第一章射線物理學基礎

第一章射線物理學基礎第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一考核方式最后考試形式平時考勤和作業(yè)記入成績教學改革X射線衍射相關的科研實例實驗課程第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一緒論現(xiàn)代材料分析技術是一門試驗方法課，采用：X射線衍射電子顯微鏡分析材料：微觀組織結構顯微成分

第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一材料和材料科學材料是人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎。20世紀70年代人們把信息、材料和能源譽為當代文明的三大支柱。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。材料科學：是一門研究材料組成（成分）、結構和性能以及它們之間關系的科學。材料科學大廈由金屬材料、高分子材料和陶瓷材料三個支柱支撐。第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一貫穿一個主線：

工藝應用組成結構性能X射線衍射和電子顯微鏡表征微觀組織結構第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一材料組成、結構、工藝（合成與制備）、性能（性質(zhì)與使用性能）

第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一.材料的組織結構和性能1.組織結構與性能的關系結構決定性能是自然界永恒的規(guī)律。材料的性能（包括力學性能和物理性能）是由其內(nèi)部的微觀組織結構所決定的。2.微觀組織結構控制認識材料的組織結構與性能之間的關系及顯微組織結構形成的條件和過程機理?？刂骑@微組織組織結構性能第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.微觀組織結構的內(nèi)容1.微觀化學成分（不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等）2.晶體結構與晶體缺陷（面心立方、體心立方、位錯、層錯等）3.晶粒大小與形態(tài)（等軸晶、柱狀晶、枝晶等）4.相的成分、結構、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.位向關系（慣習面、孿生面、新相與母相）7.夾質(zhì)物8.內(nèi)應力（噴丸表面、焊縫熱影響區(qū)等）第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三.傳統(tǒng)的顯微組織結構與成分分析測試方法1.光學顯微鏡最常用、最簡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)部組織結構，更不能進行微區(qū)成分分析。2.化學分析只能測平均成分，但不能給出所含元素的分布。光譜分析給出的結果也是平均成分。微觀成分的不均勻性不能檢測。

第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一四.X射線衍射與電子顯微鏡1.X射線衍射（X-RayDiffraction，XRD）

XRD是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來分析材料的晶體結構，晶格參數(shù)、晶體缺陷（位錯等）、不同結構相的含量及內(nèi)應力的方法。是建立在一定晶體架構模型基礎上的間接方法，即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號的特征去分析計算出樣品的晶體結構和晶格參數(shù)。無法把形貌觀察和晶體結構分析微觀同位地結合起來。

X射線聚焦困難，最小區(qū)域在毫米數(shù)量級，不能對更小區(qū)域進行單獨選擇性分析。第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.電子顯微鏡（ElectronMicroscope,EM)

EM是用高能電子束作光源，用磁場作透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學顯微鏡。

1）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM)。分辨率10－1nm，放大倍數(shù)106倍。組織形貌和晶體結構。

2）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）。分辨率1nm，放大倍數(shù)2×105倍。表面形貌觀察。

3）電子探針顯微分析（EletronProbeMicro-Analysis,EPMA)。微區(qū)化學成分。

SEM和EPMA結合起來，表面形貌觀察和微區(qū)化學成分分析。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一篇材料X射線衍射分析第一章X射線物理學基礎第二章X射線衍射方向第三章X射線衍射強度第四章多晶體分析方法第五章物相分析及點陣參數(shù)精確測定第六章宏觀殘余應力的測定第七章多晶體織構的測定第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一章X射線物理學基礎第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容X射線的性質(zhì)（波粒二相性）X射線的產(chǎn)生及X射線譜（適用工作的特征譜）X射線與物質(zhì)的相互作用（相干散射為X射線衍射分析的基礎）X射線的安全防護第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一引言1895年11月8日，德國物理學家倫琴（W.CR?ntgen)在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時偶然發(fā)現(xiàn)了。鍍氰亞鉑酸鋇的硬紙板發(fā)出熒光。由于當時尚不了解這種輻射的性質(zhì)，故稱其為X射線，后人也稱之為倫琴射線。1901年倫琴獲第一個諾貝爾物理學獎。1912年，德國物理學家勞埃（M.vonLaue）發(fā)現(xiàn)X射線在晶體上的衍射。證明了X射線的波動性和晶體內(nèi)部結構的周期性。獲1914年諾貝爾物理學獎。受勞埃啟發(fā)，1913年，布拉格（SirWilliamHenryBragg，SirWilliamLawrenceBragg）父子提出了著名的布拉格方程：

2dsinθ＝nλ1915年，布拉格父子獲諾貝爾物理學獎，小布拉格年僅25歲?？茖W研究，醫(yī)療和技術工程上應用。第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一倫琴發(fā)現(xiàn)X射線勞埃發(fā)現(xiàn)X射線衍射亨利·布拉格勞倫斯·布拉格第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)X射線的性質(zhì)X射線是一種波長很短的電磁波。

