第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、現(xiàn)代材料分析技術(shù)現(xiàn)代材料分析技術(shù)上課教師：鐘寧（負(fù)責(zé)）上課教師：鐘寧（負(fù)責(zé)）陳海陳海，劉伯洋，劉伯洋泰山科研樓泰山科研樓432A室室Tel：38284810-mail: 考核方式v最后考試形式最后考試形式v平時(shí)考勤和作業(yè)記入成績(jī)平時(shí)考勤和作業(yè)記入成績(jī)教學(xué)改革vX X射線衍射相關(guān)的科研實(shí)例射線衍射相關(guān)的科研實(shí)例v實(shí)驗(yàn)課程實(shí)驗(yàn)課程緒 論v現(xiàn)代材料分析技術(shù)是一門(mén)試驗(yàn)方法課，現(xiàn)代材料分析技術(shù)是一門(mén)試驗(yàn)方法課， 采用：采用：vX射線衍射射線衍射v電子顯微鏡電子顯微鏡 分析材料：分析材料：v微觀組織結(jié)構(gòu)微觀組織結(jié)構(gòu)v顯微成分顯微成分 材料和材料科學(xué)v材料是人類(lèi)用于制造物品、器件、

2、構(gòu)件、機(jī)器或其材料是人類(lèi)用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代人們把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。v材料科學(xué)材料科學(xué)： 是一門(mén)研究材料組成（成分）、結(jié)構(gòu)和性能以及它們之間關(guān)系的科學(xué)。v材料科學(xué)大廈由金屬材料、高分子材料和陶瓷材料三個(gè)支柱支撐。貫穿一個(gè)主線： 工藝應(yīng)用組成組成結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)性能性能X射線衍射和電子顯微鏡射線衍射和電子顯微鏡表征微觀表征微觀組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝（合成與制備）、性能（性質(zhì)

3、與使用性能）一.材料的組織結(jié)構(gòu)和性能1.組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 結(jié)構(gòu)決定性能是自然界永恒的規(guī)律。 材料的性能（包括力學(xué)性能和物理性能）是由其內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的。2.微觀組織結(jié)構(gòu)控制 認(rèn)識(shí)材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及顯微組織結(jié)構(gòu)形成的條件和過(guò)程機(jī)理。 控制顯微組織 組織結(jié)構(gòu) 性能 二.微觀組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容1.微觀化學(xué)成分（不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等）2.晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（面心立方、體心立方、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）3.晶粒大小與形態(tài)（等軸晶、柱狀晶、枝晶等）4.相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布（球、片、棒、沿晶界聚集或均勻分布等）5.界面（表面、相界與晶界）6.位向關(guān)系（慣習(xí)面、孿

4、生面、新相與母相）7.夾質(zhì)物8.內(nèi)應(yīng)力（噴丸表面、焊縫熱影響區(qū)等）三.傳統(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測(cè)試方法1.光學(xué)顯微鏡 最常用、最簡(jiǎn)單的觀察材料顯微組織的工具。 直接觀察微觀組織形態(tài)。 分辨率低（200nm）和放大倍數(shù)低（約1000倍）。不能觀察更小的組織形態(tài)和單元。 只能觀察表面形態(tài)而不能觀察材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，更不能進(jìn)行微區(qū)成分分析。2.化學(xué)分析 只能測(cè)平均成分，但不能給出所含元素的分布。 光譜分析給出的結(jié)果也是平均成分。 微觀成分的不均勻性不能檢測(cè)。 四.X射線衍射與電子顯微鏡1.X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD） XRD是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來(lái)分析材料的晶

5、體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)、晶體缺陷（位錯(cuò)等）、不同結(jié)構(gòu)相的含量及內(nèi)應(yīng)力的方法。 是建立在一定晶體架構(gòu)模型基礎(chǔ)上的間接方法，即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號(hào)的特征去分析計(jì)算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。 無(wú)法把形貌觀察和晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來(lái)。 X射線聚焦困難，最小區(qū)域在毫米數(shù)量級(jí)，不能對(duì)更小區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)選擇性分析。2.電子顯微鏡（Electron Microscope,EM) EM是用高能電子束作光源，用磁場(chǎng)作透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學(xué)顯微鏡。 1）透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope,TEM)。分辨率101nm，放大倍數(shù)106

