第一章 X射線(xiàn)物理學(xué)基礎(chǔ)

主要內(nèi)容第一篇X射線(xiàn)衍射分析技術(shù)第一章X射線(xiàn)物理學(xué)基礎(chǔ)

1.1X射線(xiàn)的發(fā)生及性質(zhì)1.2X射線(xiàn)譜1.3X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用2023/10/141.1X射線(xiàn)的發(fā)生及性質(zhì)1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴(R?ntgen,W.C.)在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)，后人為了紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者也稱(chēng)它為“倫琴射線(xiàn)”。X射線(xiàn)技術(shù)目前在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用十分廣泛，在硅酸鹽材料工程及材料科學(xué)中X射線(xiàn)物相分析是一種重要分析方法。2023/10/14X射線(xiàn)的本質(zhì)X射線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、γ射線(xiàn)、宇宙射線(xiàn)一樣，也是一種電磁波(或電磁輻射)，它的波長(zhǎng)為10-12－10-8

m，在電磁波譜中位于紫外線(xiàn)與γ射線(xiàn)之間并與它們部分相重疊。一般波長(zhǎng)短的X射線(xiàn)穿透能力強(qiáng)，稱(chēng)為硬X射線(xiàn)，反之則稱(chēng)為軟X射線(xiàn)。用于晶體衍射分析常用的X射線(xiàn)波長(zhǎng)約在2.5?到0.5?之間。2023/10/14高能輻射區(qū)γ射線(xiàn)能量最高，來(lái)源于核能級(jí)躍遷

X射線(xiàn)來(lái)自?xún)?nèi)層電子能級(jí)的躍遷光學(xué)光譜區(qū)紫外光來(lái)自原子和分子外層電子能級(jí)的躍遷可見(jiàn)光紅外光來(lái)自分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷波譜區(qū)微波來(lái)自分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)及電子自旋能級(jí)躍遷無(wú)線(xiàn)電波來(lái)自原子核自旋能級(jí)的躍遷電磁波譜：電磁輻射按波長(zhǎng)順序排列，稱(chēng)之。γ射線(xiàn)→

X射線(xiàn)→紫外光→可見(jiàn)光→紅外光→微波→無(wú)線(xiàn)電波波長(zhǎng)長(zhǎng)2023/10/14X射線(xiàn)產(chǎn)生的原理電磁原理：

當(dāng)帶電粒子在加速或減速過(guò)程中，會(huì)釋放出電磁波，在巨大加速或減速過(guò)程中，所釋放的電磁波具有高能量，當(dāng)其波長(zhǎng)在10-12－10-8m則成

X光。2023/10/14

當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的電子束撞擊陽(yáng)極靶時(shí)，高速電子受到靶原子的阻擋，急速停下來(lái)，其部分動(dòng)能則以X光的形式釋放出來(lái)。高速電子撞擊時(shí)減少的能量?E

，所轉(zhuǎn)化出來(lái)的X光，其波長(zhǎng)λ

，根據(jù)愛(ài)因斯坦公式

?E

＝hν＝hc/λ可表示為：λ＝hc/?E2023/10/14

高速電子在撞擊到原子時(shí)，很容易將能量傳送給原子中的電子，而使原子離子化。當(dāng)原子內(nèi)層軌道的電子被激發(fā)后，其空位很快會(huì)被外層電子的躍入填滿(mǎn)，在此電子躍遷的過(guò)程中，由于不同軌道間的能量差，X光會(huì)隨著放出。此過(guò)程所產(chǎn)生的X光與原子中電子軌道的能量有關(guān)。2023/10/14

X射線(xiàn)：波長(zhǎng)0.001～10nm的電磁波高速電子撞擊使陽(yáng)極原子的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生X射線(xiàn)輻射X射線(xiàn)的產(chǎn)生2023/10/14X光管工作情形2023/10/14X射線(xiàn)發(fā)展史：1895年，德國(guó)物理學(xué)家R?ntgen在研究陰極射線(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)（1901年獲得首屆諾貝爾獎(jiǎng)）。1912年，德國(guó)的Laue第一次成功地進(jìn)行X射線(xiàn)通過(guò)晶體發(fā)生衍射的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門(mén)新的學(xué)科—X射線(xiàn)衍射晶體學(xué)。（1914年獲得諾貝爾獎(jiǎng)）1913年，英國(guó)Bragg導(dǎo)出X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并測(cè)定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。（1915年獲得諾貝爾獎(jiǎng))2023/10/14此外，巴克拉（1917年，發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)），塞格巴恩（1924年，X射線(xiàn)光譜學(xué)），德拜（1936年），馬勒（1946年），柯馬克（1979年），等人由于在X射線(xiàn)及其應(yīng)用方面研究而獲得諾貝爾化學(xué)，生理，物理學(xué)獎(jiǎng)。有機(jī)化學(xué)家豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應(yīng)用X射線(xiàn)分析的以直接法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特別對(duì)研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起了重要推進(jìn)作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。2023/10/14X射線(xiàn)的發(fā)生必需具備的基本條件

(1)產(chǎn)生自由電子(2)使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)(3)有障礙物使其突然減速2023/10/14X射線(xiàn)的性質(zhì)①

是電磁波，具有波粒二象性：

ε=hν=h(c/λ)；

p=h/λ能被物質(zhì)吸收，會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象。與可見(jiàn)光比較，差別主要在波長(zhǎng)和頻率。

