1、第一章第一章 X X射線衍射分析射線衍射分析l第一節(jié)第一節(jié) X X射線的產(chǎn)生及其物理作用射線的產(chǎn)生及其物理作用l第二節(jié)第二節(jié) X X射線衍射原理射線衍射原理l第三節(jié)第三節(jié) X X射線衍射強度射線衍射強度l第四節(jié)第四節(jié) X X射線衍射方法射線衍射方法l第五節(jié)第五節(jié) X X射線衍射分析的應用射線衍射分析的應用第一節(jié)第一節(jié) X X射線的產(chǎn)生及其物理作用射線的產(chǎn)生及其物理作用 一、電磁輻射基礎一、電磁輻射基礎 二、二、X X射線譜射線譜 三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 四、四、X X射線的探測與防護射線的探測與防護一、電磁輻射基礎u電磁輻射是指在空間傳播的交變電磁場，也稱電磁波

2、，電磁輻射是指在空間傳播的交變電磁場，也稱電磁波，在空間的傳播遵循在空間的傳播遵循波動方程波動方程。u電磁輻射表現(xiàn)為電磁輻射表現(xiàn)為波動性波動性和和微粒性微粒性兩個相矛盾的特性。兩個相矛盾的特性。（一）電磁波譜與原子、分子、固體能級（一）電磁波譜與原子、分子、固體能級波動性和微粒性的統(tǒng)一：波動性和微粒性的統(tǒng)一：lE=hvE=hvlP=h/ P=h/ 注：注：左邊表示左邊表示電磁輻射的微粒性，電磁輻射的微粒性，右邊表示右邊表示其波動性。其波動性。電磁輻射電磁輻射微粒性的表現(xiàn)微粒性的表現(xiàn)： 光電效應等；光電效應等；電磁輻射電磁輻射波動性的表現(xiàn)波動性的表現(xiàn)：反射、折射、干涉、衍射、偏振等；反射、折射、

3、干涉、衍射、偏振等；5l按一定波長范圍將電磁波分為若干波譜區(qū)，按一定波長范圍將電磁波分為若干波譜區(qū)，各個譜區(qū)的電各個譜區(qū)的電磁波具有其不同的特性和作用，產(chǎn)生的方式也不盡相同。磁波具有其不同的特性和作用，產(chǎn)生的方式也不盡相同。6長波部分長波部分（低能部分），包括射頻波（無線電波）與（低能部分），包括射頻波（無線電波）與微波，有時習慣上稱此部分為微波，有時習慣上稱此部分為波譜波譜。中間部分中間部分，包括紫外線、可見光和紅外線，統(tǒng)稱為光，包括紫外線、可見光和紅外線，統(tǒng)稱為光學光譜，一般所謂學光譜，一般所謂光譜光譜僅指此部分而言。僅指此部分而言。短波部分短波部分（高能部分），包括（高能部分），包括X

4、X射線和射線和 射線（以及宇射線（以及宇宙射線），此部分可稱宙射線），此部分可稱射線譜射線譜，是能量高的譜域。，是能量高的譜域。l電磁波譜的分區(qū)電磁波譜的分區(qū)73 3、原子結構與電子量子數(shù)、原子結構與電子量子數(shù) (Atom)(Atom) 原子核原子核+ +核外電子核外電子 質(zhì)量質(zhì)量 約約 1/1836 1/1836 質(zhì)子或中子質(zhì)子或中子 ，負電荷；，負電荷； 繞核運動，速度繞核運動，速度1/101/10 1/1001/100光速；光速； 波波- -粒粒 軌道非固定，幾率最大的軌道非固定，幾率最大的 分布構成分布構成電子云層電子云層， 認為核外電子在各自的軌認為核外電子在各自的軌 道道( (稱原

5、子軌道稱原子軌道) )上運動上運動, ,并并 用用“電子電子( (殼殼) )層層”形象化描形象化描 述電子的分布狀況述電子的分布狀況 8A A每一運動狀態(tài)具有確定的能量，每一運動狀態(tài)具有確定的能量，不同狀態(tài)能量數(shù)值不同狀態(tài)能量數(shù)值不同，變化呈不連續(xù)（量子化）。不同，變化呈不連續(xù)（量子化）。把不同的能量數(shù)值（按一定比例）用把不同的能量數(shù)值（按一定比例）用一定高度的水平線代表，并將其按大小順序排列（由一定高度的水平線代表，并將其按大小順序排列（由下至上能量增大）而構成的梯級圖形稱為。一般最底下至上能量增大）而構成的梯級圖形稱為。一般最底層值為層值為0 0。10B B、為、為表征核外電子的運動（能量