6、倍。組織形貌和晶體結(jié)構(gòu)。 2）掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）。分辨率1nm，放大倍數(shù)2105倍。表面形貌觀察。 3）電子探針顯微分析（Eletron Probe Micro-Analysis,EPMA)。微區(qū)化學(xué)成分。 SEM和EPMA結(jié)合起來(lái)，表面形貌觀察和微區(qū)化學(xué)成分分析。第一篇 材料X射線衍射分析第一章第一章 X X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章第二章 X X射線衍射方向射線衍射方向第三章第三章 X X射線衍射強(qiáng)度射線衍射強(qiáng)度第四章第四章 多晶體分析方法多晶體分析方法第五章第五章 物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測(cè)定物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測(cè)定

7、第六章第六章 宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)定宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)定第七章第七章 多晶體織構(gòu)的測(cè)定多晶體織構(gòu)的測(cè)定第一章第一章 X X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容vX射線的性質(zhì)（波粒二相性）射線的性質(zhì)（波粒二相性）vX射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜（適用工作的特征譜）射線譜（適用工作的特征譜）vX射線與物質(zhì)的相互作用（相干散射為射線與物質(zhì)的相互作用（相干散射為X射線衍射分射線衍射分析的基礎(chǔ)）析的基礎(chǔ)）vX射線的安全防護(hù)射線的安全防護(hù)引言v1895年年11月月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（W.C Rntgen)在研究在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了。鍍氰亞鉑酸鋇的硬紙板真空管高壓放電現(xiàn)象

8、時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了。鍍氰亞鉑酸鋇的硬紙板發(fā)出熒光。發(fā)出熒光。v由于當(dāng)時(shí)尚不了解這種輻射的性質(zhì)，故稱(chēng)其為由于當(dāng)時(shí)尚不了解這種輻射的性質(zhì)，故稱(chēng)其為X射線，后人射線，后人也稱(chēng)之為倫琴射線。也稱(chēng)之為倫琴射線。v1901年倫琴獲第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年倫琴獲第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。v1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞埃（年，德國(guó)物理學(xué)家勞埃（M.von Laue）發(fā)現(xiàn)）發(fā)現(xiàn)X射線在晶射線在晶體上的衍射。證明了體上的衍射。證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性。獲性。獲1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。v受勞埃啟發(fā)，受勞埃啟發(fā)，1913年，布拉格（年，布拉格（Sir Will

9、iam Henry Bragg， Sir William Lawrence Bragg）父子提出了著名的布拉格方）父子提出了著名的布拉格方程：程： 2dsin nv1915年，布拉格父子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，小布拉格年僅年，布拉格父子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，小布拉格年僅25歲。歲。v科學(xué)研究，醫(yī)療和技術(shù)工程上應(yīng)用?？茖W(xué)研究，醫(yī)療和技術(shù)工程上應(yīng)用。倫琴發(fā)現(xiàn)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線射線勞埃發(fā)現(xiàn)勞埃發(fā)現(xiàn)X射線衍射射線衍射亨利亨利布拉布拉格格勞倫斯勞倫斯布布拉格拉格第一節(jié) X射線的性質(zhì)vX射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。 X射線波長(zhǎng)介于紫外線與射線波長(zhǎng)介于紫外線與射線之間。射線之間。 波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.

10、010.0110nm。過(guò)去通常用單位埃（。過(guò)去通常用單位埃（）。用于）。用于晶體衍射的晶體衍射的X射線的波長(zhǎng)在射線的波長(zhǎng)在0.050.25nm。vX射線具有波粒二相性射線具有波粒二相性 波動(dòng)性：以一定的頻率波動(dòng)性：以一定的頻率和波長(zhǎng)和波長(zhǎng)在空間傳播；具有在空間傳播；具有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。 粒子性：粒子性：以大量光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的不連續(xù)粒子以大量光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的不連續(xù)粒子流。流。具有一定的質(zhì)量具有一定的質(zhì)量m、能量、能量E和動(dòng)量和動(dòng)量P。與原子和。與原子和電子相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)和熒光輻射等現(xiàn)象，電子相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)和熒光輻射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用和交

