第一章 X射線物理基礎(chǔ)

X射線衍射分析

譚紅琳1、X射線物理基礎(chǔ)2、X射線運(yùn)動(dòng)學(xué)衍射原理3、多晶體的X射線衍射分析4、X射線衍射方法的實(shí)際應(yīng)用5、宏觀應(yīng)力測(cè)定第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)材料：你們最關(guān)心的是什么？

性能：你認(rèn)為與哪些因素有關(guān)？

結(jié)構(gòu)：有哪些檢測(cè)分析技術(shù)？緒論第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的性質(zhì)、材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如果你有一雙X射線的眼睛，就能把物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)看個(gè)清清楚楚明明白白！X射線衍射將會(huì)有助于你探究為何成份相同的材料，其性能有時(shí)會(huì)差異極大.X射線衍射將會(huì)有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容提要：第一節(jié)X射線的性質(zhì)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生第三節(jié)X射線譜第四節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)X射線的衰減規(guī)律第六節(jié)吸收限的應(yīng)用第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)引言—X射線學(xué)的發(fā)展及分支

①

1895年德國(guó)物理學(xué)家“倫琴”發(fā)現(xiàn)X射線。1901年，倫琴獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后建立了“X射線透射學(xué)”，最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，后應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損探傷。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)②1912年，德國(guó)物理學(xué)家“勞?！卑l(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。（兩方面意義：肯定了X射線的本質(zhì)；證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)的猜想。）獲1914年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)獲1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后發(fā)展了X射線學(xué)的另一分支：“X射線衍射學(xué)”（或“X射線晶體學(xué)”）。1913年，英國(guó)物理學(xué)家“布拉格”父子提出了著名的布拉格方程，是X射線的衍射學(xué)的理論基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③1914年，莫塞萊發(fā)現(xiàn)不同元素的同名特征X譜線的波長(zhǎng)和原子序數(shù)有定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)展了第三個(gè)分支“X射線光譜學(xué)”。（即根據(jù)X射線光譜，研究物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和成分。）第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、衍射分析技術(shù)的發(fā)展與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線學(xué)的分支X射線透射學(xué)X射線衍射學(xué)X射線光譜學(xué)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)X射線的性質(zhì)

X射線的波長(zhǎng)范圍：10-3～10nm。一、X射線的性質(zhì)①

不可見(jiàn)，但它能使一些氣體或其他物質(zhì)電離，使照相底片感光，使熒光物質(zhì)發(fā)光。②

穿透性強(qiáng)，并可被物質(zhì)吸收和散射。軟X射線:波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。

常用于金屬零件的探傷和醫(yī)學(xué)上的透視分析。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③折射率≈1X射線穿過(guò)不同媒質(zhì)時(shí)，呈直線傳播，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此不能用常規(guī)方法使X射線會(huì)聚或發(fā)散。④

對(duì)生物細(xì)胞有很強(qiáng)的殺傷作用。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線的本質(zhì)1、X射線的本質(zhì)也是電磁波，即也是一種無(wú)靜止質(zhì)量并以光速運(yùn)動(dòng)的光子。

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、X射線的波粒二象性波動(dòng)性的表現(xiàn)：以一定的頻率和波長(zhǎng)在空間傳播，例如以晶體作衍射光柵時(shí)觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象；描述波動(dòng)性的物理量：頻率ν、波長(zhǎng)λ粒子性的表現(xiàn)：以光子形式輻射和吸收時(shí)具有一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量，如光電效應(yīng)等。描述粒子性的物理量：能量E、動(dòng)量P表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)波動(dòng)性和粒子性之間存在下述關(guān)系：0.05~0.25nm范圍適于

結(jié)構(gòu)分析0.005~0.1nm范圍適于

探傷分析式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34

J.s;c——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)習(xí)題：1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71A（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生一、X射線產(chǎn)生原理實(shí)驗(yàn)證明：高速運(yùn)動(dòng)的帶電的基本粒子突然受阻時(shí)，隨著能量的消失和轉(zhuǎn)化，就會(huì)產(chǎn)生X射線。實(shí)際用于獲得X射線的帶電粒子是電子。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)電子式X射線管產(chǎn)生X射線的條件：(1)

產(chǎn)生電子的電子源；燈絲+高真空(2)

