X光與電鏡(第一講)2-25

X光與電鏡第一篇X射線衍射晶體學(xué)材料物理與化學(xué)系田文懷聯(lián)系方式:材料測(cè)試樓303電話:62333934微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室1教材與參考書《材料分析測(cè)試技術(shù)-材料X射線衍射與電子顯微分析》周玉等編著，哈工大出版社,1998年《金屬物理研究方法》(第一分冊(cè))北京鋼鐵學(xué)院,趙伯麟主編,冶金工業(yè)出版社,1986年《金屬物理研究方法》(第二分冊(cè))北京鋼鐵學(xué)院,陳夢(mèng)謫

主編,冶金工業(yè)出版社,1986年《材料X射線衍射分析實(shí)用方法》北京科技大學(xué),李華瑞

主編,冶金工業(yè)出版社,1994年5.

《電子顯微分析使用方法》北京科技大學(xué),吳杏芳主編,冶金工業(yè)出版社,1998年微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室2第一章X射線的基本性質(zhì)（4h）§1.X射線的發(fā)現(xiàn)與研究

1.X射線的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過：放電管上蓋上黑紙，結(jié)果在數(shù)米遠(yuǎn)的涂有鉑氯化鋇的熒光屏上有發(fā)光現(xiàn)象。他又在放電管與熒光屏之間放入物體，結(jié)果在熒光屏上成像。50歲的倫琴幾周連續(xù)做實(shí)驗(yàn)，其成果在1895年12月召開的物理學(xué)、醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)上發(fā)表。這個(gè)成果轟動(dòng)了全世界，1901年獲得第一次物理學(xué)獎(jiǎng)。1895年11月，德國(guó)南部的大學(xué)教授W.C.Rontgen（倫琴）（1845~1923）研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室32.X射線的研究（1）與X射線有關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)年份諾貝爾獎(jiǎng)研究者研究題目1901物理學(xué)獎(jiǎng)W.C.RontgenX射線的發(fā)現(xiàn)1914物理學(xué)獎(jiǎng)M.VonLaueX射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1915物理學(xué)獎(jiǎng)W.H.Bragg，W.L.Bragg晶體結(jié)構(gòu)的解析1917物理學(xué)獎(jiǎng)C.C.Barkla特征X射線的發(fā)現(xiàn)1924物理學(xué)獎(jiǎng)M.SiegbahnX射線分光法的發(fā)展1927物理學(xué)獎(jiǎng)A.H.Compton非相干散射的解析1936化學(xué)獎(jiǎng)P.J.W.Debye利用X射線、電子束衍射對(duì)分子結(jié)構(gòu)的研究1946生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)H.J.Muller利用X射線對(duì)人工突然變異的發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室41962化學(xué)獎(jiǎng)M.F.Perutz

J.C.Kendrew球狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析1962生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)F.H.C.Crick，J.D.Watson，M.H.F.WilkinsDNA結(jié)構(gòu)解析1964化學(xué)獎(jiǎng)D.C.Hodglom生體物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)解析1979生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)G.N.Hounsfield,A.M.CormackX射線CT裝置的發(fā)明（核磁共振）1985化學(xué)獎(jiǎng)H.A.Hauptman,J.Karle利用直接法對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析1988化學(xué)獎(jiǎng)J.Deisenhofer,R.Huber,H.Michel光合成反應(yīng)中的結(jié)構(gòu)分析微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室5莫塞萊定律

H.G.J.Moseley(1887-1915)(莫塞萊)

1912英國(guó)Manchester大學(xué)研究生著手X射線的研究,測(cè)定了所有元素的標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)了與原子序數(shù)Z之間的關(guān)系。莫塞萊定律