6、）狀態(tài)，提表征核外電子的運動（能量）狀態(tài)，提出五個參量：出五個參量：及及，5 5量子數(shù)也相應表征了電子的量子數(shù)也相應表征了電子的能量狀態(tài)能量狀態(tài)( (能級能級) )。 11u當當不考慮不考慮原子中電子的相互作用，原子的整體運動狀態(tài)（能態(tài)）原子中電子的相互作用，原子的整體運動狀態(tài)（能態(tài)）可用核外電子各運動狀態(tài)（能態(tài)）疊加表示?？捎煤送怆娮痈鬟\動狀態(tài)（能態(tài)）疊加表示。u多電子原子中多電子原子中，存在著電子與電子相互作用等復雜情況，就不，存在著電子與電子相互作用等復雜情況，就不能簡單的用能簡單的用5 5個量子數(shù)來表征原子的整體運動狀態(tài)，需通過對各個量子數(shù)來表征原子的整體運動狀態(tài)，需通過對各角動量進行

7、加和組合的過程（稱為偶合）角動量進行加和組合的過程（稱為偶合）獲得表征原子整體運動獲得表征原子整體運動狀態(tài)與能態(tài)的原子量子數(shù)。狀態(tài)與能態(tài)的原子量子數(shù)。 12原子基態(tài)、激發(fā)、電離及能級躍遷原子基態(tài)、激發(fā)、電離及能級躍遷 p通常，原子核外電子遵從通常，原子核外電子遵從能量最低原理能量最低原理、包利（包利（PauliPauli）不相容原理不相容原理和和洪特（洪特（HundHund）規(guī)則）規(guī)則，分布于各個能級上，此，分布于各個能級上，此時原子處于能量最低狀態(tài)，稱之為時原子處于能量最低狀態(tài)，稱之為基態(tài)基態(tài)。p包利（包利（PauliPauli）不相容原理）不相容原理: :一個原子軌道（每一運動狀態(tài)）最一個

8、原子軌道（每一運動狀態(tài)）最多只能容納多只能容納2 2個電子，且自旋相反個電子，且自旋相反 p能量最低原理：能量最低原理： 在不違背包利原理條件下，電子優(yōu)先占據(jù)能級在不違背包利原理條件下，電子優(yōu)先占據(jù)能級較低的原子軌道，使整個體系能量處于最低；較低的原子軌道，使整個體系能量處于最低；p洪特規(guī)則：洪特規(guī)則：在能量高低相等的軌道上，電子盡可能分占不同軌在能量高低相等的軌道上，電子盡可能分占不同軌道，且電子自旋平行。道，且電子自旋平行。 13p原子中的一個或幾個電子由基態(tài)所處能級躍遷到高能級上，原子中的一個或幾個電子由基態(tài)所處能級躍遷到高能級上，這時的原子狀態(tài)稱這時的原子狀態(tài)稱激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)，是高能態(tài)；

9、而原子由基態(tài)轉變?yōu)?，是高能態(tài)；而原子由基態(tài)轉變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過程稱為激發(fā)。激發(fā)態(tài)的過程稱為激發(fā)。p顯然，激發(fā)需要能量，此能量稱為顯然，激發(fā)需要能量，此能量稱為激發(fā)能激發(fā)能，常以電子伏特（，常以電子伏特（eVeV）表示，稱為表示，稱為激發(fā)電位激發(fā)電位。p激發(fā)能激發(fā)能的大小應等于電子被激發(fā)后所處（高）能級與激發(fā)前所處的大小應等于電子被激發(fā)后所處（高）能級與激發(fā)前所處能級（能量）之差。能級（能量）之差。p原子激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定態(tài)原子激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定態(tài)，大約只能存在，大約只能存在1010-8-8s s1010-10-10s s，電子將隨即，電子將隨即返回基態(tài)。返回基態(tài)。14p原子中電子受激向高能級躍遷或由高能級

10、向低能級躍遷均原子中電子受激向高能級躍遷或由高能級向低能級躍遷均稱為稱為電子躍遷或能級躍遷電子躍遷或能級躍遷。p電子由高能級向低能級的躍遷可分為兩種方式：電子由高能級向低能級的躍遷可分為兩種方式：輻射躍遷輻射躍遷和和無輻射躍遷無輻射躍遷p躍遷過程中多余的能量即躍遷前后能量差躍遷過程中多余的能量即躍遷前后能量差以電磁輻射的方以電磁輻射的方式放出式放出，稱之為輻射躍遷；，稱之為輻射躍遷；p若多余的能量轉化為若多余的能量轉化為熱能等形式熱能等形式，則稱之為無輻射躍遷。，則稱之為無輻射躍遷。能級躍遷：能級躍遷：15p電離：電離：原子中的電子獲得足夠的能量就會脫離原子核的束原子中的電子獲得足夠的能量就會

11、脫離原子核的束縛，產(chǎn)生電離?？`，產(chǎn)生電離。p使原子電離所需的能量稱之為使原子電離所需的能量稱之為電離能電離能，常以電子伏特表示，稱為，常以電子伏特表示，稱為電電離電位離電位。p原子失去一個電子，稱為原子失去一個電子，稱為一次電離一次電離。p再次電離使原子再失去一個電子，稱為再次電離使原子再失去一個電子，稱為二次電離二次電離。p三次電離等依次類推。三次電離等依次類推。 16分子總能量與能級結構分子總能量與能級結構 p分子的運動及相應能態(tài)遠比原子來得復雜。分子的運動及相應能態(tài)遠比原子來得復雜。p一般可近似認為，一般可近似認為，分子總能量分子總能量（E E）由分子中各原子核外）由分子中各原子核外電子