X射線波長介于紫外線與γ射線之間。波長0.01~10nm。過去通常用單位埃（?）。用于晶體衍射的X射線的波長在0.05~0.25nm。X射線具有波粒二相性波動性：以一定的頻率ν和波長λ在空間傳播；具有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。粒子性：以大量光速運動的粒子組成的不連續(xù)粒子流。具有一定的質(zhì)量m、能量E和動量P。與原子和電子相互作用，產(chǎn)生光電效應和熒光輻射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用和交換能量。

第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線的這些粒子稱為光量子。每個光量子的E和P分別為：式中，h為普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s，c為光速，2.998×108m/s。電磁波譜第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)X射線產(chǎn)生及X射線譜X射線是由高速運動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)層電子相作用而產(chǎn)生的。X射線產(chǎn)生要有幾個基本條件：

1）產(chǎn)生自由電子；

2）使電子做高速運動；

3）在電子運動的路徑上設置使其突然減速的障礙物。第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線管主要由陰極、陽極和窗口組成：（1）陰極：陰極的功能是發(fā)射電子。它由鎢絲制成，在通過一定的電流加熱后便能釋放出熱輻射電子。（2）陽極：陽極又稱之為靶，是使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。主要的靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等。在軟X射線裝置中常用Al靶。（3）窗口：是X射線射出的通道，通常窗口有兩個或四個，窗口材料既要求有足夠的強度以維持管內(nèi)的高真空度，又要求對X射線的吸收較小。金屬鈹，也有用硼酸鈹鋰構成的林德曼玻璃。

第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線管剖面圖由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：連續(xù)X射線譜和特征X射線譜（或標識X射線譜）。第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生X射線的基本電氣線路第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

其特點是X射線波長從一個最小值λswl向長波方向伸展，強度在λm處有一最大值。這種強度隨著波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。λswl稱該管電壓的短波限。一.連續(xù)X射線譜管電壓、管電流和陽極靶的原子序?qū)B續(xù)譜的影響第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

連續(xù)譜受管電壓U、管電流i和陽極靶材的原子序Z的作用，其相互關系的實驗規(guī)律如下：

1）當提高管電壓U時（i、Z不變），各波長X射線的強度都提高，短波限λswl和強度最大值對應的λm減小。

2）當保持管電壓一定，提高管電流i，各波長X射線的強度一致提高，但λswl和λm不變。

3）在相同的管電壓和管電流下，陽極靶材的原子序數(shù)Z越高，連續(xù)譜的強度越大，但λswl和λm不變。連續(xù)譜的總強度為：

式中，K1為常數(shù)。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

當X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時，其效率為：

效率很低，大部分能量都耗費在使陽極靶發(fā)熱。量子力學觀點解釋連續(xù)譜和短波限：電子動能eU，全部給予一個光量子，則，此光量子的波長即為短波限λswl

絕大多數(shù)到達陽極靶面的電子經(jīng)過多次碰撞消耗其能量，每次碰撞產(chǎn)生一個光量子，故其能量均小于短波限，而產(chǎn)生的波長大于λswl的不同波長的輻射，構成連續(xù)譜。第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.特征X射線譜當加于X射線管兩端的電壓增高到陽極靶材相應的某一特定值Uk時，在連續(xù)譜的某些特定的波長位置上，會出現(xiàn)一些列強度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，它們的波長對一定材料的陽極靶有嚴格恒定的數(shù)值，此波長可以作為陽極靶材的標志或特征，故稱為特征譜或標識譜。特征譜的波長不受管電壓、管電流的影響，只取決于陽極靶材元素的原子序。特征譜第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一布拉格（W.H.Bragg)發(fā)現(xiàn)了特征譜。莫塞萊（H.G.J.Moseley)對其進行了系統(tǒng)的研究，得出莫塞萊定律：

式中，K2和σ都是常數(shù)。該定律表明：陽極靶材的原子序數(shù)越大，相應的同一系的特征譜波長越短。依據(jù)經(jīng)典原子模型，各層上電子能量的表達式：

En為主量子數(shù)為n的殼層上電子的能量；n為主量子數(shù)。

第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

量子力學觀點解釋特征譜：當沖向陽極靶的電子將內(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)過渡。K層出現(xiàn)空位，原子處于K激發(fā)態(tài)，若L層電子躍遷到K層，原子轉(zhuǎn)變到L激發(fā)態(tài)，其能量差以X射線光量子的形式輻射出來，這就是特征X射線。L層電子躍遷到K層，發(fā)射Kα射線。

