1、第一章 X射線物理基礎,偉大的物理學家,X射線發(fā)明者-倫琴,緒,.1895年德國物理學家-“倫琴”發(fā)現X射線 .1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產生、傳播、穿透力等大部分性質 .1901年倫琴獲諾貝爾獎 .1912年勞埃進行了晶體的X射線衍射實驗,X射線最早的應用,在X射線發(fā)現后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務 右圖是紀念倫琴發(fā)現X射線100周年發(fā)行的紀念封,X射線的性質,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；當穿過物體時僅部分被散射。 X射線對動物有機體（其中包括對人體）能產生

2、巨大的生理上的影響，能殺傷生物細胞。,X射線的本質 X射線也是電磁波的一種，波長在108cm左右,X射線具有波粒二相性,X射線的強度是衍射波振幅的平方（ ） ，也是單位時間內通過單位截面的光量子數目。,1-3 X射線的產生及X射線管,X射線的產生： X射線是高速運動的粒子與某種物質相撞擊后猝然減速，且與該物質中的內層電子相互作用而產生的。,X射線管的結構為：,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。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成

3、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，大功率需要用旋轉陽極（5）焦點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。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產生長方形焦點 X射線衍射工作中希望細焦點和高強度；細焦點可提高分辨率；高強度則可縮短暴光時間,旋轉陽極,上述常用X射線管的功率為5003000W。目前還有旋轉陽極X射線管、細聚焦X射線管和閃光X射線管。 因陽極不

4、斷旋轉，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的旋轉陽極，其功率比普通X射線管大數十倍。,旋轉陽極,加速器中可以引出X射線,加速器中可以引出X射線,加速器中可以引出X射線,加速器中可以引出X射線,X射線譜- 連續(xù)X射線譜,X射線強度與波長的關系曲線，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。,對連續(xù)X射線譜的解釋1,根據經典物理學的理論，一個帶負電荷的電子作加速運動時，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時必然要產生一個電磁波，或至少一個電磁脈沖。由于極大數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

5、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,量子力學概念，當能量為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，產生一個能量為hv的光子，即“韌致輻射”。 大量的電子在到達靶面的時間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產生不同能量不同強度的光子序列，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，強度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）,X射線管的效率,X射線

6、管的效率，是指電子流能量中用于產生X射線的百分數， 即 隨著原子序數Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數大的鎢靶，在管壓高達100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉變?yōu)闊崮堋?X射線譜- 特征X射線譜,當管電壓超過某臨界值時，特征譜才會出現，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當管電壓增加時，連續(xù)譜和特征譜強度都增加，而特征譜對應的波長保持不變。 鉬靶X射線管當管電壓等于或高于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強譜線，它們即特征X射線譜。 鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63和0.71處，后者的強度約為前者強度的五倍。這兩條

7、譜線稱鉬的K系,特征X射線的產生機理,特征X射線的產生機理與靶物質的原子結構有關。 原子殼層按其能量大小分為數層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。 但當管電壓達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。 產生K激發(fā)的能量為WKhK，陰極電子的能量必須滿足 eVWKhK，才能產生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

8、產生機理,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層空位，相應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。因物質一定，原子結構一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。 當K電子被打出K層時，如L層電子來填充K空位時，則產生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K空位被M層電子填充時，則產生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光子的能量； 但因LK層躍遷的幾率比MK遷附幾率大，故K輻射強度比K輻射強度大五倍左右。 顯然， 當L層電

9、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，產生L系輻射。因此，當原子受到K激發(fā)時，除產生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雙線的產生與原子能級的精細結構相關。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層時產生的輻射，而由LI亞層到K層因不符合選擇定則（此時l0），因此沒有輻射。,小結,莫色萊定律,特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質的原子結構有關，而與其他外界因素無關，是物質的固有特性。19131914年莫色萊發(fā)現物質

10、發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數間存在以下關系： 根據莫色萊定律，將實驗結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,X射線與物質的相互作用,X射線與物質的相互作用，是一個比較復雜的物理過程。 一束X射線通過物體后，其強度將被衰減，它是被散射和吸收的結果，并且吸收是造成強度衰減的主要原因。,X射線的散射,當X射線通過物質時，物質原子的電子在電磁場的作用下將產生受迫振動，其振動頻率與入射X射線的頻率相同。 任何帶電粒子作受迫振動時將產生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振動頻率相同。 由于散射線與入射線的波

11、長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產生衍射現象的基礎。,X射線經束縛力不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓散射,也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個方向，波長各不相等，不能產生干涉現象。,不相干散射,入射X射線遇到約束松的電子時，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（）比入射x射線的波長（）長，其差值與角度之間存在如右關系： 不相干散射在

