希望所使用的“单色”,X,射线。,如何获取？,1,）滤波片的选用,选择原则：,KK,滤,K,如,Ni,吸收限为,0.14869 nm,。,Cu,靶,X,射线,:K=0.15418nm K=0.13922nm,也就是说它对,0.14869nm,波长及稍短波长的,X,射线有强烈的吸收。而对比,0.14869,稍长的,X,射线吸收很小。,39,X,射线分析中，在,X,射线管与样品之间放一个滤波片，以滤掉,K,线。滤波片的材料依靶的材料而定。一般采用比靶材的原子序数小,1,或,2,的材料。,当,Z,靶,40,时，,Z,滤,=Z,靶,-1,当,Z,靶,40,时，,Z,滤,=Z,靶,-2,几种元素,K,系射线波长和常用的滤波片及其吸收限,40,2,）不同阳极靶的选择,为避免样品强烈吸收入射,X,射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的,X,射线管。原则是：,Z,靶,Z,样品,+1,或,Z,靶,Z,样品,应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大,2,6,（尤其是,2,）的材料作靶材的,X,射线管。例如,:,铁为主的样品，选用,Co,或,Fe,靶,不选用,Ni,或,Cu,靶。实际工作中最常用的是,Cu,及,Fe,和,Co,靶的管。,Cu,靶适用于除,Co,、,Fe,、,Mn,、,Cr,等元素为主的样品。,（以,Cr,为主的样品用什么靶,？,用,Cr,或,Mo,靶。）,（若无,Cr,或,Mo,靶时，在,Cu,、,Co,、,Fe,中选哪个更好些,？,Cu,。）,41,X,射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用，过量照射将对人体产生有害影响，其影响程度取决于波长、强度、照射时间和人体接受部位等。,探测：,荧光屏、照相底片、辐射探测器等。,防护：,铅板、铅玻璃、铅橡皮工作服、铅玻璃眼镜等,。,专业工作人员应经常监测个人所接受的剂量。,严格遵守,射线防护规定,(GJ8-74),使用,X,射线衍射仪要严格遵守操作规程！,1.6 X,射线的探测与防护,42,总结,本章主要讲述三个问题,:,1.X,射线的性质,本质和,X,射线的产生,2.X,射线谱,-,连续谱,特征谱,3.X,射线与物质的相互作用,43,关于,X,射线的性质,本质和,X,射线的产生,1.,了解,X,射线有哪些性质,!,2.X,射线的本质是电磁波,具有波粒二相性,.,3.X,射线的产生定义,:,高速运动的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以,X,射线形式释放,.,4.X,射线管结构与工作原理,44,关于,X,射线谱,-,连续谱,特征谱,1.,连续谱产生机理的,(,经典,量子,),什么是短波限,?,2.,特征谱产生机制,?,特征谱的命名方法,什么是临界电压,?,什么是激发电压,?,什么是激发限,?,45,连续谱,(,软,X,射线,),高速运动的粒子能量转换成电磁波,谱图特征,:,强度随波长连续变化,是衍射分析的背底,;,医学采用,特征谱,(,硬,X,射线,),高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波,仅在特定波长处有特别强的强度峰,衍射分析采用,46,关于,X,射线与物质的相互作用,1.,宏观效应,-X,射线强度衰减,2.,微观机制,-X,射线被散射,吸收,(1),散射,-,相干散射,康谱顿散射,(2),吸收,-,产生光电子,二次荧光,俄歇电子,(3),什么是吸收限,?,如何选择滤波片,靶,?,47,X,射线的衰减,宏观表现,强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关，是,X,射线透射学的基础，这就是质厚衬度,微观机制,散射和吸收消耗了入射线的能量，这与吸波原理是一样,48,散射,散射无能量损失或损失相对较小,相干散射是,X,射线衍射基础,只有相干散射才能产生衍射,.,散射是进行材料晶体结构分析的工具,吸收,吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上进行,从而带有壳层的特征能量,是揭示材料成分的因素,吸收是进行材料成分分析的工具，,可以在分析,成分,的同时告诉我们,元素价态,49,光电子,被,X,射线击出壳层的电子即,光电子,它带有壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析,(XPS),俄歇电子,高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是,俄歇电子,带，有壳层的特征能量,(AES),二次荧光,高能级的电子回跳,多余能量以,X,射线形式发出,.,这个二次,X,射线就是,二次荧光，,也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量,50,