②

具有很強(qiáng)的穿透能力；通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收使其強(qiáng)度減弱；能殺傷生物細(xì)胞。③

沿直線(xiàn)傳播，光學(xué)透鏡、電場(chǎng)、磁場(chǎng)不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2023/10/14小結(jié)一、X射線(xiàn)的產(chǎn)生

X射線(xiàn)準(zhǔn)直縫晶體····勞厄斑證實(shí)了X射線(xiàn)的波動(dòng)性勞厄（Laue）實(shí)驗(yàn)（1912）-KAX射線(xiàn)X射線(xiàn)管+二、X射線(xiàn)的性質(zhì)(10-2~102?)2023/10/141.2X射線(xiàn)譜1、連續(xù)X射線(xiàn)譜2、X射線(xiàn)特征光譜

2023/10/141．連續(xù)X射線(xiàn)譜定義：是具有連續(xù)變化波長(zhǎng)的X射線(xiàn)，也稱(chēng)多色X射線(xiàn)。產(chǎn)生機(jī)理：主要有兩個(gè)原因。高速運(yùn)動(dòng)熱電子的動(dòng)能變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽(yáng)極靶上時(shí)，由于到達(dá)靶面上的時(shí)間和被減速的情況各不相同，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)。近代量子理論認(rèn)為是多次碰撞多次輻射的結(jié)果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出波長(zhǎng)同。

2023/10/14連續(xù)X射線(xiàn)譜的特點(diǎn)在陽(yáng)極靶所輻射的全部光子中，光子能量的最大值不能大于電子的能量，具有極大能量的光子波長(zhǎng)，即為短波極限λ0。當(dāng)eV=h·νmax=hc/λ0有短波極限：λ0=12400/V(?)2023/10/14

特點(diǎn)

I固定，V變化（升高）,在一連續(xù)X射線(xiàn)譜上可看出：①各種波長(zhǎng)射線(xiàn)的相對(duì)強(qiáng)度（I）都相應(yīng)地增高；②各曲線(xiàn)上都有短波極限，且短波極限值（λ0）逐漸變小；③各曲線(xiàn)的最高強(qiáng)度值(λm)的波長(zhǎng)逐漸變小。2023/10/142023/10/14X射線(xiàn)強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于X射線(xiàn)傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。注意：強(qiáng)度由光子的能量和數(shù)目?jī)蓚€(gè)因素決定的。所以連續(xù)X射線(xiàn)的強(qiáng)度不在光子能量最大的λ0處。2023/10/142.特征X射線(xiàn)譜1）定義

具有特定波長(zhǎng)的X射線(xiàn)，也稱(chēng)單色X射線(xiàn)。2023/10/142）X射線(xiàn)特征光譜的產(chǎn)生X射線(xiàn)光譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子）或X射線(xiàn)光子撞擊原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過(guò)一系列的躍遷（L

K，M

L，N

M），直至受激原子回到基態(tài)。2023/10/14X射線(xiàn)特征光譜的產(chǎn)生特征光譜產(chǎn)生：

碰撞→躍遷↑(高)→空穴→躍遷↓(低)特征譜線(xiàn)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(xiàn)——定性分析基礎(chǔ)。

2023/10/14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(zhǎng)與磁量子數(shù)矢量和S；

n=1,2,3，

線(xiàn)系,線(xiàn)系,線(xiàn)系；L→K層K

；K1、K2M→K層K

；K1、K2N→K層K

；K

1、K

2M→L

層L

；L1、L2N→L層L

；L1、L2N→M層M

；M1、M22023/10/14特征光譜——定性依據(jù)L→K層；K

線(xiàn)系；n1=2，n2=1

2023/10/14不同元素具有自己的特征譜線(xiàn)——定性基礎(chǔ)；譜線(xiàn)強(qiáng)度——定量依據(jù)；這一系列躍遷（除無(wú)輻射躍遷外）都以X射線(xiàn)的形式放出能量，即發(fā)射特征的X射線(xiàn)光譜。產(chǎn)生特征X射線(xiàn)光譜線(xiàn)的示意圖如下：2023/10/14

2023/10/14特征X射線(xiàn)譜的作用莫塞萊定律：√1/λ＝K(Z－σ)式中：λ是波長(zhǎng)；K、σ常數(shù)；Z原子序數(shù)這個(gè)公式表明：只要是同種原子，不論它所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)發(fā)，它發(fā)出的特征X射線(xiàn)均具有相同波長(zhǎng)。2023/10/14特征X射線(xiàn)譜

小結(jié)1）定義：是具有特定波長(zhǎng)的X射線(xiàn)，也稱(chēng)單色X射線(xiàn)。2）產(chǎn)生機(jī)理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中K層電子的結(jié)合能，將K層電子激發(fā)掉，外層電子會(huì)躍遷到K層空位，因外層電子能量高，多余的能量就會(huì)以X射線(xiàn)的形式輻射出來(lái)，兩個(gè)能級(jí)之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波長(zhǎng)也是固定的：

En2－En1=h（c/λ）2023/10/143）特征譜結(jié)構(gòu)

K系特征譜：Kα、Kβ、Kγ,Kα(Kα1、Kα2)4）λ與Z的關(guān)系√1/λ＝K(Z－σ)

熒光X射線(xiàn)光譜分析（XRF、XFS）2023/10/141.3X射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用

散射相干非相干X射線(xiàn)作用于物質(zhì)吸收光電效應(yīng)