12、軌道運動能量（電子軌道運動能量（E Ee e），原子（或原子團）相對振動能量），原子（或原子團）相對振動能量（E Ev v）及整個分子繞其質(zhì)心轉動的能量（）及整個分子繞其質(zhì)心轉動的能量（E Er r）組成，即）組成，即 E E= = E Ee e+ +E Ev v+ +E Er r （1-101-10） p由于由于E Ee e（簡稱（簡稱電子運動能電子運動能）、）、E Ev v（簡稱（簡稱分子振動能分子振動能）及）及E Er r（簡稱（簡稱分子轉動能分子轉動能）均是量子化的，故分子能級由電子）均是量子化的，故分子能級由電子（運動）能級、振動能級和轉動能級構成，如圖（運動）能級、振動能級和轉動能

13、級構成，如圖1-31-3所示。所示。 17圖圖1-3 1-3 （雙原子）分子能級（結構）示意圖（雙原子）分子能級（結構）示意圖A A、B B- -電子能級；電子能級；V V 、V V - -振動能級；振動能級；J J 、J J - -轉動能級轉動能級18能帶的形成能帶的形成 p原子中核外電子在原子軌道上運動并處于不同的分立能原子中核外電子在原子軌道上運動并處于不同的分立能級上。當級上。當N N個原子相接近形成晶體時將發(fā)生原子軌道的交疊個原子相接近形成晶體時將發(fā)生原子軌道的交疊并產(chǎn)生并產(chǎn)生能級分裂現(xiàn)象能級分裂現(xiàn)象。p量子理論證明，量子理論證明，N N個原子中原先能量值相同的能級（如各個原子中原先

14、能量值相同的能級（如各原子的原子的2 2s s能級）將分裂成能級）將分裂成N N個能量各不相同的能級個能量各不相同的能級；但分裂；但分裂的各能級能量差值不大。的各能級能量差值不大。p由于固體中原子數(shù)由于固體中原子數(shù)N N很大（很大（1mm1mm3 3晶體，晶體，N N=10=10191910102121），因），因而而N N個分裂的能級差值極小，以致于可以視為連續(xù)分布，即個分裂的能級差值極小，以致于可以視為連續(xù)分布，即形成有一定寬度的能帶。能帶的形成如圖形成有一定寬度的能帶。能帶的形成如圖1-61-6所示。所示。p一般晶體的一般晶體的能帶寬度（能帶寬度（ E Eg g）約為幾個）約為幾個eVe

15、V（最多不過幾十（最多不過幾十個個eVeV）。）。 19圖圖1-6能帶的形成（示意圖）能帶的形成（示意圖） (electron energy band)(electron energy band)：許多原子聚集，由許多分：許多原子聚集，由許多分子軌道組成的近乎連續(xù)的子軌道組成的近乎連續(xù)的能級帶能級帶；能帶中最高能級與最低能；能帶中最高能級與最低能級的能量差稱為級的能量差稱為與原子數(shù)目無關，與原子數(shù)目無關，僅取決于原子間距僅取決于原子間距，間距小，帶寬大。間距小，帶寬大。 。21輻射與物質(zhì)的相互作用輻射與物質(zhì)的相互作用 p1.1.輻射的吸收與吸收光譜輻射的吸收與吸收光譜 p2.2.輻射的發(fā)射與發(fā)

16、射光譜輻射的發(fā)射與發(fā)射光譜 p3.3.光電效應與俄歇效應光電效應與俄歇效應p4.4.輻射的散射輻射的散射 p5.5.光電離光電離 22輻射的吸收與吸收光譜輻射的吸收與吸收光譜 p輻射的吸收：輻射的吸收：是指輻射通過物質(zhì)時，其中某些頻率的輻是指輻射通過物質(zhì)時，其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子（原子、離子或分子等）選擇性地吸射被組成物質(zhì)的粒子（原子、離子或分子等）選擇性地吸收，從而使輻射強度減弱的現(xiàn)象。收，從而使輻射強度減弱的現(xiàn)象。p輻射吸收的實質(zhì)：輻射吸收的實質(zhì)：在于輻射使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級在于輻射使物質(zhì)粒子發(fā)生由低能級( (一一般為基態(tài)般為基態(tài)) )向高能級向高能級( (激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)) )

17、的能級躍遷。的能級躍遷。p被選擇性吸收的輻射光子能量應為躍遷后與躍遷前兩個被選擇性吸收的輻射光子能量應為躍遷后與躍遷前兩個能級間的能量差，即能級間的能量差，即 式中：式中：E E2 2與與E E1 1高能級與低能級能量。高能級與低能級能量。p輻射輻射( (能量能量) )被吸收的程度被吸收的程度( (一般用一般用吸光度吸光度) )與與 或或 的關系的關系( (曲線曲線) )，即，即輻射被吸收程度對輻射被吸收程度對 或或 的分布稱為吸收光譜的分布稱為吸收光譜。23p輻射的發(fā)射：輻射的發(fā)射：是指物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象。是指物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象。p輻射發(fā)射的實質(zhì)：在于輻射躍遷輻射