11、換能量。與物質(zhì)相互作用和交換能量。 X射線的這些粒子稱(chēng)為光量子。每個(gè)光量子的E和P分別為： 式中，h為普朗克常數(shù)，6.62610-34Js，c為光速，2.998108m/s。電磁波譜電磁波譜第二節(jié) X射線產(chǎn)生及X射線譜vX射線是由高速運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子與某種物質(zhì)相撞射線是由高速運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用而擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用而產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。vX射線產(chǎn)生要有幾個(gè)基本條件：射線產(chǎn)生要有幾個(gè)基本條件： 1）產(chǎn)生自由電子；）產(chǎn)生自由電子； 2）使電子做高速運(yùn)動(dòng)；）使電子做高速運(yùn)動(dòng)； 3）在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物。）在

12、電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物。X射線管主要由陰極、陽(yáng)極和窗口組成：射線管主要由陰極、陽(yáng)極和窗口組成：（1）陰極：陰極的功能是發(fā)射電子。它由鎢絲制成，在通過(guò)）陰極：陰極的功能是發(fā)射電子。它由鎢絲制成，在通過(guò)一定的電流加熱后便能釋放出熱輻射電子。一定的電流加熱后便能釋放出熱輻射電子。（2）陽(yáng)極：陽(yáng)極又稱(chēng)之為靶，是使電子突然減速并發(fā)射）陽(yáng)極：陽(yáng)極又稱(chēng)之為靶，是使電子突然減速并發(fā)射X射射線的地方。主要的靶材主要有線的地方。主要的靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等。在軟等。在軟X射線裝置中常用射線裝置中常用Al靶。靶。（3）窗口：是）窗口：是X射線射出的通道，通常窗口有

13、兩個(gè)或四個(gè)，射線射出的通道，通常窗口有兩個(gè)或四個(gè)，窗口材料既要求有足夠的強(qiáng)度以維持管內(nèi)的高真空度，又要求窗口材料既要求有足夠的強(qiáng)度以維持管內(nèi)的高真空度，又要求對(duì)對(duì)X射線的吸收較小。金屬鈹，也有用硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼射線的吸收較小。金屬鈹，也有用硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。玻璃。 X射線管剖面圖射線管剖面圖v由由X射線管發(fā)射出來(lái)的射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類(lèi)型：射線可以分為兩種類(lèi)型： 連續(xù)連續(xù)X射線譜和特征射線譜和特征X射線譜（或標(biāo)識(shí)射線譜（或標(biāo)識(shí)X射線譜）。射線譜）。產(chǎn)生產(chǎn)生X射線的基本電氣線路射線的基本電氣線路 其特點(diǎn)是其特點(diǎn)是X射線波長(zhǎng)從一個(gè)最小值射線波長(zhǎng)從一個(gè)最小值swlswl向長(zhǎng)

14、波方向伸展，強(qiáng)向長(zhǎng)波方向伸展，強(qiáng)度在度在m m處有一最大值。這種強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線處有一最大值。這種強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線稱(chēng)連續(xù)稱(chēng)連續(xù)X X射線譜。射線譜。 swlswl稱(chēng)該管電壓的短波限。稱(chēng)該管電壓的短波限。一一. 連續(xù)連續(xù)X射線譜射線譜管電壓、管電流和管電壓、管電流和陽(yáng)極靶的原子序?qū)﹃?yáng)極靶的原子序?qū)B續(xù)譜的影響連續(xù)譜的影響 連續(xù)譜受管電壓連續(xù)譜受管電壓U、管電流、管電流i和陽(yáng)極靶材的原子序和陽(yáng)極靶材的原子序Z的作用，的作用，其相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下：其相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下： 1 1）當(dāng)提高管電壓）當(dāng)提高管電壓U U時(shí)（時(shí)（i i、Z Z不變），各波長(zhǎng)不變），各波長(zhǎng)X X射線的

15、強(qiáng)度都射線的強(qiáng)度都提高，短波限提高，短波限swlswl和強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的和強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的m m減小。減小。 2 2）當(dāng)保持管電壓一定，提高管電流）當(dāng)保持管電壓一定，提高管電流i i，各波長(zhǎng)，各波長(zhǎng)X X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度一致提高，但一致提高，但swlswl和和m m不變。不變。 3 3）在相同的管電壓和管電流下，陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)）在相同的管電壓和管電流下，陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)Z Z越高，越高，連續(xù)譜的強(qiáng)度越大，但連續(xù)譜的強(qiáng)度越大，但swlswl和和m m不變。不變。 連續(xù)譜的總強(qiáng)度為：連續(xù)譜的總強(qiáng)度為： 式中，式中，K K1 1為常數(shù)。為常數(shù)。v 當(dāng)當(dāng)X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，其效率為：射線

