第1章X-射線原理

1、n1895年年 倫琴倫琴n19121912年年 勞厄勞厄 （衍射現(xiàn)象）（衍射現(xiàn)象）n19121912年年 布拉格父子（布拉格父子（NaClNaCl晶體結構）晶體結構）X X射線衍射學射線衍射學 18951895年德國物理學家倫琴在研究陰極射線時年德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了一種奇異的射線它不但能量高、直線傳播、發(fā)現(xiàn)了一種奇異的射線它不但能量高、直線傳播、穿透力強，而且能殺死生物組織和細胞，并具有照穿透力強，而且能殺死生物組織和細胞，并具有照相、熒光和電離效應。因當時對其知之甚少故稱相、熒光和電離效應。因當時對其知之甚少故稱為為X X射線。倫琴的這一發(fā)現(xiàn)使他成為世界上第一位射線。倫琴的

2、這一發(fā)現(xiàn)使他成為世界上第一位諾貝爾獎得主。諾貝爾獎得主。 X X射線首先用在醫(yī)學上射線首先用在醫(yī)學上骨折診斷和定位骨折診斷和定位(X(X射線射線透視學透視學) )。隨后用在工程技術上。隨后用在工程技術上檢查工件中的缺陷檢查工件中的缺陷(X(X射線探傷學射線探傷學) )。 19121912年德國物理學家勞厄發(fā)現(xiàn)了年德國物理學家勞厄發(fā)現(xiàn)了X X射線在晶射線在晶體上的衍射現(xiàn)象、從而證實體上的衍射現(xiàn)象、從而證實X X射線是光的一種，射線是光的一種，具有波動性；同時又證實了晶體結構的周期性。具有波動性；同時又證實了晶體結構的周期性。同年，英國物理學家布拉格父子用同年，英國物理學家布拉格父子用X X射線衍

3、射方射線衍射方法測定了法測定了NaClNaCl晶體的結構，開創(chuàng)了晶體結構分析晶體的結構，開創(chuàng)了晶體結構分析的歷史。此后，用的歷史。此后，用X X射線衍射方法確定了數(shù)萬種射線衍射方法確定了數(shù)萬種無機和有機晶體結構。除此之外，還提供了其它無機和有機晶體結構。除此之外，還提供了其它方面的應用。方面的應用。 X射線衍射射線衍射(XRD)是所有物質，包括從流體、是所有物質，包括從流體、粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。粉末到完整晶體，重要的無損分析工具。 對材料學、物理學、化學、地質、環(huán)境、納米對材料學、物理學、化學、地質、環(huán)境、納米材料、生物等領域來說，材料、生物等領域來說，X射線衍射儀都是物質結射

4、線衍射儀都是物質結構表征，以性能為導向研制與開發(fā)新材料，構表征，以性能為導向研制與開發(fā)新材料， 宏觀宏觀表象轉移至微觀認識，建立新理論和質量控制不可表象轉移至微觀認識，建立新理論和質量控制不可缺少的方法。缺少的方法。X射線衍射應用領域射線衍射應用領域物相分析物相分析 ( (物相鑒定與定量相分析物相鑒定與定量相分析) )晶體學分析晶體學分析（晶粒大小、指標化、點陣參數(shù)測定、（晶粒大小、指標化、點陣參數(shù)測定、解析結構等）解析結構等） 薄膜分析薄膜分析 ( (薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度以及測定單晶外延膜結構特征以及測定單晶外延膜結構特征) )織構分析、殘余應

5、力分析織構分析、殘余應力分析不同溫度下結構變化的原位動態(tài)分析不同溫度下結構變化的原位動態(tài)分析X射線衍射能解決的問題射線衍射能解決的問題角度角度強度強度角度角度強度強度角度角度強度強度氣體氣體液體非晶結晶體2-1 2-1 X X射線的本質射線的本質2-2 X2-2 X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 X射線與無線電波、紅外線、可見光、紫外線、射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，具有波動性和粒子性的雙重特征，即波粒兩相性。 X射線的波長 nX射線的波長很短，與晶體的晶格常數(shù)同一射線的波長很短，與晶體的晶格常數(shù)同一數(shù)量級，稱為納米級。通常用數(shù)量級，稱為納米級。通常用 nm，或者，或者 A0表示。表示。n