18、發(fā)射的實質(zhì)：在于輻射躍遷，即當物質(zhì)的粒子吸收，即當物質(zhì)的粒子吸收能量被激發(fā)至高能態(tài)能量被激發(fā)至高能態(tài)( (E E2 2) )后，瞬間返回基態(tài)或低能態(tài)后，瞬間返回基態(tài)或低能態(tài)( (E E1 1) )，多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來。多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來。p發(fā)射的電磁輻射頻率取決于輻射前后兩個能級的能量發(fā)射的電磁輻射頻率取決于輻射前后兩個能級的能量( (E E2 2與與E E1 1) )之差之差，即，即p輻射的發(fā)射，前提是使物質(zhì)吸收能量即激發(fā)。輻射的發(fā)射，前提是使物質(zhì)吸收能量即激發(fā)。p物質(zhì)激發(fā)的方式分為兩類：物質(zhì)激發(fā)的方式分為兩類：非電磁輻射激發(fā)非電磁輻射激發(fā)( (非光激發(fā)非光激

19、發(fā)) )和電磁輻射激發(fā)和電磁輻射激發(fā)( (光激發(fā)光激發(fā)) )。輻射的發(fā)射與發(fā)射光譜輻射的發(fā)射與發(fā)射光譜 24p非電磁輻射激發(fā)非電磁輻射激發(fā)又有又有熱激發(fā)熱激發(fā)與與電激發(fā)電激發(fā)等多種方式。等多種方式。p電弧、火花等放電光源和火焰等通過熱運動的粒子碰撞而電弧、火花等放電光源和火焰等通過熱運動的粒子碰撞而使物質(zhì)激發(fā)稱為使物質(zhì)激發(fā)稱為熱激發(fā)熱激發(fā)，而通過被電場加速的電子轟擊使物，而通過被電場加速的電子轟擊使物質(zhì)激發(fā)則稱為質(zhì)激發(fā)則稱為電電( (子子) )激發(fā)激發(fā)。p電磁輻射激發(fā)又稱為電磁輻射激發(fā)又稱為光致發(fā)光光致發(fā)光，作為激發(fā)源的輻射光子稱，作為激發(fā)源的輻射光子稱一次光子一次光子，而物質(zhì)微粒受激后輻射躍

20、遷發(fā)射的光子，而物質(zhì)微粒受激后輻射躍遷發(fā)射的光子( (二次光二次光子子) )稱為稱為熒光或磷光熒光或磷光。p吸收一次光子與發(fā)射二次光子之間延誤時間很短吸收一次光子與發(fā)射二次光子之間延誤時間很短(10(10-8-81010- -4 4s)s)則稱為則稱為熒光熒光；延誤時間較長；延誤時間較長(10(10-4-410s)10s)則稱為則稱為磷光磷光。25p物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度( (能量能量) )對對 或或 的分布稱為發(fā)的分布稱為發(fā)射光譜。射光譜。p光致發(fā)光者，則稱為熒光或磷光光譜。光致發(fā)光者，則稱為熒光或磷光光譜。p不同物質(zhì)粒子，因能級結構、能量大小不同，故它們不同物質(zhì)粒子，

21、因能級結構、能量大小不同，故它們具有各自的特征發(fā)射（吸收）光譜具有各自的特征發(fā)射（吸收）光譜。 26光電子效應與俄歇效應光電子效應與俄歇效應光電效應：原子受電磁輻射的激發(fā)而產(chǎn)生光電子的光電效應：原子受電磁輻射的激發(fā)而產(chǎn)生光電子的現(xiàn)象。現(xiàn)象。p光電子發(fā)射過程由光電子的光電子發(fā)射過程由光電子的產(chǎn)生產(chǎn)生、輸運輸運和和逸出逸出3 3步組成。步組成。1）光電效應）光電效應27q發(fā)射過程的能量關系稱光電子發(fā)射方程，一般可由下式發(fā)射過程的能量關系稱光電子發(fā)射方程，一般可由下式表達，即表達，即 h h = =E Eb b+ + s s+ +E Ek k+ +A A p式中：式中：ph h 入射光子能量；入射光

22、子能量；pE Eb b電子結合能或電離能，即使物質(zhì)產(chǎn)生光電離所電子結合能或電離能，即使物質(zhì)產(chǎn)生光電離所需能量；需能量；pA A光電子輸運過程中因非彈性碰撞而損失的能量光電子輸運過程中因非彈性碰撞而損失的能量p s s逸出功逸出功( (功函數(shù)功函數(shù)) )，固體樣品中光電子逸出表面，固體樣品中光電子逸出表面所需能量，所需能量， s s= =E Ev v- -E Ef f（E Ev v為真空能級，為真空能級， E Ef f費米能級）；費米能級）；pE Ek k光電子動能。光電子動能。 28圖圖2-6 固體的光電子發(fā)射能量關系固體的光電子發(fā)射能量關系 29俄歇效應俄歇效應1.1.俄歇電子的產(chǎn)生俄歇電子