解決了以原子順序列表的元素周期表的問題對(duì)N.Bohr

的原子結(jié)構(gòu)理論的形成有貢獻(xiàn)可惜1915年8月第一次世界大戰(zhàn)在志愿參加的土耳其DaDanelles海峽登陸作戰(zhàn)中戰(zhàn)死27歲諾貝爾獎(jiǎng)只給生存者與Moseley無(wú)緣微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室6微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室73.X射線衍射的用途①天文學(xué)太陽(yáng)就是一X射線源。它向宇宙發(fā)出的X射線，其中一部分每天不停地向我們地球輻射而來(lái)。更遠(yuǎn)的恒星上發(fā)射出更強(qiáng)的X射線，這個(gè)事實(shí)是由MIT麻省理工學(xué)院的B.Rossi教授等發(fā)現(xiàn)的。他們?cè)?962年把X射線探測(cè)器裝在火箭上，探測(cè)到了X射線的存在。②醫(yī)學(xué)X射線透視，透射，X射線電視，X射線CT。骨折，牙病，胃潰瘍等消化系統(tǒng)的疾病。診斷得清楚。心臟病，動(dòng)脈瘤等循環(huán)系統(tǒng)的疾病。③考古學(xué)出土文物得鑒別，走私，假冒文物的鑒別。發(fā)揮巨大作用。在航空上，火車交通上，飛機(jī)，火車的安全問題。另外：在工業(yè)上，正在運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，大型船舶，油船等。靠X射線透視來(lái)發(fā)現(xiàn)問題。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室8④材料學(xué)（尤其是金屬學(xué)上）

決定材料強(qiáng)度的因素:a)

第二相或析出相的種類、形狀、大小、分布b)宏觀應(yīng)力c)微觀應(yīng)力d)晶粒的大小與形狀e)晶體取向的錯(cuò)亂f)晶體位向的排列g(shù))晶體缺陷的種類、分布、密度h)材料的表面狀態(tài)i)化學(xué)成分及原子排列狀態(tài)j)微觀裂紋等缺陷的大小、形狀、分布k)內(nèi)部彈性能等微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室9§2.X射線的產(chǎn)生與本質(zhì)

1.X射線的產(chǎn)生

(1)X射線管

微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室10基本工作原理：高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體（陽(yáng)極靶）碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，其中0.1％的能量轉(zhuǎn)換為X射線的能量,產(chǎn)生X射線。其余的產(chǎn)生熱能使物體溫度升高。a.陰極：發(fā)射電子，由W絲制成。加熱后便能放射出熱輻射電子，在高壓（數(shù)萬(wàn)伏）的作用下，向陽(yáng)極靶撞擊。b.陽(yáng)極：使電子突然減速而發(fā)射X射線。陽(yáng)極靶材料由Cr，F(xiàn)e，Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W制成。必須冷卻。以防靶熔化。（因99.9％轉(zhuǎn)換為熱能而升溫）c.窗口：由Be（鈹）片制成，X射線由陽(yáng)極射出的地方。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室11

X射線的產(chǎn)生①連續(xù)X射線：真空中，使加速電子與靶體相撞，加速電子減速，放射連續(xù)X射線。②特征X射線：加速電子激發(fā)構(gòu)成靶體的原子，放射特征X射線。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室特征X射線連續(xù)X射線X射線的產(chǎn)生靶體

X射線12②X射線儀

由X射線管及其它電器設(shè)備組成。這些設(shè)備有：a.高壓變壓器(為X射線管提供)，b.低壓穩(wěn)壓電源(為燈絲加熱)，c.動(dòng)控制和指示裝置

③X射線的探測(cè)預(yù)防護(hù)

a.熒光屏法：X射線照射到一些熒光物質(zhì)上，可以激發(fā)出熒光。b.照相法：照相底片記錄。過量的X射線對(duì)生物體及人體細(xì)胞有傷害作用。一般用鉛屏遮蔽，鉛玻璃等。

微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室132.X射線的本質(zhì)①X射線是波長(zhǎng)為0.01～100?的電磁波，其本質(zhì)和可見光，紅外線，紫外線，γ射線以及宇宙射線等相同。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室14X射線與可見光以及其它微觀粒子（如電子，中子，質(zhì)子）一樣具有波粒二象性，即波動(dòng)與微粒的雙重特性。波動(dòng)性：表現(xiàn)為以一定的頻率和波長(zhǎng)在空間傳播。X射線的頻率ν，波長(zhǎng)λ，以及光子的能量ε，動(dòng)量p之間的關(guān)系：（1-1）h：普朗克常數(shù)，6.625×10-34J·S。c：X射線的速度，2.998×1010cm/s。（光速）微粒性：表現(xiàn)為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。物質(zhì)對(duì)X射線的折射率n近似等于1（小10-5～10-6）其偏差為