16、管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，其效率為： 效率很低，大部分能量都耗費(fèi)在使陽(yáng)極靶發(fā)熱。效率很低，大部分能量都耗費(fèi)在使陽(yáng)極靶發(fā)熱。v 量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋連續(xù)譜和短波限：量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋連續(xù)譜和短波限： 電子動(dòng)能電子動(dòng)能eUeU，全部給予一個(gè)光量子，則，全部給予一個(gè)光量子，則 ， 此光量子的波長(zhǎng)即為短波限此光量子的波長(zhǎng)即為短波限swlswl 絕大多數(shù)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子經(jīng)過(guò)多次碰撞消耗其能量，絕大多數(shù)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子經(jīng)過(guò)多次碰撞消耗其能量，每次碰撞產(chǎn)生一個(gè)光量子，故其能量均小于短波限，而產(chǎn)每次碰撞產(chǎn)生一個(gè)光量子，故其能量均小于短波限，而產(chǎn)生的波長(zhǎng)大于生的波長(zhǎng)大于swlswl的不同波長(zhǎng)的輻射，構(gòu)成連續(xù)譜。的不同波長(zhǎng)

17、的輻射，構(gòu)成連續(xù)譜。二二. 特征特征X射線譜射線譜v當(dāng)加于當(dāng)加于X射線管兩端的電壓增高到陽(yáng)極靶材相應(yīng)的某一特定射線管兩端的電壓增高到陽(yáng)極靶材相應(yīng)的某一特定值值UkUk時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定的波長(zhǎng)位置上，會(huì)出現(xiàn)一些列時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定的波長(zhǎng)位置上，會(huì)出現(xiàn)一些列強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄的線狀光譜，它們的波長(zhǎng)對(duì)一定材強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄的線狀光譜，它們的波長(zhǎng)對(duì)一定材料的陽(yáng)極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長(zhǎng)可以作為陽(yáng)極靶材的料的陽(yáng)極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長(zhǎng)可以作為陽(yáng)極靶材的標(biāo)志或特征，故稱(chēng)為特征譜或標(biāo)識(shí)譜。標(biāo)志或特征，故稱(chēng)為特征譜或標(biāo)識(shí)譜。v特征譜的波長(zhǎng)不受管電壓、管電流的特征譜的波長(zhǎng)不受管電壓、管電

18、流的 影響，只取決于陽(yáng)極靶材元素的原子序。影響，只取決于陽(yáng)極靶材元素的原子序。特征譜特征譜v布拉格（布拉格（W.H.Bragg)發(fā)現(xiàn)了特征譜。發(fā)現(xiàn)了特征譜。v莫塞萊（莫塞萊（H.G.J.Moseley)對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出莫塞對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出莫塞萊定律：萊定律： 式中，式中，K K2 2和和都是常數(shù)。該定律表明：陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)都是常數(shù)。該定律表明：陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)越大，相應(yīng)的同一系的特征譜波長(zhǎng)越短。越大，相應(yīng)的同一系的特征譜波長(zhǎng)越短。v依據(jù)經(jīng)典原子模型，各層上電子能量的表達(dá)式：依據(jù)經(jīng)典原子模型，各層上電子能量的表達(dá)式： EnEn為主量子數(shù)為為主量子數(shù)為n n的殼層上電子的

19、能量；的殼層上電子的能量；n n為主量子數(shù)。為主量子數(shù)。 量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋特征譜：量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋特征譜：v當(dāng)沖向陽(yáng)極靶的電子將內(nèi)層電子擊出成為自由電子，原子處當(dāng)沖向陽(yáng)極靶的電子將內(nèi)層電子擊出成為自由電子，原子處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡。vK K層出現(xiàn)空位，原子處于層出現(xiàn)空位，原子處于K K激發(fā)態(tài)，若激發(fā)態(tài)，若L L層電子躍遷到層電子躍遷到K K層，原層，原子轉(zhuǎn)變到子轉(zhuǎn)變到L L激發(fā)態(tài)，其能量差以激發(fā)態(tài)，其能量差以X X射線光量子的形式輻射出來(lái)，射線光量子的形式輻射出來(lái)，這就是特征這就是特征X X射線。射線。vL L層電子躍遷到層電子躍遷到K K層