L層存在亞能級，不同亞能級上的電子躍遷到K層，所輻射的能量小有差別而形成波長較短的Kα1譜線和波長稍長的Kα2譜線。若M層電子躍遷到K層，則輻射波長更短的Kβ譜線。第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一特征譜發(fā)射過程示意圖第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一所輻射的特征頻譜頻率計算公式：若n2=1(即K層），n1＝2（即L層），發(fā)射的Kα譜波長λkα為：式中，wn1、wn2分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)的能量。第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一進一步得到：K激發(fā)態(tài)下，L層電子向K層躍遷的幾率遠大于M層躍遷的幾率，所以Kα譜線的強度約為Kβ譜線的5倍。L層內(nèi)不同亞能級電子向K層躍遷所發(fā)射的Kα1譜線和Kα2譜線的關系是：（I表示輻射強度）。特征譜的強度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關系的實驗公式為：

式中，K3為常數(shù)，Un為特征譜的激發(fā)電壓，對于K系，Un＝Uk；m為常數(shù)（K系m＝1.5,L系m＝2）。第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一多晶材料的衍射分析中總是希望應用以特征譜為主的單色光源，即盡可能高的I特/I連。當U/Uk＝4時，I特/I連獲最大值。X射線管適宜的工作電壓U＝（3～5）Uk。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一靶材ZK系列特征譜波長/0.1nmK吸收限K/0.1nmUK/kVU適宜/kVK1K2KKCr242.289702.293612.291002.084872.070205.4320~25Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.4025~30Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.4730~35Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.0435~40Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4450~55表1-1幾種陽極靶材及其特征譜參數(shù)注：K=(2K1+K2)/3第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相遇時，會產(chǎn)生一系列效應，這是X射線應用的基礎。德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時，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。入射到物質(zhì)的X射線分為穿透，散射和吸收。第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一.X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)X射線通過物質(zhì)后的衰減X射線通過深度為x處的dx厚度物質(zhì)其強度的衰減dIx/dx成正比μl為常數(shù)，成為吸收系數(shù)。經(jīng)過積分得（積分限0～t）：稱透射系數(shù)。第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一線吸收系數(shù)μl表明物質(zhì)對X射線的吸收特征。μl是X射線通過單位厚度（即單位體積）物質(zhì)的相對衰減量。

X射線強度隨投透入深度呈指數(shù)衰減。第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)量吸收系數(shù)μm，表示為:

式中，ρ為吸收體的密度。

式中，m為單位面積厚度t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m＝ρt）。μm的物理意義指X射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強度的衰減。這樣就擺脫了密度的影響，成為反應物質(zhì)本身對X射線吸收性質(zhì)的物理量。第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)量吸收系數(shù)取決于吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和X射線的波長λ，其關系的經(jīng)驗公式為：式中，K4是常數(shù)。原子序數(shù)越大，對X射線的吸收能力越強；對一定的吸收體，X射線的波長越短，穿透能力越強，表現(xiàn)為吸收系數(shù)下降。隨波長降低，μm在某些波長位置上突然升高，出現(xiàn)吸收限。

質(zhì)量吸收系數(shù)隨入射波長的變化第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.X射線的真吸收光電效應解釋吸收系數(shù)突變的現(xiàn)象。當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的結合能（即該層電子激發(fā)態(tài)能量）時，此光量子很容易被電子吸收，成為自由電子，稱為光電子，原子則處于相應的激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現(xiàn)象即光電效應。此效應消耗大量的入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對應的入射波長即為吸收限。K層電子變成自由電子需要的能量時Wk，即引起激發(fā)態(tài)的入射光量子能量須達到此值。式中，νk和λk分別為K吸收限的頻率和波長。第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一對于同一元素,X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關系：入射X射線所激發(fā)出來的特征X射線稱為熒光輻射（熒光X射線，二次X射線）。用來進行較重元素的成分分析。K層電子被入射光量子擊出后，L層一個電子躍入K層填補空位，另一個L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個K層空位被兩個L層空位替代的過程稱為俄歇效應。躍出的L層電子稱為俄歇電子。用來進行表層輕元素的分析。光電效應所造成的入射能量消耗和X射線穿過物質(zhì)時所引起的熱效應，稱為真吸收。第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一光電效應、熒光效應和俄歇效應過程示意圖第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

吸收限的應用可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的K和K波長之間，且盡可能靠近K線波長。把這種材料制成薄片—濾波片，置于入射線光路中，將強烈吸收K線，而對K線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射。這種材料的K吸收限介于光源的λK和λK之間。濾波片原理示意圖第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一濾波片原子序數(shù)比靶元素的原子序數(shù)小1～2。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一在衍射分析時，希望試樣對X射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強度和低的背底。靶的K譜(T)略大于或遠小于試樣的K

X射線管靶材的選擇第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三.X射線的散射X射線穿過物質(zhì)后強度產(chǎn)生衰減，強度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應和熱效應。強度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射。X射線的散射包括：與原波長相同的相干散射和與原波長不同的不相干散射。第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.相干散射當入射X射線與受原子核束縛較緊的電子相遇，使電子在X射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動，像四周輻射與入射X射線波長相同的輻射。