23、的產(chǎn)生俄歇效應俄歇效應 qX X射線激發(fā)原子，使原子電離，原子在發(fā)射光電子的同射線激發(fā)原子，使原子電離，原子在發(fā)射光電子的同時內(nèi)層出現(xiàn)空位，較外層電子向空位躍遷以降低原子能量時內(nèi)層出現(xiàn)空位，較外層電子向空位躍遷以降低原子能量的過程，此過程可稱為退激發(fā)或去激發(fā)過程。的過程，此過程可稱為退激發(fā)或去激發(fā)過程。q退激發(fā)過程有兩種互相競爭的方式，即發(fā)射特征退激發(fā)過程有兩種互相競爭的方式，即發(fā)射特征X X射線射線或發(fā)射俄歇電子?；虬l(fā)射俄歇電子。 30q內(nèi)層內(nèi)層( (例如例如K K層層) )出現(xiàn)空位，較外層出現(xiàn)空位，較外層( (例如例如L L層層) )電子向內(nèi)層輻電子向內(nèi)層輻射躍遷，發(fā)射的輻射即射躍遷，發(fā)射

24、的輻射即X X射線，其光子頻率：射線，其光子頻率： hvhv= = E E= =E EL LE Ek k 故稱為特征故稱為特征X X射線射線( (表征元素的特征信息表征元素的特征信息) )。又稱熒光。又稱熒光( (二次二次)X)X射線。射線。n如原子的退激發(fā)不以發(fā)射如原子的退激發(fā)不以發(fā)射X X射線的方式進行，則將以發(fā)射俄射線的方式進行，則將以發(fā)射俄歇電子的方式進行，此過程稱俄歇過程或俄歇效應。歇電子的方式進行，此過程稱俄歇過程或俄歇效應。 31圖圖2-10 俄歇效應俄歇效應俄歇電子的產(chǎn)生俄歇電子的產(chǎn)生(示意圖示意圖)(a)初態(tài)；初態(tài)；(b)終態(tài)終態(tài) 32輻射的散射輻射的散射 p輻射的散射輻射的

25、散射指電磁輻射指電磁輻射( (與物質(zhì)發(fā)生相互作用與物質(zhì)發(fā)生相互作用) )部分偏離原部分偏離原入射方向而分散傳播的現(xiàn)象。入射方向而分散傳播的現(xiàn)象。p物質(zhì)中與入射的輻射即入射線相互作用而致其散射的基本物質(zhì)中與入射的輻射即入射線相互作用而致其散射的基本單元可稱單元可稱散射基元散射基元。p散射基元是實物粒子，可能是分子、原子中的電子等散射基元是實物粒子，可能是分子、原子中的電子等，取，取決于物質(zhì)結構及入射線波長大小等因素。決于物質(zhì)結構及入射線波長大小等因素。 33晶體中的電子散射晶體中的電子散射pX射線等譜域的輻射照射晶體，電子是散射基元。射線等譜域的輻射照射晶體，電子是散射基元。相干散射（經(jīng)典散射或

26、湯姆相干散射（經(jīng)典散射或湯姆p晶體中的電子散射晶體中的電子散射遜散射）遜散射）非相干散射（康普頓非相干散射（康普頓-吳有訓效吳有訓效應、康普頓散射、量子散射應、康普頓散射、量子散射）圖圖2-2非相干散射的產(chǎn)生非相干散射的產(chǎn)生34（與原子內(nèi)層電子碰撞產(chǎn)生彈性散射）（與原子內(nèi)層電子碰撞產(chǎn)生彈性散射）q相干散射經(jīng)典電動力學解釋：相干散射經(jīng)典電動力學解釋：（與外層電子或晶內(nèi)自由電子發(fā)生非彈性碰撞），（與外層電子或晶內(nèi)自由電子發(fā)生非彈性碰撞），被稱為被稱為及及，亦稱，亦稱。非相干散射增。非相干散射增加連續(xù)背景，對衍射不利，特別是輕元素。加連續(xù)背景，對衍射不利，特別是輕元素。q散射波與入射波無確定位相關系

27、，不能產(chǎn)生干涉效應；散射波與入射波無確定位相關系，不能產(chǎn)生干涉效應；q波長增加。增加值：波長增加。增加值： 0.002430.00243（1 1cos2cos2） (nm) (nm) q22為散射方向與入射方向夾角。為散射方向與入射方向夾角。35光電離光電離 p光電離是指入射光子能量光電離是指入射光子能量( (h h ) )足夠大時，使原子或分足夠大時，使原子或分子產(chǎn)生電離的現(xiàn)象，子產(chǎn)生電離的現(xiàn)象，其過程可表示為其過程可表示為M+h M+e （2-52-5） 式中：式中：M原子或分子；原子或分子； M+離子；離子； e自由電子。自由電子。p物質(zhì)在光照射下釋放電子物質(zhì)在光照射下釋放電子( (稱光