使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)；高電壓(3)

在高速電子流的運(yùn)動(dòng)路徑上設(shè)置障礙物，使電子突然受阻。陽(yáng)極靶(4)

封閉在高真空中，真空度高于10-3Pa。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線管1、封閉電子式X射線管的結(jié)構(gòu)封閉電子式X射線管與其結(jié)構(gòu)示意圖第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(1)

陰極：鎢絲；加熱鎢絲發(fā)射熱電子；(2)

陽(yáng)極/靶：使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。不同的靶面材料用于獲得不同波長(zhǎng)的X射線。

(3)

陰極和陽(yáng)極之間的高壓使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)；(4)

陰、陽(yáng)極都密封在高真空管中，真空度>10-3Pa。其他組成部分：金屬聚焦罩、冷卻水、鈹窗口。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)高速運(yùn)動(dòng)的電子與物質(zhì)碰撞時(shí)被突然減速或停止運(yùn)動(dòng)，其大部分動(dòng)能（~99%）轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁刮矬w升溫，而一小部分動(dòng)能（~1%）則轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芤訶射線形式向外界釋放。封閉電子式X射線管的功率有限，為500～3000W。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極

大功率X射線源需要用旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極。因陽(yáng)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(huì)燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極。

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)X射線譜X射線譜：X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線。X射線的強(qiáng)度X射線的強(qiáng)度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)，通過(guò)與X射線傳播方向垂直的單位面積上的X射線光量子的能量總和。用I表示。常用單位：J/cm2·s。強(qiáng)度為光子流密度和每個(gè)光子的能量的乘積。(光子流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位截面的光量子數(shù)目。)即X射線的強(qiáng)度（I）是由光量子的能量（hν）及它的數(shù)目（n）決定，I=nhν。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)由熱陰極X射線管發(fā)出的X射線分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線譜；(2)特征X射線譜（又稱標(biāo)識(shí)X射線譜）。它們對(duì)應(yīng)兩種X射線輻射的物理過(guò)程。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、連續(xù)X射線譜1、定義X射線譜中，強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的部分，稱為連續(xù)X射線譜，簡(jiǎn)稱連續(xù)譜。2、連續(xù)譜的特點(diǎn)①不同管壓下，連續(xù)譜在短波方向都有一個(gè)突然截止的波長(zhǎng)極限值，稱為短波限，用λ0表示。②X射線波長(zhǎng)由大于λ0的所有輻射組成；③強(qiáng)度存在一最大值（約1.5λ0處，用λm表示）。④對(duì)同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、連續(xù)X射線譜的解釋①連續(xù)譜的產(chǎn)生量子理論：當(dāng)能量為eV的電子與靶的原子整體碰撞時(shí)，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(gè)能量為hv的光子。由于大量電子射到陽(yáng)極上的時(shí)間和條件不盡相同，僅有一少部分電子能產(chǎn)生極限能量交換，絕大多數(shù)電子經(jīng)多次碰撞完成能量交換，而輻射出波長(zhǎng)大于λ0

的不同波長(zhǎng)的X射線，形成連續(xù)譜。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生機(jī)理能量為eV的電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線譜的總強(qiáng)度（能量）λλIIi1i2i3管流i3>i2>

i1MoAgW不同陽(yáng)極第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)管電壓和靶材一定，提高管電流，各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度都提高，但λmin和λmax不變管電流和靶材一定，提高管電壓，各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度都提高，λmin和λmax減小管電壓和管電流一定，靶材的原子序數(shù)z越高，連續(xù)譜強(qiáng)度越高，但λmin和λmax相同影響因素第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)②短波限極限情況下，能量為eV的電子在一次碰撞中將其在電場(chǎng)中加速得到的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)給一個(gè)光子，則此光子的能量最大，波長(zhǎng)最短，相當(dāng)于短波限λ0的X射線。表明：λ0只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響；隨管電壓增加，λ0向短波方向移動(dòng)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③強(qiáng)度最大值位于1.5λ0附近X射線強(qiáng)度由每個(gè)光子的能量hv和單位時(shí)間通過(guò)單位面積的光子數(shù)目n兩個(gè)因素決定,即I=nhv。在碰撞過(guò)程中，能產(chǎn)生極限能量交換的電子僅占一少部分，而其他大量電子會(huì)產(chǎn)生多次碰撞完成能量交換，因此雖然短波限對(duì)應(yīng)的光子能量最大，但光子數(shù)目不多，故強(qiáng)度的極大值不在λ0處，而位于1.5λ0附近。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)④對(duì)同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。U管升高，各輻射強(qiáng)度升高，λ0和λmax