20、，發(fā)射層，發(fā)射K K射線。射線。 L L層存在亞能級(jí)，不同亞能級(jí)上的電子躍遷到層存在亞能級(jí)，不同亞能級(jí)上的電子躍遷到K K層，所輻射的層，所輻射的能量小有差別而形成波長(zhǎng)較短的能量小有差別而形成波長(zhǎng)較短的K K1 1譜線和波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的譜線和波長(zhǎng)稍長(zhǎng)的K K2 2譜譜線。線。 若若M M層電子躍遷到層電子躍遷到K K層，則輻射波長(zhǎng)更短的層，則輻射波長(zhǎng)更短的K K譜線。譜線。特征譜發(fā)射過(guò)程示意圖特征譜發(fā)射過(guò)程示意圖v所輻射的特征頻譜頻率計(jì)算公式： 若n2=1(即K層），n12（即L層），發(fā)射的K K譜波長(zhǎng)譜波長(zhǎng)k k為：為：式中，式中，wn1n1、wn2n2分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)的能量。分別為電

21、子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)的能量。v進(jìn)一步得到：進(jìn)一步得到：vK激發(fā)態(tài)下，激發(fā)態(tài)下，L層電子向?qū)与娮酉騅層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于M層躍遷的幾層躍遷的幾率，所以率，所以K K譜線的強(qiáng)度約為譜線的強(qiáng)度約為K K譜線的譜線的5 5倍。倍。vL L層內(nèi)不同亞能級(jí)電子向?qū)觾?nèi)不同亞能級(jí)電子向K K層躍遷所發(fā)射的層躍遷所發(fā)射的K K1 1譜線和譜線和K K2 2譜線譜線的關(guān)系是：的關(guān)系是： （I表示輻射強(qiáng)度）。表示輻射強(qiáng)度）。v特征譜的強(qiáng)度隨管電壓（特征譜的強(qiáng)度隨管電壓（U）和管電流（）和管電流（i）的提高而增大，）的提高而增大，其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式為：其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式為： 式中，式中，K K3 3為常數(shù)

22、，為常數(shù)，U Un n為特征譜的激發(fā)電壓，對(duì)于為特征譜的激發(fā)電壓，對(duì)于K K系，系，U Un nU Uk k；m m為常數(shù)（為常數(shù)（K K系系m m1.5,L1.5,L系系m m2 2）。）。v多晶材料的衍射分析中總是希望應(yīng)用以特征譜為主的單色光多晶材料的衍射分析中總是希望應(yīng)用以特征譜為主的單色光源，即盡可能高的源，即盡可能高的I I特特/I/I連連。v當(dāng)當(dāng)U/UU/Uk k4 4時(shí)，時(shí)， I I特特/I/I連連獲最大值獲最大值。vX X射線管適宜的工作電壓射線管適宜的工作電壓U U（3 35 5）U Uk k。靶靶材材ZK系列特征譜波長(zhǎng)系列特征譜波長(zhǎng)/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1n

23、mUK/kVU適宜適宜/kVK 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4

24、45055表表1-1 幾種陽(yáng)極靶材及其特征譜參數(shù)幾種陽(yáng)極靶材及其特征譜參數(shù)注：注： K = ( 2 K 1+ K 2 ) / 3第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用vX射線與物質(zhì)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是射線與物質(zhì)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是X射線應(yīng)用射線應(yīng)用的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。v德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)，就觀察到它的穿透力，可射線時(shí)，就觀察到它的穿透力，可使熒光物質(zhì)發(fā)光，可使氣體或其它物質(zhì)電離等。使熒光物質(zhì)發(fā)光，可使氣體或其它物質(zhì)電離等。v入射到物質(zhì)的入射到物質(zhì)的X射線分為穿透，散射和吸收。射線分為穿透，散射和吸收。一.X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)X射線通過(guò)物質(zhì)后的衰射線通