28、電子稱光電子) )的現(xiàn)象又稱的現(xiàn)象又稱( (外外) )光電效應。光電效應。p光電子產(chǎn)額隨入射光子能量的變化關系稱為物質(zhì)的光光電子產(chǎn)額隨入射光子能量的變化關系稱為物質(zhì)的光電子能譜。電子能譜。p光電子能譜含有光電子能譜含有物質(zhì)成分物質(zhì)成分、結構等信息結構等信息的特征譜的特征譜。 36q以以X射線為信號源的材料分析方法有：射線為信號源的材料分析方法有：X射線衍射分析射線衍射分析X射線熒光分析射線熒光分析X射線光電子能譜射線光電子能譜X射線激發(fā)俄歇能譜分析射線激發(fā)俄歇能譜分析37 陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運動電子與物質(zhì)陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運動電子與物質(zhì)碰撞產(chǎn)生（碰撞產(chǎn)生（1 1能量），其余

29、能量），其余9999轉為熱能。轉為熱能。 1 1）產(chǎn)生自由電子；）產(chǎn)生自由電子； 2 2）電子獲得較大的負加速度；）電子獲得較大的負加速度；3.X3.X射線產(chǎn)生原理：射線產(chǎn)生原理：原子內(nèi)層電子被激發(fā)出去，外層高能級電子向原子內(nèi)層電子被激發(fā)出去，外層高能級電子向內(nèi)層躍遷，并以內(nèi)層躍遷，并以X X射線的形式釋放能量。射線的形式釋放能量。 qX射線的產(chǎn)生原理射線的產(chǎn)生原理38相當于一個真空度為相當于一個真空度為10105 510107 7mmHgmmHg的的大真空二極管大真空二極管：W W絲制成，發(fā)射熱電子。絲制成，發(fā)射熱電子。：亦稱靶：亦稱靶使電子突然減速，發(fā)使電子突然減速，發(fā)射射X X射線。射線

30、。 常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等X X射線從陽極向外射出區(qū)，鈹射線從陽極向外射出區(qū)，鈹制，高真空，對制，高真空，對X X射線吸收小。射線吸收小。陽極靶被電子轟擊發(fā)射出陽極靶被電子轟擊發(fā)射出X X射線處。射線處。 40a)a) 細聚焦細聚焦X X射線管射線管b)b) 旋轉陽極旋轉陽極X X射線管射線管 41波長較短，能量較高，穿透力強，用于波長較短，能量較高，穿透力強，用于無損探傷及金屬的物相分析。無損探傷及金屬的物相分析。波長較長，能量較低，穿透力弱，用于波長較長，能量較低，穿透力弱，用于非金屬材料分析非金屬材料分析2.X2.X射線與物質(zhì)產(chǎn)生

31、相互作用射線與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用X X射線與物質(zhì)產(chǎn)生吸收、散射、衍射、俄歇效應、射線與物質(zhì)產(chǎn)生吸收、散射、衍射、俄歇效應、光電效應等。但幾乎所有材料對其折射吸收都接近于光電效應等。但幾乎所有材料對其折射吸收都接近于1 1；421 1）特點）特點 具有一最短波長具有一最短波長0 0 ，且，且X X射線覆蓋很大波長范圍并且連射線覆蓋很大波長范圍并且連續(xù)變化的電磁輻射。續(xù)變化的電磁輻射。2 2）電壓、電流對連續(xù)譜的影）電壓、電流對連續(xù)譜的影響響按強度隨波長變化的關系曲線，分為：連續(xù)按強度隨波長變化的關系曲線，分為：連續(xù)X X射線射線譜、特征譜、特征X X射線譜；射線譜；二、X射線譜43444 4）產(chǎn)生

32、原理產(chǎn)生原理 很大的負加速度很大的負加速度，導，導致周圍產(chǎn)生急劇變化的電磁致周圍產(chǎn)生急劇變化的電磁場，從而產(chǎn)生電磁輻射；場，從而產(chǎn)生電磁輻射； 因數(shù)量極大，其碰撞因數(shù)量極大，其碰撞的過程、條件、能量是隨機的過程、條件、能量是隨機變化，故產(chǎn)生的連續(xù)的變化，故產(chǎn)生的連續(xù)的X X射射線；線；45 連續(xù)譜在短波方向有一最短波長極限連續(xù)譜在短波方向有一最短波長極限（0 0）；）； 產(chǎn)生原因：在極限的情況下，原子一次碰撞就耗盡所有能產(chǎn)生原因：在極限的情況下，原子一次碰撞就耗盡所有能量所產(chǎn)生的量所產(chǎn)生的X X射線，射線，。 eV=hvmax=hc/0 0=hc/eV=1.24/V(nm)4647指垂直于指垂

33、直于X X射線傳播方向的單位面積在單射線傳播方向的單位面積在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。用位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。用I I表示，單位表示，單位 J/cmJ/cm2 2.s .s 。I I由光子能量由光子能量hvhv及其數(shù)目及其數(shù)目n n共同決定：共同決定：I Inhv nhv q連續(xù)譜總強度：連續(xù)連續(xù)譜總強度：連續(xù)X X射線譜中每條曲線下的面積表示射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)連續(xù)X X射線的總強度，也是陽極靶射出射線的總強度，也是陽極靶射出X X射線的總能量：射線的總能量： I I連連iZViZV2 2 （1.11.11.41.4）1010-9-948（射線管效率）（