（最大輻射時(shí)的波長(zhǎng)）均減??；解釋：當(dāng)加大管壓時(shí)，擊靶電子的動(dòng)能、電子與靶材原子的碰撞次數(shù)和輻射出來(lái)的X射線光子的能量都會(huì)增加，因此隨管壓的增加，各波長(zhǎng)X射線的強(qiáng)度均增加。管電壓不變時(shí)，隨管電流的升高，各輻射強(qiáng)度均升高，但λ0和λmax保持不變。不同的靶面物質(zhì)發(fā)射的連續(xù)譜具有相似的特征第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、特征X射線譜1、定義當(dāng)U管超過(guò)某臨界值后，疊加在連續(xù)譜上的強(qiáng)度很高且具有一定波長(zhǎng)的X射線譜，稱為特征X射線譜，簡(jiǎn)稱特征譜。如鉬靶X射線管，當(dāng)管電壓等于或高于20kV時(shí)，則除連續(xù)譜外，位于一定波長(zhǎng)處（0.063nm和0.071nm）,疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、特點(diǎn)①產(chǎn)生特征X射線的條件：管電壓超過(guò)與靶材相應(yīng)的某一特定值UK；②對(duì)一定的靶材，特征X射線波長(zhǎng)為一定值。③λKα>λKβ,且同一元素對(duì)應(yīng)譜線的強(qiáng)度比大約為5：1。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、對(duì)特征譜的解釋①特征譜的產(chǎn)生以及特征X射線波長(zhǎng)為一定值的原因從原子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)解釋。原子系統(tǒng)中的電子不連續(xù)地分布在K、L、M、N…等不同能級(jí)的殼層上，各殼層的能量由里到外逐漸增加：EK<EL<EM…。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線的命名：同一輻射線系還有區(qū)別。對(duì)跨越1、2、3個(gè)能級(jí)所引起的輻射分別以下角標(biāo)α、β、γ等表示。例如：Kα、Kβ譜線；Lα、Lβ譜線。K系激發(fā)：K層電子被擊出的過(guò)程叫K系激發(fā)，隨之的電子躍遷所引起的輻射叫K系輻射（輻射出特征X射線）。依此類推，有L系激發(fā)、L系輻射等。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系激發(fā)機(jī)理K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)高能電子撞擊陽(yáng)極靶時(shí)，會(huì)將陽(yáng)極物質(zhì)原子中K層電子撞出電子殼層，在K殼層中形成空位，原子系統(tǒng)能量升高，使體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，按能量最低原理，L、M、N一層中的電子會(huì)躍入K層的空位，為保持體系能量平衡，在躍遷的同時(shí)，這些電子會(huì)將多余的能量以X射線光量子的形式釋放。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系標(biāo)識(shí)X射線：對(duì)于從L，M，N…殼層中的電子躍入K殼層空位時(shí)所釋放的X射線，分別稱之為K

、

K

、

K…譜線，共同構(gòu)成K系標(biāo)識(shí)X射線。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)Kα和KβIβ:Iα=1:5IKα1:IKα2=2:1λKα=1/3(2λKα1+λKα2)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)例如，產(chǎn)生K輻射時(shí)，特征X射線光子的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差：輻射的能量為多少？物質(zhì)一定，輻射出的X射線波長(zhǎng)一定，代表了該元素的特征，故稱之為特征X射線。特征X射線的波長(zhǎng)僅與靶材的原子序數(shù)有關(guān)；改變管電壓、管電流，只改變特征X射線的強(qiáng)度而波長(zhǎng)不變。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

②激發(fā)電壓激發(fā)電壓—激發(fā)靶材輻射出某特征X射線所需的管電壓的臨界值，稱為該靶面物質(zhì)的該系激發(fā)電壓。按被激發(fā)系列標(biāo)以UK、UL、