（1-2）m，e：電子的質(zhì)量，電荷；N：物質(zhì)的單位體積中的電子數(shù)c：光速，λ：X射線的波長(zhǎng)。（因折射率近于1，因此不象可見光，不能做透鏡。）微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室15§3X射線譜

1.連續(xù)X射線譜（多色X射線）（continuousspectrum）

電子與靶體相撞，受靶體中的原子核的電場(chǎng)作用，接受庫(kù)倫力的作用，電子的路徑被彎曲而速度減速。這時(shí)放射的X射線為連續(xù)X射線。

能量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，其中一部分以光子的形式輻射。由于多次輻射中各個(gè)光子的能量各不相同，因此出現(xiàn)一個(gè)連續(xù)X射線譜。最大能量或最小波長(zhǎng)λm微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室1-31-416

式中：

e：電子電荷，等于4.803×10-10靜電單位；

h：普朗克常數(shù)，6.625×10-34J·S；ν：X射線的頻率；

c：X射線的速度；λ0：波長(zhǎng)限(nm)V：電子通過時(shí)兩極的電壓降(電壓差是一個(gè)連續(xù)變化值)

i：管電流，V：管電壓，Z：靶體的原子序數(shù)，

Ki

：比例系數(shù)1.1～1.4×10-9，m約為2。1-51-6微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室17（1）連續(xù)X射線光譜電子→靶原子，產(chǎn)生連續(xù)的電磁輻射，連續(xù)的X射線光譜；成因：大量電子的能量轉(zhuǎn)換是一個(gè)隨機(jī)過程，多次碰撞；陰極發(fā)射電子方向差異，能量損失隨機(jī)；

微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室1819（2）特征X射線譜(標(biāo)識(shí))

(單色X射線)(Characteristicspectrum)

特征光譜產(chǎn)生：碰撞→躍遷↑(高)→空穴→躍遷↓(低)特征譜線的頻率：

R=1.097×107m-1,Rydberg常數(shù)；σ核外電子對(duì)核電荷的屏蔽常數(shù)；n電子殼層數(shù)；c光速；Z原子序數(shù)；不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎(chǔ)。

微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室20微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室21②特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理

原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)。按能量從小到大各層次為K、L、M、N……等。屬于同一層的各個(gè)電子，能量并不完全相同，有極小的差別。這就產(chǎn)生了各譜線的雙重線現(xiàn)象。En1，En2分別為低能級(jí)和高能級(jí)中電子的能量。Wn1，Wn2分別為激發(fā)低能級(jí)和高能級(jí)中的電子所作的功。K.L.M.N.O以n表示第n層軌道上電子的能量En為(1-7)微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室22m：電子質(zhì)量9.1095×10-31n：主量子數(shù):屏蔽系數(shù)Z：厚度序數(shù)：電子由主量子數(shù)為年n1的層上躍遷到n2的層上時(shí)，輻射出光量子的頻率。：分別為n1層和n2層電子的能量。W：電子由某個(gè)殼層移動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)所作的功。（1-8）式代入（1-7）式有(1-8)(1-9)微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室23令

比例系數(shù)，即有Moseley定律。X射線的強(qiáng)度以強(qiáng)為順序K，L，M系列LⅢ層K層Kα1線LⅡ?qū)覭層Kα2線(1-10)C，σ均為常數(shù)。圖1-8所示越是重元素其特征X射線的波長(zhǎng)越短。微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室(1-11)24特征光譜——定性依據(jù)L→K層；K線系；n1=2，n2=1；

不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎(chǔ)；譜線強(qiáng)度——定量；微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室25躍遷定則：n=1,2,3，