x射線衍射學(xué),x射線物理學(xué)

1、李先鋒 材料科學(xué)與工程學(xué)院,1,材料近代分析測試方法,聯(lián)系方式：科研大樓B108，email: xianfengli022@gmail.com,X射線衍射1-X射線物理學(xué)(1,2)X射線衍射2-晶體學(xué)基礎(chǔ)(3,4)X射線衍射3-衍射原理(5-6)X射線衍射4-實驗方法及應(yīng)用(7-8)XPS原理及應(yīng)用- (9,10),2,2.1 X射線簡介2.2 X射線及其本質(zhì)；2.3 X射

2、線的產(chǎn)生；2.4 X射線譜；2.5 X射線與物質(zhì)相互作用；2.6 X射線的探測與防護；,3,4,2.1 X射線簡介,1836年，英國科學(xué)家邁克爾.法拉第(Michael Faraday)，陰極射線；1861年，英國科學(xué)家威廉.克魯克斯（William Crookes，1832-1919）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時會產(chǎn)生亮光；膠卷曝光；1890年美國科學(xué)家古德斯柏德，偶然洗出了一張X射線的透視底片；1895年11月8日，克魯

3、克斯管，氰亞鉑酸鋇屏1895年12月28日，論文《一種新射線-初步報告》X射線。為世紀之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)之一 X射線在晶體結(jié)構(gòu)分析，人體疾病透視檢查治療方面有廣泛應(yīng)用，此而獲得1901年諾貝爾物理獎。,5,1901年獲諾貝爾物理獎 (W.C. Roentgen1845-1923),生活：體檢透視、安全檢查。生產(chǎn)：海關(guān)驗貨、工業(yè)探傷等?？蒲校篨RD，XPS，XRF等,6,1895年，德國，倫琴（W.C.Rontgen)，發(fā)現(xiàn)，

4、第一個諾貝爾物理獎；1912年，德國，勞埃(M.von Laue)，第一張X射線衍射花樣，晶體結(jié)構(gòu)，電磁波，原子間距，勞埃方程，1914年諾物獎；1913-1914年，英國，布拉格父子(Henry Bragg, Lawrence Bragg)，布拉格方程，晶體結(jié)構(gòu)分析，1915年諾物獎；1916年，德拜、謝樂，粉末法，多晶體結(jié)構(gòu)分析，1936年諾化獎；1917年，巴克拉（C.G.Barkla),元素特征X射線，1917年諾物獎；

5、1928年，蓋格，彌勒，計數(shù)管，X射線衍射線強度，衍射儀。,7,8,1，晶體結(jié)構(gòu)分析：人類研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法。2，物相定性分析3，物相定量分析4，晶粒大小分析結(jié)晶度分析5， 非晶態(tài)結(jié)構(gòu)分析，6，宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力分析7，擇優(yōu)取向分析,9,10,材料結(jié)構(gòu)分析方法是建立在材料的各種物理化學(xué)效應(yīng)基礎(chǔ)上，包括：（1）物理方法：光束、X射線束，電子束、中子束、其它粒子等（2）化學(xué)方法： 利用X射線束和電子

6、束與材料相互作用產(chǎn)生效應(yīng)來對材料進行分析測試的方法是材料近代分析中最重要的方法 。（1）材料的X射線分析方法（2）材料電子顯微分析方法,材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。 X射線衍射將會有助于你探究為何成份相同的材料，其性能有時會差異極大。 X射線衍射將會有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑。,11,,X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二像性。 (1)波動性? (2)粒子性。,12,X射線

7、的波長范圍：0.01-100 Å （ m）表現(xiàn)形式：用晶體作衍射光柵，觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動性。硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。 軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長的度量單位常用埃（Å），通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為 ： 1 nm=

8、10 Å,13,特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質(zhì)量、能量和動量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關(guān)系： 式中h—普朗克常數(shù)，c—X射線的速度。,14,15,產(chǎn)生原理高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)

9、變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運動?3.在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物，使電子突然減速或停止。,16,X射線管剖面示意圖,封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空二極管?；窘M成包括：(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上

10、發(fā)射出X射線。,17,X射線管的結(jié)構(gòu),由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線:具有連續(xù)波長的X 射線， 構(gòu)成連續(xù)X 射線譜 ， 它和可見光相似，亦稱多色X射線。(2)標(biāo)識X射線。,18,能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內(nèi)到達陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不