UM

…等。UK＞UL＞UM…；解釋：以K系輻射為例：欲擊出靶材原子內(nèi)層電子，比如K層電子，必須滿足：臨界條件：第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)越大，同一輻射的激發(fā)電壓越高！適宜工作電壓第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③，且K系特征X射線一般由Kα、Kβ二譜線構(gòu)成。Kα輻射是由L→K層電子躍遷產(chǎn)生，Kβ輻射是由M→K層電子躍遷產(chǎn)生，后者兩能級(jí)之差大于前者，故

；特征X射線強(qiáng)度還與光子的數(shù)目有關(guān)，根據(jù)量子躍遷幾率，相鄰電子殼層躍遷幾率(L→K層躍遷)大于非相鄰電子殼層躍遷幾率(M→K躍遷),且前者比后者大五倍左右，故

。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

K系特征X射線中Kα是由Kα1和Kα2雙線組成。有：λKα2＞λKα1＞λKβ第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)4、莫塞萊定律特征X射線譜的波長(zhǎng)（或頻率）是物質(zhì)的固有特性。莫塞萊定律——特征譜波長(zhǎng)和陽(yáng)極靶原子序數(shù)Z之間的關(guān)系：

式中，K和都是常數(shù)。隨譜線的系別和線號(hào)而異。用途：是X射線光譜分析的基本依據(jù)。即將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的未知元素的特征X射線譜線波長(zhǎng)，與已知元素的波長(zhǎng)相比較，就可以確定它是何元素。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)靶材料特征X射線波長(zhǎng)元素序數(shù)KKCr242.29072.0849Fe261.93731.7566Ni281.65921.5001Cu291.54181.3922Mo420.71070.6323W740.21060.1844

特征X射線波長(zhǎng)與靶材料原子序數(shù)有關(guān)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線主要用于：1）物質(zhì)結(jié)構(gòu)：確定物質(zhì)內(nèi)部原子的分布情況；2）相分析：研究單相或多相物質(zhì)的相構(gòu)成；3）微觀組織特征：如晶粒尺寸、宏微觀應(yīng)力等；4）確定物質(zhì)：通過(guò)測(cè)定特征X射線波長(zhǎng)，可確定物質(zhì)的原子序數(shù)；5）X射線熒光化學(xué)成分分析、電子探針成分分析的基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線譜小結(jié)產(chǎn)生機(jī)理譜圖特征與衍射分析的關(guān)系連續(xù)譜高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子能量轉(zhuǎn)換成的電磁波強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化形成衍射分析的背底;特征譜高能級(jí)電子回跳到低能級(jí)時(shí),多余能量轉(zhuǎn)換成的電磁波僅在特定波長(zhǎng)處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析采用第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)習(xí)題1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71?（Mo-Kα）和1.54?（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？（光速c=2.998*108m/s;h=6.626*10-34J.s）2.試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？(電子電荷e=1.6*10-19C；電子靜止質(zhì)量m=9.109*10-31kg)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它的能量可分為三部分：

(1)一部分被散射;(2)一部分被吸收;(3)一部分透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)的方向傳播。透過(guò)物質(zhì)后的X射線束由于散射和吸收的影響，強(qiáng)度被衰減，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的散射入射X射線與物質(zhì)作用，使一部分X射線穿過(guò)物質(zhì)后偏離原來(lái)的入射方向，即發(fā)生了X射線的散射。兩種散射現(xiàn)象：第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、相干散射(彈性散射、經(jīng)典散射)相干散射：散射線與入射線的波長(zhǎng)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，這種散射稱為相干散射。經(jīng)典物理學(xué)理論解釋：入射X射線光子與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子(如原子內(nèi)層電子)發(fā)生碰撞，入射光子的能量不足以使電子擺脫原子核的束縛，但電子在入射X射線交變電場(chǎng)作用下產(chǎn)生與入射波頻率相同的受迫振動(dòng)，向周圍輻射與入射X射線波長(zhǎng)相同的電磁波；第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)發(fā)生上述散射時(shí)，光子的方向改變了，但能量幾乎沒(méi)有損失，散射線波長(zhǎng)與入射波相同，有可能相互干涉。晶體中的原子，在入射X射線的作用下都產(chǎn)生這種散射，且原子的規(guī)則排列使散射線之間有確定的相位關(guān)系，于是在空間形成了相干散射。相干散射的意義：相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、非相干散射（康普頓散射、非彈性散射）