6、硬硬X射線：波長在射線：波長在0.250.05nm, 用于晶體用于晶體結構分析。結構分析。n短短X射線射線: 波長在波長在0.10.005nm, 用于金屬部用于金屬部件無損探傷。件無損探傷。n軟軟X射線：波長較長射線：波長較長, 用于醫(yī)學透視分析。用于醫(yī)學透視分析。X X射線的波動性射線的波動性: : 在晶體中的散射，衍射現(xiàn)象。 以一定的頻率和波長在空間傳播.X X射線的射線的粒子性粒子性: : 與離子碰撞時有能量交換。 由大量不連續(xù)的離子流（光子）構成，光子具有一定的質量m，能量和動量。波動性和粒子性參量之間存在著特定關系：hchv hp 式中： h普朗可常數(shù)，等于6.62510-34J.s

7、 c光速，等于2.9985108m/s 用波動性的觀點來描述：單位時間內(nèi)通過垂直于X射線傳播方向的單位截面上能量的大小。強度I I 與波振幅A A 的平方成正比，IA2 。 用粒子性的觀點來描述：單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)。 X射線的絕對強度難以測定，通常用相對強度值。例如：衍射峰的相對高低，照相底板上的明暗程度電磁波的特性電磁波的特性 X射線是電磁波，電磁波是一種橫波，當波長一定的X射線沿X方向傳播時，同時具有電場矢量電場矢量E E和磁場矢量磁場矢量HH，這兩個矢量以相同周相，在兩個相互垂直的平面內(nèi)（即y，z方向）作周期震動，且與x方向相垂直，傳播速度等于光速。電場矢量電場矢量磁場矢量

8、磁場矢量x一定時，E隨X射線傳播時間t的變化t一定時，E隨X射線傳播距離x的變化。 在X射線分析中記錄的是電場強度矢量E引起的物理效應，因此以后只討論E矢量的變化。電場強度矢量電場強度矢量E E 隨X射線傳播時間t或傳播距離x的變化，呈周期性波動，波動振幅為A。實驗表明：真空中高速運動的帶電粒子撞擊到任何物質時均可產(chǎn)生X射線。產(chǎn)生X射線的裝置叫X射線管。X射線管的構造圖X射線管的構造圖X光管工作情形(1) 陰極（燈絲）發(fā)射電子。它由W絲制成，通電加熱后放出自由電子。(2) 陽極（靶）使電子突然停止，部分動能轉變?yōu)閄光能，以光量子的形式表現(xiàn)出來發(fā)射X射線。 靶材常用 W，Ag， Mo， Cu，

9、Ni， Co， Fe和Cr等。(3) 窗口是X射線射出的通道。通常有2個或4個。窗口材料要求有足夠的強度以維持管內(nèi)真空，且吸收X射線最少。常用金屬鈹（Pi） 陰極發(fā)射的電子在數(shù)萬伏的高壓下向陽極加束，有一定的發(fā)散度，為使電子束集中，在陰極燈絲外加有聚焦罩。 高速電子與陽極碰撞時只有1的能量轉化為X射線能量, 其余99都轉變成熱能，因此，陽極要固定在導熱性能好的底座上（Cu）。并通循環(huán)水冷卻，防止靶熔化。玻璃陶瓷試驗結果可知：試驗結果可知： 管電壓越高，X射線強度越大，強度峰值向短波端移動。 各種管電壓下的連續(xù)譜都有一個最短波長值（短波限）0,通常峰值在1.50處。o與管電壓的關系 o1.24/

