第四章射線衍射

第四章射線衍射2023/3/30第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日一、概述

generalizationX-射線：波長0.001～50nm；

X-射線的能量與原子軌道能級差的數(shù)量級相同；X-射線光譜X-射線熒光分析X-射線吸收光譜X-射線衍射分析X-射線熒光分析利用元素內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的熒光光譜，應(yīng)用于元素的定性、定量分析；固體表面薄層成分分析；2023/3/30第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日電子能譜分析電子能譜分析紫外光電子能譜X-射線光電子能譜Auger電子能譜

利用元素受激發(fā)射的內(nèi)層電子或價電子的能量分布進(jìn)行元素的定性、定量分析；固體表面薄層成分分析；2023/3/30第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日

共同點(1)屬原子發(fā)射光譜的范疇；(2)涉及到元素內(nèi)層電子；(3)以X-射線為激發(fā)源；(4)可用于固體表層或薄層分析2023/3/30第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日二、X射線與X射線光譜

X-rayandX-rayspectrum1.初級X射線的產(chǎn)生

X-射線：波長0.001～50nm的電磁波；0.01～24nm；(超鈾K系譜線)～(鋰K系譜線)高速電子撞擊陽極(Cu、Cr等重金屬)：熱能(99%)+X射線(1%)高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生X射線輻射；2023/3/30第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.X射線光譜（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)；2023/3/30第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日（2）X射線特征光譜特征光譜產(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)。

2023/3/30第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日躍遷定則：(1)主量子數(shù)n≠0(2)角量子數(shù)L=±1(3)內(nèi)量子數(shù)

J=±1，0J為L與磁量子數(shù)矢量和S；n=1,2,3，線系,線系,線系；L→K層K；K1、K2M→K層K；K1、K2N→K層K

；K1、K2M→L

層L；L1、L2N→L層L；L1、L2N→M層M；M1、M22023/3/30第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日特征光譜——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)；譜線強度——定量；2023/3/30第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日莫色萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)莫色萊定律，將實驗結(jié)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(jù)

2023/3/30第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日小結(jié)連續(xù)譜(軟X射線)高速運動的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征:強度隨波長連續(xù)變化是衍射分析的背底;是醫(yī)學(xué)采用的特征譜(硬X射線)高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波僅在特定波長處有特別強的強度峰衍射分析采用2023/3/30第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日三、X射線的吸收、散射與衍射

absorption,diffuseanddiffractionofX-ray1.X射線的吸收

dI0=-I0l

dll：線性衰減系數(shù)；

dI0=-I0m

dmm：質(zhì)量衰減系數(shù)；

dI0=-I0n

dnn：原子衰減系數(shù)；衰減系數(shù)的物理意義：單位路程(cm)、單位質(zhì)量(g)、單位截面(cm2)遇到一個原子時，強度的相對變化（衰減）；符合光吸收定律：I=I0exp(-l

l)固體試樣時，采用m

=l/（：密度）；2023/3/30第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復(fù)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(jié)果，并且吸收是造成強度衰減的主要原因。2023/3/30第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日光電效應(yīng)小結(jié)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,所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)俄歇電子高能級的電子回跳,多余能量將同能級的另一個電子送出去,這個被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量2023/3/30第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日X射線的吸收X射線的強度衰減：吸收+散射；總的質(zhì)量衰減系數(shù)m

：

m

=m+mm

：質(zhì)量吸收系數(shù)；m：質(zhì)量散射系數(shù)；NA：Avogadro常數(shù)；Ar：相對原子質(zhì)量；k：隨吸收限改變的常數(shù)；Z：吸收元素的原子序數(shù)；：波長；

X射線的↑；Z↑，越易吸收；↓，穿透力越強；2023/3/30第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日元素的X射線吸收光譜吸收限(吸收邊)：一個特征X射線譜系的臨界激發(fā)波長；在元素的X射線吸收光譜中，質(zhì)量吸收系數(shù)發(fā)生突變；呈現(xiàn)非連續(xù)性；上一個譜系的吸收結(jié)束，下一個譜系的吸收開始處；能級(M→K)↓,吸收限(波長)↓，激發(fā)需要的能量↑。2023/3/30第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.X射線的散射

X射線的強度衰減：吸收+散射；

X射線的↑；Z↑，越易吸收，吸收>>散射；吸收為主；

↓，Z↓；穿透力越強；對輕元素N,C,O，散射為主；(1)相干散射(Rayleigh散射，彈性散射)

E較小、較長的X射線→碰撞(原子中束縛較緊、Z較大電子)→新振動波源群（原子中的電子）；與X射線的周期、頻率相同，方向不同。實驗可觀察到該現(xiàn)象；測量晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)；X射線碰撞新振動波源群相干散射2023/3/30第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日（2）非相干散射Comptom散射、非彈性散射；Comptom-吳有訓(xùn)效應(yīng)；

X射線非彈性碰撞，方向，變反沖電子波長、周相不同，無相干=-=K(1-cos)K

與散射體和入射線波長有關(guān)的常數(shù)；

Z↓，非相干散射↑；衍射圖上出現(xiàn)連續(xù)背景。2023/3/30第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日小結(jié)相干散射因為是相干波所以可以干涉加強.只有相干散射才能產(chǎn)生衍射,所以相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射因為不相干散射不能干涉加強產(chǎn)生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底2023/3/30第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日3.X射線的衍射相干散射線的干涉現(xiàn)象；

相等，相位差固定，方向同，n中n不同，產(chǎn)生干涉。

X射線的衍射線：大量原子散射波的疊加、干涉而產(chǎn)生最大程度加強的光束；Bragg衍射方程：

DB=BF=dsin

n=2dsin光程差為的整數(shù)倍時相互加強；2023/3/30第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日Bragg衍射方程及其作用

n=2dsin|sin|≤1；當(dāng)n=1

時，n/2d=|sin|≤1，即≤2d

；只有當(dāng)入射X射線的波長≤2倍晶面間距時，才能產(chǎn)生衍射Bragg衍射方程重要作用：(1)已知，測角，計算d；(2)已知d的晶體，測角，得到特征輻射波長，確定元素，X射線熒光分析的基礎(chǔ)。2023/3/30第二十一頁，共二十二頁，2022年，8月28