在偏離原射束方向上，不僅有與原射線波長(zhǎng)相同的相干散射波，還有波長(zhǎng)變長(zhǎng)的的非相干散射波。非相干散射：散射X射線的波長(zhǎng)隨散射方向不同而改變，分布于各個(gè)方向的散射線，波長(zhǎng)各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這種散射稱為非相干散射。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)量子理論解釋：X射線光子與原子中受核束縛較弱的電子或自由電子發(fā)生碰撞時(shí)，X射線光子把部分能量給予電子，使其動(dòng)量提高，成為反沖電子，而X射線朝著散射角為α的方向被散射，且能量減少，即波長(zhǎng)變長(zhǎng)。

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)上式表明：①非相干散射波長(zhǎng)的變化與入射波長(zhǎng)和原子序數(shù)無(wú)關(guān)，只隨散射角而變化；②不同方向上散射線波長(zhǎng)各不相同，這種散射線位相與入射線無(wú)確定關(guān)系。非相干散射的結(jié)果:散射線之間不能發(fā)生干涉作用，在衍射花樣中形成背底。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一般來(lái)說(shuō)，在一定的激發(fā)能量下，當(dāng)樣品或散射體的原子序數(shù)比較小時(shí)，非相干散射較明顯；當(dāng)樣品或散射體的原子序數(shù)較大時(shí)，相干散射會(huì)增強(qiáng)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線的吸收

X射線的吸收：指X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其能量被轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，X射線的強(qiáng)度隨之衰減。物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是物質(zhì)對(duì)入射X射線產(chǎn)生的熱效應(yīng)、光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量分別轉(zhuǎn)變成熱量、光電子、熒光X射線和俄歇電子的能量，從而使X射線強(qiáng)度被衰減。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、光電效應(yīng)X射線與物質(zhì)相互作用可以看作是X射線光子和物質(zhì)中的原子相互碰撞。當(dāng)一個(gè)具有足夠能量的X射線光子從原子內(nèi)部擊出一個(gè)K層電子時(shí)，同樣也會(huì)發(fā)生象電子激發(fā)原子時(shí)類似的輻射過(guò)程。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)：由X射線光子激發(fā)原子所發(fā)生的輻射過(guò)程，稱為光電效應(yīng)；光電子：光電效應(yīng)中，被X射線光子擊出的電子稱為光電子；（光電子具有元素的特征能量，是X射線光電子能譜儀的檢測(cè)信號(hào)）熒光X射線：由入射X射線激發(fā)原子所輻射出的次級(jí)特征X射線稱熒光X射線(或二次特征X射線)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：

欲激發(fā)原子產(chǎn)生K、L、M等線系的熒光輻射，入射X射線光量子的能量hν必須等于或略大于K、L、M層電子的結(jié)合能EK、EL、EM。如產(chǎn)生K系熒光輻射，入射光子的波長(zhǎng)等于或略小于λK（或頻率等于或略大于νK）。λK—激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生K系熒光輻射，入射X射線須具有的臨界波長(zhǎng)值，稱為激發(fā)限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一旦產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射X射線光子能量被大量吸收，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增。熒光X射線在不同分析方法中的作用：①在X射線衍射分析中，X射線熒光輻射是有害的，它增加衍射花樣的背底；②在元素分析中，它又是X射線熒光分析的基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)：原子的內(nèi)層電子被激發(fā)后，隨之發(fā)生的一個(gè)空位被兩個(gè)空位所代替的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。俄歇效應(yīng)是一種無(wú)輻射的躍遷過(guò)程。電子躍遷釋放的能量被電子吸收而激發(fā)出原子的電子稱為俄歇電子（Auger電子）。如KLL俄歇電子。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)俄歇電子的特點(diǎn)：①具有元素的特征能量。俄歇電子的能量能反映電子所屬原子和原子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征，所以，可以利用俄歇電子能譜作樣品的成分分析。俄歇電子是俄歇電子能譜儀的檢測(cè)信號(hào)。②俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，平均自由程短，因此，檢測(cè)到的俄歇電子只來(lái)源于表面2～3個(gè)原子層。用途：俄歇電子能譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具之一。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量(如XPS)熒光X射線高能級(jí)的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出。這個(gè)二次X射線就是熒光X射線（也稱熒光輻射），帶有殼層的特征能量。俄歇電子高能級(jí)的電子回跳,多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子激發(fā)出去,這個(gè)被激發(fā)出去的電子就是俄歇電子，同樣帶有殼層的特征能量第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)散射和吸收的比較散射散射無(wú)能量損失或損失相對(duì)較小相干散射是X射線衍射基礎(chǔ),只有相干散射才能產(chǎn)生衍射。散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換,多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行,從而帶有殼層的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具還可以在分析成分的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)X射線的衰減規(guī)律