10、V(kV)no ：nmnV：kVn由式知，管電壓越高，短波限越短。由式知，管電壓越高，短波限越短。n如果管電壓固定，改變管電流或者改變?nèi)绻茈妷汗潭?，改變管電流或者改變靶時靶時o不變。二.特征X射線加管電壓某個臨界值時在連續(xù)譜上會出現(xiàn)強度峰，峰窄而尖銳。當改變管電壓時這些譜線只改變強度而峰的位置所對應的波長不變。即波長只與靶的原子序數(shù)有關，與電壓無關。這種強度峰的波長反映了物質的原子序數(shù)特征。所以叫特征X射線峰。產(chǎn)生特征X射線的最低電壓叫激發(fā)電壓。特征特征X X射線譜反映了物質的原子結構特征。原子系統(tǒng)的電子分別分布在原子核射線譜反映了物質的原子結構特征。原子系統(tǒng)的電子分別分布在原子核外不同能級

11、的殼層上，離原子核越近的電子能量越低。當陰極來的高能電子外不同能級的殼層上，離原子核越近的電子能量越低。當陰極來的高能電子把內(nèi)殼層中某個電子轟出去后，在原位置上留下空位，使原子系統(tǒng)能量升高，把內(nèi)殼層中某個電子轟出去后，在原位置上留下空位，使原子系統(tǒng)能量升高，處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，外層電子就要向內(nèi)層空位處躍遷，使系統(tǒng)處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，外層電子就要向內(nèi)層空位處躍遷，使系統(tǒng)回到穩(wěn)定態(tài)。這一過程是高能態(tài)回到穩(wěn)定態(tài)。這一過程是高能態(tài)低能態(tài)的過程。低能態(tài)的過程。K KL LMM如果如果K K層少了一個電子，高層少了一個電子，高能能 L L 層的某個電子去補位，層的某個電子去補位，這時能

12、量降為這時能量降為KLKL這一能量以一個光子的形式這一能量以一個光子的形式輻射出來，變成光子能量輻射出來，變成光子能量/hchvKL/hchvKL對于原子序數(shù)為對于原子序數(shù)為Z Z的物質來說，原子各能級所具有的物質來說，原子各能級所具有的能量是固有的，所以的能量是固有的，所以 便是固有值，便是固有值， 也隨之也隨之固定。這就是特征固定。這就是特征X X射線波長為一定值的原因。原射線波長為一定值的原因。原子處于激發(fā)態(tài)后，外層電子便爭相向內(nèi)層躍遷，同子處于激發(fā)態(tài)后，外層電子便爭相向內(nèi)層躍遷，同時輻射時輻射X X射線。射線。KLn定義：定義：nK層電子被擊出的過程叫層電子被擊出的過程叫K系激發(fā)。電子

13、向系激發(fā)。電子向K層躍層躍遷引起的輻射叫遷引起的輻射叫K系輻射。系輻射。nL層電子被擊出的過程叫層電子被擊出的過程叫L系激發(fā)。電子向系激發(fā)。電子向L層躍層躍遷引起的輻射叫遷引起的輻射叫L系輻射。系輻射。nM層電子被擊出的過程叫層電子被擊出的過程叫M系激發(fā)。電子向系激發(fā)。電子向M層層躍遷引起的輻射叫躍遷引起的輻射叫M系輻射。系輻射。 電子躍遷所跨越的能級數(shù)目電子躍遷所跨越的能級數(shù)目 1 1， 2 2， 33，所引起的輻射分別標為所引起的輻射分別標為 ， ，這樣，電子由這樣，電子由LKLK，MK MK 所引起的輻射分所引起的輻射分別定義為別定義為K K ，K K 。 ML, NL ML, NL 所

14、引起的輻所引起的輻射分別定義為射分別定義為L L ，L L 。kLkm/hc原子系統(tǒng)中各能級的能量不同，原子系統(tǒng)中各能級的能量不同，各能級間的能量差也不同。各能級間的能量差也不同。由光子能量公式由光子能量公式 高高 低低 ，因此，因此， KK KKI IKKI IKK 是因為相鄰殼層躍遷補是因為相鄰殼層躍遷補位的幾率比隔層補位的幾率大。位的幾率比隔層補位的幾率大。 由于同殼層的電子并不在同一能量狀態(tài)，由于同殼層的電子并不在同一能量狀態(tài)，而是分別屬于若干個亞能級。如而是分別屬于若干個亞能級。如L L層層8 8個電個電子分屬于子分屬于L L, , L L, , L L 三個亞能級，三個亞能級，MM

