1、.1895年德國物理學(xué)家-“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線 .1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì) .1901年倫琴獲諾貝爾獎 .1912年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實驗,X射線最早的應(yīng)用,在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù) 右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封,X射線的性質(zhì),人的肉眼看不見X射線，但X射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。 X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時僅部分被散射。 X射線對動物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。,波長很短的電磁波 0.01

2、100 用于晶體分析的 = 0.52.5 具有波粒二象性 波動性：以一定頻率、波長在空間傳播； 微粒性：以光子形式輻射和吸收時具有一定的質(zhì)量、能量和動量。,x射線的本質(zhì),X射線具有波粒二相性,X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方（ ） ，也是單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。,X射線的產(chǎn)生及X射線管,X射線的產(chǎn)生： X射線是高速運(yùn)動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。,X射線管的結(jié)構(gòu)為：,X射線管,（1） 陰極發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。 （2）陽極靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。 （3）窗口X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封

3、。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。,X射線管,（4）高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極（5）焦點(diǎn)陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來的。焦點(diǎn)的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點(diǎn) X射線衍射工作中希望細(xì)焦點(diǎn)和高強(qiáng)度；細(xì)焦點(diǎn)可提高分辨率；高強(qiáng)度則可縮短暴光時間,旋轉(zhuǎn)陽極,上述常用X射線管的功率為5003000W。目前還

4、有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管和閃光X射線管。 因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。,旋轉(zhuǎn)陽極,X射線譜- 連續(xù)X射線譜,X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。 在管壓很低時，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。,連續(xù)譜變化規(guī)律,I,管流i3 i2 i1,I,連續(xù)譜的總強(qiáng)度與效率,連續(xù)譜的總強(qiáng)度決定于U,I, Z三因素，即,當(dāng)X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時，其效率為：,X射線管的效率,X射線管的效率，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)， 即 隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率

5、提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?對連續(xù)X射線譜的解釋1,根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)動時，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時必然要產(chǎn)生一個電磁波，或至少一個電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。,對連續(xù)X射線譜的解釋2,量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個能量為hv的光子。 大量的電子在到達(dá)靶面的時間、條件均不同，而且還有

6、多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度的光子序列，即形成連續(xù)譜。 極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限0。都有一個最短波長，稱之短波限0，強(qiáng)度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）,X射線譜- 特征X射線譜,當(dāng)管電壓超過某臨界值時，特征譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。 鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特征X射線譜。 鉬靶X射線管在3

7、5KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63和0.71處，后者的強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系,特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理,特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。 但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。 陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。 如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。 產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WKhK，陰極電子的能量必

8、須滿足 eVWKhK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVKWK ，VK稱之臨界激發(fā)電壓。,特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理,處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射線波長一定。 當(dāng)K電子被打出K層時，如L層電子來填充K空位時，則產(chǎn)生K輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即,特征X射線的命名方法,同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時，則產(chǎn)生K輻射。M能級與K能級之差大于L能級與K能級之差，即一個K光子的能量大于一個K光子的

9、能量； 但因LK層躍遷的幾率比MK遷附幾率大，故K輻射強(qiáng)度比K輻射強(qiáng)度大五倍左右。 顯然， 當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時更外層如M、N層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M等系的輻射。除K系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。 K雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的8個電子的能量并不相同，而分別位于三個亞層上。K雙線系電子分別由L和L兩個亞層躍遷到K層時產(chǎn)生的輻射。,小結(jié),標(biāo)識x射線譜的波長,標(biāo)識x-ray譜的波長只取決陽極靶材料的原子序數(shù)，是物質(zhì)的固有特性。（莫塞萊定律）：

10、 式中：K常數(shù)（與靶材物質(zhì)總量子數(shù)有關(guān)） 常數(shù)（與電子所在殼層位置有關(guān)） z靶材料的原子序數(shù),莫色萊定律,特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。19131914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系： 根據(jù)莫色萊定律，將實驗結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù),X射線與物質(zhì)的相互作用,X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復(fù)雜的物理過程。 一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。,

11、一束強(qiáng)度為I0的X射線束，通過厚度為H的物體后，強(qiáng)度被衰減為IH。 為了得到強(qiáng)度的衰減規(guī)律，現(xiàn)取離表面為x的一薄層dx進(jìn)行分析。設(shè)X射線束穿過厚度為X的物體后，強(qiáng)度波衷減為IH ，而穿過厚度為xdx的物質(zhì)后的強(qiáng)度為I-dI，則通過dx厚的一層引起的強(qiáng)度衰減為dI。 實驗證明，X射線透過物質(zhì)時引起的強(qiáng)度衰減與所通過的距離成正比,X射線的衰減規(guī)律,X射線的衰減規(guī)律,兩邊同時積分（積分限0-t),X射線的衰減規(guī)律,X射線的吸收曲線,X射線通過物質(zhì)時的衰減，是吸收和散射造成的。 在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此,思考：1、如何