34、射線管效率） n nI I連總連總/ /管功率管功率 i iiZViZV2 2/iV/iV i iZV ZV 其中其中i i（1.11.11.41.4）1010-9-9（V V）q 可見效率低，多發(fā)熱，故用高熔點金屬可見效率低，多發(fā)熱，故用高熔點金屬做陽極且水冷。做陽極且水冷。49：q同一陽極靶，管電壓同一陽極靶，管電壓V V不變，不變，提高管電流提高管電流I I，各波長射線的強，各波長射線的強度度I I提高，但提高，但0 0不變；不變；q提高管電壓（提高管電壓（i i、Z Z不變），不變），各波長射線的各波長射線的I I增大，但短波限增大，但短波限0 0減??；減小； qV V與與i i相同時

35、，原子序數(shù)相同時，原子序數(shù)Z Z越高，越高，連續(xù)譜的連續(xù)譜的I I越大，但越大，但0 0不變。不變。50特征特征X X射線射線：當管電壓增加至某一臨界值時，電子將：當管電壓增加至某一臨界值時，電子將靶材原子的內(nèi)層電子激發(fā)出去，從而內(nèi)層產(chǎn)生空位，此時靶材原子的內(nèi)層電子激發(fā)出去，從而內(nèi)層產(chǎn)生空位，此時較外層的電子將向內(nèi)層躍遷產(chǎn)生電磁輻射，即特征較外層的電子將向內(nèi)層躍遷產(chǎn)生電磁輻射，即特征X X射線。射線。特征特征X X射線譜射線譜：在某些特定波長位置出現(xiàn)的，疊加在：在某些特定波長位置出現(xiàn)的，疊加在連續(xù)譜上高而狹仄的譜線，連續(xù)譜上高而狹仄的譜線，這些峰的波長反應了物質(zhì)原子這些峰的波長反應了物質(zhì)原子序

36、數(shù)的特征序數(shù)的特征，所以叫特征，所以叫特征X X射線；含有特征射線；含有特征X X射線的射線的X X射線譜射線譜稱之為特征稱之為特征X X射線譜。射線譜。5152q足夠能量的電子將陽極靶內(nèi)層電子擊出，低能級出現(xiàn)空位，足夠能量的電子將陽極靶內(nèi)層電子擊出，低能級出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。q高能級電子向低能級空位躍遷，并以光子形式輻射出特征高能級電子向低能級空位躍遷，并以光子形式輻射出特征X X射線。射線。53K K系輻射系輻射：K K層電子被層電子被擊出時，系統(tǒng)能量由擊出時，系統(tǒng)能量由基態(tài)升高到基態(tài)升高到K K激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)，高能層電子向高能層電

37、子向K K層空位層空位填充時；填充時； 把其中把其中L L層電子填層電子填充空位稱為充空位稱為K K輻射輻射 M M層電子填充空位層電子填充空位產(chǎn)生產(chǎn)生K K輻射輻射。55q由能級知由能級知K K輻射光子能量大于輻射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K層層與與L L層層為相為相鄰能級，鄰能級，L L填充幾率大，故填充幾率大，故。 L L層內(nèi)層內(nèi)不同亞能級不同亞能級電子向電子向K K層躍遷所發(fā)射的層躍遷所發(fā)射的K K11和和K K22的的關系是：關系是： n對于多重線系，如對于多重線系，如L2及及L3層電子向層電子向K層躍遷，形成的層躍遷，形成的K有有如下關系如下關系56n同理，同理，L

38、層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征X射線稱為射線稱為或或L系射線系射線；若若K K層產(chǎn)生空位，由層產(chǎn)生空位，由L L層或層或M M層或更外層電子躍遷層或更外層電子躍遷產(chǎn)生的產(chǎn)生的X X系特征輻射分別順序系特征輻射分別順序稱為稱為K K ，K K ，射線射線；但距但距K K層越遠的能級，電子向層越遠的能級，電子向K K層躍遷幾率越小，層躍遷幾率越小，相應產(chǎn)生的輻射光子數(shù)越少，故通常除相應產(chǎn)生的輻射光子數(shù)越少，故通常除K K 、K K 外，忽略外，忽略其它輻射。其它輻射。若若L L層產(chǎn)生空位，其外層產(chǎn)生空位，其外M M，N N，層電子向其躍遷層電子向其躍遷產(chǎn)生的譜線分別順序稱為產(chǎn)生的

39、譜線分別順序稱為L L ，L L ，射線，并統(tǒng)稱為射線，并統(tǒng)稱為L L系系特征輻射。特征輻射。M M系等依此類推系等依此類推57：q臨界電壓臨界電壓：產(chǎn)生特征：產(chǎn)生特征X射線的最低電壓射線的最低電壓VK。K K，L L，系特征輻射所對應的激發(fā)電壓分別是系特征輻射所對應的激發(fā)電壓分別是V VK K，V VL L，其大小是逐漸減小的。，其大小是逐漸減小的。58q特征特征X X射線的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子射線的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結構，是物質(zhì)的固有特性。能級結構，是物質(zhì)的固有特性。X X射線譜的波長射線譜的波長與原子序數(shù)與原子序數(shù)Z Z的的關系為：關系為： C C及及為