25、過(guò)物質(zhì)后的衰減減X X射線通過(guò)深度為射線通過(guò)深度為x x處的處的dxdx厚厚度物質(zhì)其強(qiáng)度的衰減度物質(zhì)其強(qiáng)度的衰減dIx/dx dIx/dx 成正比成正比 l l為常數(shù)，成為吸收系數(shù)。為常數(shù)，成為吸收系數(shù)。經(jīng)過(guò)積分得（積分限經(jīng)過(guò)積分得（積分限0 0t t）：）：稱(chēng)透射系數(shù)。稱(chēng)透射系數(shù)。v線吸收系數(shù)線吸收系數(shù) l l表明物質(zhì)對(duì)表明物質(zhì)對(duì)X X射線的吸收特征。射線的吸收特征。v l l是是X X射線通過(guò)單位厚度（即單位體積）物質(zhì)的相對(duì)衰減量。射線通過(guò)單位厚度（即單位體積）物質(zhì)的相對(duì)衰減量。 X X射線強(qiáng)度隨投透入深度呈指數(shù)衰減。射線強(qiáng)度隨投透入深度呈指數(shù)衰減。v質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)mm，表示為，

26、表示為: : 式中，式中，為吸收體的密度。為吸收體的密度。 式中，式中，m m為單位面積厚度為單位面積厚度t t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m mt t）。）。vmm的物理意義指的物理意義指X X射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的衰減。這樣就擺脫了密度的影響，成為反應(yīng)物質(zhì)本身對(duì)的衰減。這樣就擺脫了密度的影響，成為反應(yīng)物質(zhì)本身對(duì)X X射線吸收性質(zhì)的物理量。射線吸收性質(zhì)的物理量。v質(zhì)量吸收系數(shù)取決于吸收物質(zhì)的原子序數(shù)量吸收系數(shù)取決于吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z Z和和X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng)，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為： 式中，式中，K

27、 K4 4是常數(shù)。是常數(shù)。 原子序數(shù)越大，對(duì)原子序數(shù)越大，對(duì)X X射線的吸收能力越強(qiáng)；對(duì)一定的吸收射線的吸收能力越強(qiáng)；對(duì)一定的吸收體，體，X X射線的波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)，表現(xiàn)為吸收系數(shù)下射線的波長(zhǎng)越短，穿透能力越強(qiáng)，表現(xiàn)為吸收系數(shù)下降。降。v隨波長(zhǎng)降低，隨波長(zhǎng)降低， mm在某些波長(zhǎng)位置上突然升高，出現(xiàn)吸收限。在某些波長(zhǎng)位置上突然升高，出現(xiàn)吸收限。 質(zhì)量吸收系數(shù)隨入射質(zhì)量吸收系數(shù)隨入射波長(zhǎng)的變化波長(zhǎng)的變化二.X射線的真吸收v光電效應(yīng)解釋吸收系數(shù)突變的現(xiàn)象。光電效應(yīng)解釋吸收系數(shù)突變的現(xiàn)象。v當(dāng)入射光量子的能能量等于或略但與吸收體原子某殼層電子當(dāng)入射光量子的能能量等于或略但與吸收體原子某殼層電子

28、的結(jié)合能（即該層電子激發(fā)態(tài)能量）時(shí)，此光量子很容易被的結(jié)合能（即該層電子激發(fā)態(tài)能量）時(shí)，此光量子很容易被電子吸收，成為自由電子，稱(chēng)為光電子，原子則處于相應(yīng)的電子吸收，成為自由電子，稱(chēng)為光電子，原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現(xiàn)象即光電效應(yīng)。激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現(xiàn)象即光電效應(yīng)。v此效應(yīng)消耗大量的入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對(duì)應(yīng)的此效應(yīng)消耗大量的入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對(duì)應(yīng)的入射波長(zhǎng)即為吸收限。入射波長(zhǎng)即為吸收限。vK層電子變成自由電子需要的能量時(shí)層電子變成自由電子需要的能量時(shí)WkWk，即引起激發(fā)態(tài)的入，即引起激發(fā)態(tài)的入射光量子能量須達(dá)到此值。射光量子能量須達(dá)到