12、根據(jù)吸收曲線確定X射線管靶材的選擇？ 2、如何結(jié)實吸收系數(shù)的突變？,X射線的衰減,從熒光X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時，它能夠打出K電子，形成K吸收。但因其波長太短，K電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。 隨著波長的逐漸增加，K電子也越來越容易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到K吸收限波長為止。 如果入射X射線的波長比K稍大一點(diǎn)，此時入射光子的能量已無法打出K電子，不產(chǎn)生K吸收。而對L層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易被吸收，因此，入射X射線的波長比K稍大一點(diǎn)時，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K吸收限至L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。,X射線的

13、衰減小結(jié),吸收限的應(yīng)用,吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長等于或小于時光子的能量E到擊出一個K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使m突變性增大。 吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層，有三個吸收限。,熒光X射線（二次X射線）的產(chǎn)生,X射線通過光電效應(yīng)使被照射物質(zhì)處于激發(fā)態(tài)，也要通過電子躍遷向較低能態(tài)轉(zhuǎn)化，同時輻射被照物質(zhì)的特征X射線譜。,光電效應(yīng) -光電子和熒光X射線,光電效應(yīng)2- 俄歇效應(yīng),俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現(xiàn)，原子中K層的一個電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。如果一個L層電子來填充這個空位，K電離就變成L電離，其能量由EK

14、變成EL，此時將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產(chǎn)生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層的一個空位被L層的兩個空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng). 從L層跳出原子的電子稱KLL俄歇電子。每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。不過，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測到的只是表面兩三個原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。,光電效應(yīng)2- 俄歇效應(yīng),吸收限的應(yīng)用 -X射線濾波片的選擇,在一些衍射分析工作中，我們只希望

15、是k輻射的衍射線條，但X射線管中發(fā)出的X射線，除k輻射外，還含有K輻射和連續(xù)譜，它們會使衍射花樣復(fù)雜化。 獲得單色光的方法之一是在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將K和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。,濾波片的選擇: (1)它的吸收限位于輻射源的K和K 之間，且盡量靠近K 。強(qiáng)烈吸收K， K 吸收很??；(2)濾波片的以將K強(qiáng)度降低一半最佳。 Z靶40時 Z濾片=Z靶-2；,濾波片,常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-1。按表中厚度制作的波濾片，濾波后K/K的強(qiáng)度比為1/600。如果濾波片太厚，雖然K可以進(jìn)一步衰減，但k也相應(yīng)衰減。實踐表明，當(dāng)K強(qiáng)度被衰減到原來的一半時，K/K

16、的強(qiáng)度比將由原來的1/5降為濾波后的1/500左右，這對大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比計算濾波片的厚度。,吸收限的應(yīng)用 -陽極靶材料的選擇,在X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射X射線的波長，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽極靶材料，讓靶材產(chǎn)生的特征X射線波長偏離樣品的吸收限。 根據(jù)樣品成分選擇靶材的原則是： Z靶Z樣-1；或Z靶Z樣。 對于多元素的樣品，原則上是以含量較多的幾種元素中最輕的元素為基準(zhǔn)來選擇靶材。,x射線的散射,

17、物質(zhì)對x-ray的散射主要是物質(zhì)中的電子與x-ray的相互作用。 散射：x-ray光子與物質(zhì)中的電子相遇時改變了原來傳播方向，造成了在原來傳播方向上強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱為散射。 分為：相干散射、非相干散射,相干散射（經(jīng)典散射）,在入射束電場的作用下，物質(zhì)原子中的電子被迫圍繞其平衡位置振動，向四周輻射與入射x-ray波長相同的散射x-ray。 同一方向上各散射波符合相干條件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花樣。 相干散射是x-ray在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。,相干散射,x-ray光子與原子內(nèi)束縛緊的電子相碰撞時（彈性碰撞），光子能量可認(rèn)為不受損失，只改變方向。 相干散射不損失x-ray能量，只改變它的傳播方向，對入射線方向來說，強(qiáng)度衰減。,相干散射波雖然只占入射能量的極小部分，但由于它的相干特性而成為X射線衍射分析的基礎(chǔ),相干散射波雖然只占入射能量的極小部分，但由于它的相干特性而成為X射線衍射