11、相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。,19,20,21,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hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv。連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。,22,1，各種波長的X射線的相對強度一致增高，2，最

12、高強度的射線的波長逐漸變短（曲線的峰相左移動），3，短波極限逐漸變小，即λ0 向左移動，4，波譜變寬。,23,因此，管電壓既影響連續(xù)X射線譜的強度，也影響其波長范圍。,是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，稱單色X射線。當(dāng)電壓達到臨界電壓時，標(biāo)識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71A和0.63A.,24,鉬陽極管發(fā)射的X射線譜,

13、波長,標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。,25,26,K 層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K 層空位填充時產(chǎn)生K 系輻射

14、。L 層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα 輻射； M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ 輻射。,27,由能級可知K β 輻射的光子能量大于K α 的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以K α 的強度約為K β 的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk 至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk 。Vk就是激發(fā)電壓。,28,,標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。 即莫塞萊定律。該發(fā)現(xiàn)是原子知識進展

15、的一個里程碑。莫塞萊的主要業(yè)績是：用實驗證明元素的主要特性由其原子序數(shù)決定，而不是由原子量決定，確立了原子序數(shù)與原子核電荷之間的關(guān)系。,29,X射線與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生各種不同和復(fù)雜的過程。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，一部分被吸收，一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。,30,X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：§ 相干散射：物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強迫振動。這樣

16、每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。§ 非相干散射。,31,物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強迫振動。這樣每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。由于散射線與入射線的頻率和波長一致，位相固定，在相同的方向上各個散射波符合干涉條件，因此稱為相干散射。干涉條件：1，頻率相同2，相位差固定3，振動方向一致,32,相干散射并未損失X射線的能量（頻率或者波長沒

17、變），而只是改變了它的傳播方向。因此相干散射又稱為彈性散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。,33,34,討論：1、由一個電子散射到相距R的P點的散射波強度只是入射波的強度的極小一部分。2、散射強度與距離的平方成反比。3、各個方向上散射強度不同。,35,（2）衍射儀法,（1）勞厄方法,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。非相干散射是康

18、普頓（A.H.Compton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。,36,非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。,物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的非熱能的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。§ 光電效應(yīng)

19、；§ 俄歇效應(yīng)；§ 熱能。,37,光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標(biāo)識X射線稱為熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長必須小于吸收限λk(引起原子內(nèi)層電子躍遷的最低能量),38,,原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時，放出能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：熒光X射線；當(dāng)釋放的能量傳遞到另一層的一個電子，產(chǎn)生二次電離，這個

20、電子就可以脫離原子發(fā)射，被稱為俄歇電子（Auger electron ）。,39,40,俄歇電子的能量與激發(fā)源（光子或電子）的能量無關(guān)，只取決于物質(zhì)原子的能級結(jié)構(gòu)，每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。,當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。,41,I0 入射X射線強度，Ix 為穿透厚度為x的物質(zhì)后的X射線強度，μl 為線衰減系數(shù)，

21、衰減與散射的關(guān)系很小，因此， μl 也稱線吸收系數(shù)。,μm為質(zhì)量吸收系數(shù),42,X射線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999-0.999999 。,43,因此，一般衍射實驗中可以不考慮X射線折射的影響。,44,§ X射線設(shè)備的操作人員可能遭受電震和輻射損傷兩種危險。§ 電震的危險在高壓儀器的周圍是經(jīng)常地存在的，X射線的陰極端為危險的源泉。在安裝時可以把陰極端裝在儀器臺面之下或箱子

22、里、屏后等方法加以保證。§ 輻射損傷是過量的X射線對人體產(chǎn)生有害影響?？墒咕植拷M織灼傷，可使人的精神衰頹、頭暈、毛發(fā)脫落、血液的組成和性能改變以及影響生育等。安全措施有：嚴格遵守安全條例、配帶筆狀劑量儀、避免身體直接暴露在X射線下、定期進行身體檢查和驗血。,45,1.試計算波長0.71Å（MoKα）和1.54 Å（CuKα）的X射線束，其頻率和每個量子的能量？2.連續(xù)和標(biāo)識X射線產(chǎn)生機理？3.X射線本