29、此值。式中，式中，k k和和k k分別為分別為K K吸收限的頻率和波長(zhǎng)。吸收限的頻率和波長(zhǎng)。v對(duì)于同一元素對(duì)于同一元素,X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系：射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系：v入射入射X射線所激發(fā)出來(lái)的特征射線所激發(fā)出來(lái)的特征X射線稱(chēng)為熒光輻射（熒光射線稱(chēng)為熒光輻射（熒光X射射線，二次線，二次X射線）。用來(lái)進(jìn)行較重元素的成分分析。射線）。用來(lái)進(jìn)行較重元素的成分分析。vK層電子被入射光量子擊出后，層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空層填補(bǔ)空位，另一個(gè)位，另一個(gè)L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個(gè)層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個(gè)K層層空位被兩個(gè)空位被兩個(gè)L層

30、空位替代的過(guò)程稱(chēng)為俄歇效應(yīng)。躍出的層空位替代的過(guò)程稱(chēng)為俄歇效應(yīng)。躍出的L層層電子稱(chēng)為俄歇電子。用來(lái)進(jìn)行表層輕元素的分析。電子稱(chēng)為俄歇電子。用來(lái)進(jìn)行表層輕元素的分析。v光電效應(yīng)所造成的入射能量消耗和光電效應(yīng)所造成的入射能量消耗和X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)所引起射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)所引起的熱效應(yīng)，稱(chēng)為真吸收。的熱效應(yīng)，稱(chēng)為真吸收。光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過(guò)程示意圖歇效應(yīng)過(guò)程示意圖 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用v可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的K K 和和K K 波長(zhǎng)之間，且盡可能靠近波長(zhǎng)之間，且盡可能靠近K K 線波長(zhǎng)。把這種材

31、料制成薄線波長(zhǎng)。把這種材料制成薄片片濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收K K 線，而對(duì)線，而對(duì) K K 線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射。線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射。這種材料這種材料的的K K吸收限介于光源的吸收限介于光源的K K 和和K K 之間。之間。濾波片原理示意圖濾波片原理示意圖濾波片原子序數(shù)比靶元素的原子序數(shù)小濾波片原子序數(shù)比靶元素的原子序數(shù)小12。在衍射分析時(shí)，希望試樣對(duì)在衍射分析時(shí)，希望試樣對(duì) X射線的吸收盡可能少，以獲得射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。靶的高的衍射強(qiáng)度和低的背底。靶的K 譜譜( T )略大

32、于或遠(yuǎn)小于試略大于或遠(yuǎn)小于試樣的樣的 K X射線管靶材的選擇射線管靶材的選擇三.X射線的散射vX X射線穿過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，強(qiáng)度衰減主要是由于真吸射線穿過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，強(qiáng)度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)。收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)。v強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來(lái)的入射方向，即散射。強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來(lái)的入射方向，即散射。vX X射線的射線的散射散射包括：與包括：與原波長(zhǎng)相同的相干散射和與原波長(zhǎng)不原波長(zhǎng)相同的相干散射和與原波長(zhǎng)不同的不相干散射。同的不相干散射。1.相干散射相干散射 當(dāng)入射當(dāng)入射 X射線與受射線與受原子核束縛較緊的電子原子核束縛較緊的電子相遇，使

33、電子在相遇，使電子在X射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，像四周輻射與入射射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，像四周輻射與入射X射射線波長(zhǎng)相同的輻射。線波長(zhǎng)相同的輻射。 因各電子散射的因各電子散射的X射線波長(zhǎng)相同，有可能相互干涉，因此射線波長(zhǎng)相同，有可能相互干涉，因此稱(chēng)稱(chēng)相干散射相干散射，亦稱(chēng)經(jīng)典散射。，亦稱(chēng)經(jīng)典散射。 物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X射線的散射可以認(rèn)為射線的散射可以認(rèn)為只是電子的散射。只是電子的散射。 相干散射波僅占入射能量的極小部分。相干散射波僅占入射能量的極小部分。 相干散射是相干散射是 X 射線衍射分析的基礎(chǔ)。射線衍射分析的基礎(chǔ)。vX X 射線是非偏振光，電子在空間射線是非偏振光，電子在空間P P點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度 式中，式中，I I0 0為入射線強(qiáng)度；為入射線強(qiáng)度；IeIe為為一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度；一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度；R R 為電子到空間