12、衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強度隨（sin/）的增加而增大，在底片中心處（射線與底片相交處）強度最小，越大，強度越大。,小結,X射線的吸收,物質對X射線的吸收，是指X射線通過物質時光子的能量變成了其他形式時能量。 有時將X射線通過物質時造成的能量損失稱為真吸收。 X射線通過物質時產生的光電效應和俄歇效應，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強度被衰減，是物質對X射線的真吸收過程。,光電效應 -光電子和熒光X射線,光電效應1,激發(fā)K系光電效應時，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠時所作的功WK，即 將激發(fā)限波長K和激發(fā)電壓VK聯系起 ，即 式中VK

13、以V為單位。（14）式和（111）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限0隨管電壓的增高而減小，而后者說明每種物質的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。 從X射線激發(fā)光電效應的角度，稱K為激發(fā)限；然而，從X射線被物質吸收的角度，則稱K為吸收限。,光電效應2- 俄歇效應,俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現，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變成EL，此時將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產生二次電離。即K層的一個空位被

14、L層的兩個空位所代替，這種現象稱俄歇效應. 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表面微區(qū)成分的有力工具。,光電效應2- 俄歇效應,光電效應小結,小結,一束強度為I0的X射線束，通過厚度為H的物體后，強度被衰減為IH。 為了得到強度的衰減規(guī)律，現取離表面為x的一薄層dx進行分析。設X射線束穿過厚度為X的物體后，強度波衷減為，而穿過厚度為

15、xdx的物質后的強度為I-dI，則通過dx厚的一層引起的強度衰減為dI。 實驗證明，X射線透過物質時引起的強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,對（1-12）式積分求出強度為I0的X射線從物體表面（即x0）穿透厚度H后的強度IH: IHI0exp(-H) 式中IH/I0稱穿透系數，而為線衰減系數。（1-13）式是X射線透視學的基本公式。 線衰減系數1n（IH/I0）/H表示單位體積物質對X射線的衰減程度，它與物質的密度成正比，即與物質的存在狀態(tài)有關?，F將（1-13）式改寫成： IHI0e-(/) HI0e-mH 式中m/稱質量衷減系數， 其單位為cm2 g。 工作中

16、有時需要計算i個元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質量衰減系數m。由于m與物質的存在狀態(tài)無關，因此衰減系數可按下式求得： m=1m1+2m2+imi,X射線的吸收曲線,X射線通過物質時的衰減，是吸收和散射造成的。 如果用m仍表示散射系數，m表示吸收系數。在大多數情況下吸收系數比散射系數大得多，故mm。質量吸收系數與波長的三次方和元素的原子序數的三次方近似地成比例，因此,X射線的衰減,從熒光X射線的產生機理，可以解釋圖111中的吸收突變。當入射波長非常短時，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，因此衰減系數小。 隨著波長的逐漸增加，K電子也越來越容易吸

17、收這樣的光子能量，因此衰減系數也逐漸增大，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，此時入射光子的能量已無法打出K電子，不產生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稍大一點時，衰減系數有最小值。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射線的衰減小結,吸收限的應用 -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

18、以忽略的程度。,濾波片的選擇規(guī)則,1： Z靶40時，Z濾Z靶-1； 2： Z靶40時，Z濾Z靶-2,濾波片,常用靶材及其匹配的濾波片的數據列入表1-1。按表中厚度制作的波濾片，濾波后K/K的強度比為1/600。如果濾波片太厚，雖然K可以進一步衰減，但k也相應衰減。實踐表明，當K強度被衰減到原來的一半時，K/K的強度比將由原來的1/5降為濾波后的1/500左右，這對大多數衍射分析工作已經滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（1-14）計算濾波片的厚度。,吸收限的應用 -陽極靶材料的選擇,在X射線衍射晶體結構分析工作中，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

19、增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避免出現大量熒光輻射的原則就是選擇入射X射線的波長，使其不被樣品強烈吸收，也就是選擇陽極靶材料，讓靶材產生的特征X射線波長偏離樣品的吸收限。 根據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來選擇靶材。,總結,本章主要講述三個問題: 1.X射線的性質,本質和X射線的產生 2.X射線譜-連續(xù)譜,特征譜 3.X射線與物質的相互作用,總結,關于X射線的性質,本質和X射線的產生 1.了解X射線有哪些性質! 2.X射線的本質是電磁波,具有波粒二相性. 3.X射線的產生定義:高速運動的粒子遇阻嘎然