一、X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律與線吸收系數(shù)1、透射X射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律透射X射線的強(qiáng)度第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)上式中，μ稱為物質(zhì)的線吸收系數(shù)（或線衰減系數(shù)），單位為cm-1。2、線吸收系數(shù)μ的物理意義：μ＝－1n（IH/I0）/H，表示沿穿越方向上，厚度為1cm的物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的吸收程度。特點(diǎn)：①對(duì)于一定波長(zhǎng)和一定狀態(tài)下的物質(zhì)，μ為常數(shù)。②μ與物質(zhì)的密度ρ成正比，即與物質(zhì)的物理狀態(tài)有關(guān)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、

質(zhì)量吸收系數(shù)1、質(zhì)量吸收系數(shù)μm＝μ/ρ，稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，單位為cm2／g。

μm的物理意義：表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線的衰減程度。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)μm的特點(diǎn)：①對(duì)一定波長(zhǎng)的X射線和一定的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，μm為固定值。②μm與物質(zhì)的物理狀態(tài)無(wú)關(guān)。即與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)、粉末、塊樣、化合物、混合物等均無(wú)關(guān)。2、復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)ωi、μmi分別為各組元的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和質(zhì)量吸收系數(shù)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、μm與波長(zhǎng)λ和原子序數(shù)Z的關(guān)系一般X射線強(qiáng)度減弱主要由吸收作用造成，而散射作用極小。物質(zhì)對(duì)X射線的吸收可以近似用質(zhì)量吸收系數(shù)μm的大小來(lái)表示。μm與λ和Z存在如下函數(shù)關(guān)系：系數(shù)K在兩個(gè)吸收限之間為常數(shù)，不同吸收限之間的K值不同，且每一元素都有一組K。公式討論：①物質(zhì)的原子序越大，對(duì)x射線的吸收能力越強(qiáng)；②對(duì)一定的吸收體，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)μm的下降。但隨波長(zhǎng)的降低，在某些波長(zhǎng)位置上出現(xiàn)吸收限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)4、吸收限μm～λ關(guān)系曲線：當(dāng)波長(zhǎng)減小到某幾個(gè)值時(shí)，μm驟增，將曲線分割為幾個(gè)明顯不同的連續(xù)部分。吸收限：在μm～λ關(guān)系曲線中，質(zhì)量吸收系數(shù)隨著入射X射線波長(zhǎng)的變化產(chǎn)生突變，突變處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為吸收限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)為什么存在吸收限？入射光子能量大于吸收體某層電子結(jié)合能時(shí)，很容易被電子吸收，內(nèi)層電子溢出而產(chǎn)生光電效應(yīng)。此效應(yīng)消耗大量能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突變。如存在λK、λL等

。λK值決定于吸收物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。不同元素的吸收限值不同。原子序數(shù)愈大，同名吸收限波長(zhǎng)值愈短。對(duì)同一物質(zhì)而言，第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)利用陽(yáng)極靶材的吸收限（激發(fā)限）λK，可以計(jì)算的靶材的激發(fā)電壓UK：式中，UK以V為單位。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第六節(jié)吸收限的應(yīng)用

吸收限的應(yīng)用主要有兩個(gè)：選濾波片和選靶材。一、選濾波片

1、濾波片的作用在一些衍射分析工作中，我們需要盡可能接近單色的X射線。獲得單色X射線的方法之一是濾波，即在混合X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，簡(jiǎn)便地將Kβ和連續(xù)X射線衰減到可以忽略的程度，使X射線單色化