40、與線系有關的常數(shù)。為與線系有關的常數(shù)。)(/1 ZC59q在多晶材料的衍射分析中，總是希望應用以特征譜在多晶材料的衍射分析中，總是希望應用以特征譜為主的單色光源，即為主的單色光源，即I I特特I I連連盡可能高。盡可能高。q為了使為了使K K系系 譜線突出，譜線突出，x x射線管適宜的工作電壓一射線管適宜的工作電壓一般比般比K K系激發(fā)電壓高系激發(fā)電壓高3 35 5倍，倍，即：即：V V工作工作= =（3 35 5）V V臨界臨界（即（即V VK K）；60 其關系的實驗公式為：其關系的實驗公式為： I I特特KiKi（V V工作工作V Vn n）m m K K常數(shù)常數(shù) m m常數(shù)，常數(shù)，K

41、K系系m m1.51.5，L L系系m m2 2 V Vn n標識譜的激發(fā)電壓，對標識譜的激發(fā)電壓，對K K系，系，V Vn nV VK K61X X射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后，內(nèi)容和過程復射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后，內(nèi)容和過程復雜，然就其能量轉換而言，雜，然就其能量轉換而言，一束一束X X光通過物質(zhì)時，分光通過物質(zhì)時，分為三部分：散射、吸收、透過為三部分：散射、吸收、透過。俄歇電子俄歇電子熱能熱能透射透射X射線衰減后的強度射線衰減后的強度I0散射散射X射線射線電子電子熒光熒光X射線射線相干的相干的非相干非相干 的的反沖電子反沖電子光電子光電子康普頓效應康普頓效應俄歇效應俄歇效應 光電效應光電效應

42、二、X射線與物質(zhì)的相互作用62 X X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生相干散射和非相干散射。射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生相干散射和非相干散射。q物質(zhì)中電子在物質(zhì)中電子在X X射線作用下振動，產(chǎn)生的新電磁波波射線作用下振動，產(chǎn)生的新電磁波波長和頻率相同，位相差恒定，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，發(fā)生相干長和頻率相同，位相差恒定，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，發(fā)生相干散射。散射。222020sin4mRceIIe63qX X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子發(fā)射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子發(fā)生非彈性碰撞使波長增大；生非彈性碰撞使波長增大；q電子獲得能量成為反沖電子；電子獲得能量成為反沖電子；q位向差不恒定，無干涉發(fā)生。位向差不恒

43、定，無干涉發(fā)生。64q X X射線通過物質(zhì)時發(fā)生能量損失，吸收的能量引發(fā)物質(zhì)射線通過物質(zhì)時發(fā)生能量損失，吸收的能量引發(fā)物質(zhì)中原子內(nèi)部的電子躍遷，發(fā)生中原子內(nèi)部的電子躍遷，發(fā)生X X射線的射線的和和。65q當入射當入射x x射線光子能量達到某一閾值可擊出物質(zhì)原子內(nèi)層射線光子能量達到某一閾值可擊出物質(zhì)原子內(nèi)層電子時，產(chǎn)生電子時，產(chǎn)生光電效應，并形成光電效應，并形成二次特征輻射二次特征輻射。與此能量。與此能量閾值相應的波長稱為物質(zhì)的閾值相應的波長稱為物質(zhì)的, , 亦稱為亦稱為K K系特征輻射的系特征輻射的，用，用代表。代表。X X射線光子波長必須小于射線光子波長必須小于。q輻射條件：激發(fā)限輻射條件：

44、激發(fā)限K K1.24/U1.24/UK K （nmnm） U UK K把原子中把原子中K K殼層電子擊出原軌道所需要的最小激發(fā)電壓；殼層電子擊出原軌道所需要的最小激發(fā)電壓；66qK K在討論光電效應產(chǎn)生的條件時叫做在討論光電效應產(chǎn)生的條件時叫做；若討；若討論論X X射線被物質(zhì)吸收射線被物質(zhì)吸收( (光電吸收光電吸收) )時，又可把時，又可把K K叫叫。 為產(chǎn)生為產(chǎn)生K K系熒光輻射，入射光子的能量系熒光輻射，入射光子的能量hvhv入射必須大于必須大于或等于或等于K K層電子的逸出功層電子的逸出功W WK K，即，即 hvhv入射hchc/ /入射W WK K 入射hchc/ /eUeUK K=1.24/U=1.24/UK K= =K K 67： 當入射當入射X X射線波長剛好小于等于射線波長剛好小于等于K K時，可發(fā)生此時，可發(fā)生此種物質(zhì)對波長為種物質(zhì)對波長為k k的的X X射線的強烈吸收，而且正好射線的強烈吸收，而且正好在在入射K K1 12424U UK K時吸收最為嚴重，形成所謂時吸收最為嚴重，形成所謂的的吸收邊吸收邊，此時熒光散射也最嚴重。，此時熒光散射也最嚴重。 68q可利用可利用K K = 1.24/U = 1.24/UK K，如，如K K層激發(fā)的