20、停止,其能量可以X射線形式釋放. 4.X射線管結構與工作原理,總結,關于X射線譜-連續(xù)譜,特征譜 1.連續(xù)譜產生機理的二種解釋(經典,量子),什么是短波限? 2.特征譜產生機制?特征譜的命名方法, 什么是臨界電壓?什么是激發(fā)電壓?什么是激發(fā)限?,總結,關于X射線與物質的相互作用 1.宏觀效應-X射線強度衰減 2.微觀機制-X射線被散射,吸收 (1)散射-相干散射,康譜頓散射 (2)吸收-產生光電子,二次熒光,俄歇電子 (3)什么是吸收限?如何選擇濾波片,靶?,第三章 X射線衍射分析,第二章 X射線衍射分析,主要內容,X射線的物理基礎 X射線衍射原理（布拉格方程） 樣品制備及實驗方法 X射線衍射

21、方法在材料研究中的應用,3.1 X射線的物理基礎,一、X射線的歷史,1895年，著名的德國物理學家倫琴發(fā)現了X射線；,M.K.Rntgen,(1845-1923),倫琴是德國維爾茨堡大學校長，第一屆諾貝爾獎獲得者。1895年他發(fā)現一種穿透力很強的一種射線。后來很快在醫(yī)學上得到應用，也引起各方面重視。,倫琴夫人的手 X照片 戒指,3.1 X射線的物理基礎,1912年，德國物理學家勞厄等人發(fā)現了X射線在晶體中的衍射現象，確證了X射線是一種電磁波。,勞厄,M.von.Laue,德國物理學家,(1879-1960),X射線的衍射,3.1 X射線的物理基礎,1912年，英國物理學家Bragg父子利用X射

22、線衍射測定了NaCI晶體的結構，從此開創(chuàng)了X射線晶體結構分析的歷史。,布拉格父子：因他們用X射線對晶體結構的分析所作的貢獻，共同榮獲1915年諾貝爾物理學獎。,W(H(布拉格（William Henry Bragg 18621942） W(L(布拉格（William Lawrence Bragg 18901971）,1. X射線是一種電磁波，具有波粒二象性； 2. X射線的波長： 102 103 3. X射線的 （ ）、振動頻峰 和傳播速度C（ms-1）符合 = c / ,二、X射線的本質,X射線的物理基礎,X射線的物理基礎,4. X射線可看成具有一定能量E、動量P、質量m的X光流子 E =

23、hv （3-2） P = h / （3-3） h 為普朗克常數，h = 6.62617610-27爾格，是1900年普朗克在研究黑體輻射時首次引進，它是微觀現象量子特性的表征。,X射線的物理基礎,X射線的物理基礎,1）X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙 及許多對于可見光不透明的物質； 2）X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片 感光。在通過一些物質時，使物質原子中的 外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光； 3）X射線能夠殺死生物細胞和組織，人體組織 在受到X射線的輻射時，生理上會產生一定 的反應。 4） X射線可被鉛吸收。,特點：,X射線的物理基礎,三、X射線的產生,高速運動的電子流 射線 X 射線

24、 中子流,高能 輻射流,在突然被減速時均能產生X射線,X射線的物理基礎,X射線管,X射線的物理基礎,X射線管,圖3-3 X射線管示意圖,X射線的物理基礎,X射線機,圖3-2 X射線機的主要線路圖,X射線的物理基礎,X射線管,電子槍：產生電子并將電子束聚焦，鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子。 金屬靶：發(fā)射x射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點較高的金屬材料制成，如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。,X射線的物理基礎,整個X射線光管處于真空狀態(tài)。當陰極和陽極之間加以數十千伏的高電壓時，陰極燈絲產生的電子在電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經高速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產生X射線，這些X射線通過用

25、金屬鈹（厚度約為0.2mm）做成的x射線管窗口射出，即可提供給實驗所用。,X射線管的工作原理：,X射線的物理基礎,X射線管,X射線的物理基礎,四、X射線譜,特征X射線譜：特定波長的X射線。產生：電子進入到 陽極內部，將內部電子激發(fā)到高能態(tài) 上，高能電子回落到低能位時放出的X 射線。,X射線譜,連續(xù)X射線譜：連續(xù)的各種波長的X射線。產生：電 子在陽極表面受阻而產生。,X射線的物理基礎,1、連續(xù)X射線譜,圖 各管電壓下W的連續(xù)譜,右圖為不同管電壓下W的連 續(xù)X射線譜，其總強度等于曲線 下面的積分面積。,實驗表明： I連續(xù) K i Z V m k 1.1.x109 m 2 i管電流， V管電壓， Z原子序數,連續(xù)X射線的總強度正比于管電流、管電壓及陽極材料原子序數。,X射線的物理基礎,圖 Mo靶的X光譜（35kV時）,2、特征X射線譜 （標識X射線）,右圖為管電壓35kV時Mo的特征X射線譜，其波長不連續(xù)，