15、層的層的1818個電子分屬于五個亞能級等，不同亞能級個電子分屬于五個亞能級等，不同亞能級上電子躍遷會引起特征波長的微小差別，上電子躍遷會引起特征波長的微小差別，即在衍射主峰近旁出現(xiàn)次極峰。即在衍射主峰近旁出現(xiàn)次極峰。 實驗證明：實驗證明：KK是由是由 L L 上的上的4 4個電子和個電子和L L上的上的3 3個電子向個電子向K K殼層躍遷時輻射出的殼層躍遷時輻射出的兩根譜線。兩根譜線。2818特征X射線譜的頻率或波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，而與其它因數(shù)無關。)(Zkc式中：K是與靶材物質有關的常數(shù)。 是屏蔽常數(shù)，與電子所在殼層位置有關。莫賽萊于莫賽萊于1914年發(fā)現(xiàn)標識年發(fā)現(xiàn)標識X射

16、線的射線的波長與原子序數(shù)的關系，奠定了波長與原子序數(shù)的關系，奠定了X射線光譜學的基礎。射線光譜學的基礎。 公式表明：只要是同種原子，不論它所公式表明：只要是同種原子，不論它所處的物理狀態(tài)和化學狀態(tài)如何，它發(fā)出的特處的物理狀態(tài)和化學狀態(tài)如何，它發(fā)出的特征征X X射線均具有相同波長。射線均具有相同波長。)(ZkcX X射線照到物質上將產(chǎn)生哪些效應，從能量角度來看射線照到物質上將產(chǎn)生哪些效應，從能量角度來看一一. .散射能量：相干散射，非相干散射散射能量：相干散射，非相干散射2 2吸收能量：被物質吸收或轉換成光電效應，吸收能量：被物質吸收或轉換成光電效應， 俄歇效應俄歇效應三三. .傳播能量：在晶體

17、內(nèi)傳播傳播能量：在晶體內(nèi)傳播一. X射線的散射1. 相干散射相干散射 (經(jīng)典經(jīng)典散射，彈性散射，湯姆遜散射散射，彈性散射，湯姆遜散射)X射線碰撞新振動波源群相干散射2. 非相干散射非相干散射（Comptom Comptom 散射、散射、Comptom-Comptom-吳有吳有訓效應訓效應） 當X射線與原子的外層電子相碰撞時，這個電子將被撞離原運動方向，同時帶走光子的一部分能量成為反沖電子。原X射線光子也因碰撞而失掉一部分能量，使得波長增加并偏離原運動方向。這種使電子或光子既改變方向又改變能量的散射叫非相干散射。 非相干散射在衍射譜中形成背底襯度。1.X射線的吸收與吸收系數(shù) X射線照到物體表面后

18、，一部分要通過物質，一部分要被物質吸收。強度為I0的入射X射線通過厚度為t的物質后強度改變?yōu)閠eII0式中：I0為入射X射線的強度， t 為樣品厚度為線吸收系數(shù)（與X射線波長，吸收物質物理狀態(tài)即單位體積內(nèi)的分子數(shù)有關)。為了消除吸收系數(shù)對物理狀態(tài)的依賴性，改用質量吸收系數(shù) /，是吸收物質的密度。當一定，Z一定時，/常數(shù)，可查表P283。/質量吸收系數(shù) )/(0teII 一般來說，隨著波長的減小，吸收系數(shù)一般來說，隨著波長的減小，吸收系數(shù)/降降低，但小到某一波長值時低，但小到某一波長值時/會突增。試驗證明，會突增。試驗證明，當物質一定時，質量吸收系數(shù)與波長的關系式為當物質一定時，質量吸收系數(shù)與波長的關系式為對一定的吸收體對一定的吸收體a a和和b b為常數(shù)。為常數(shù)。43/