第一章x射线物理学基础

第一篇 材料 X射线衍射分析第一章 X射线物理学基础 X射线的性质 X射线的产生及 X射线谱 X射线与物质的相互作用1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时偶然发现 ,当时仅知其强穿透性、不可见性 , 不了解其性质 ,故称 X射线 (伦琴射线 ).至 1912年德国劳埃发现 X射线在晶体材料上的衍射现象 ,证实 X射线是一种波 ,同时也诞生了 X射线衍射分析技术 . 1. 1X射线的性质1.1.1X射线的本质 -电磁波1. 波长 介于紫外线、射线之间 ,0.001-10nm或0.01- 100A0-晶体衍射 : 0.52.5 A0,金属无损探伤:0.05-1 A0.短波长 -硬 X射线 ,反之 -软 X射线 .电磁波是 “ 横波 ”, X射线传播方向垂直于磁场、电场振动方向 ,以光速直线 (C=3108m/s)传播 .因磁场分量在与物质的相互作用中效应很弱 ,所以在衍射分析时 ,仅考虑电场分量 .一束沿 X方向传播、波长为 的 X射线波方程 : A=A0COS2(x/ t), 或 A=A0COS( t) 或 A=A0ei( t) .2.由交替变化的电场和磁场组成1.1.2 X射线的性质1. 不可见、强穿透性2. 波粒二象性波动性 :一定的波长或频率在空间以光速直线传播 .= c/.粒子性 (微粒性 ): X射线是由大量以光速运动、且不连续的的粒子 (光子 )流组成 ,每个光子的能量为： =h c/ .(h:普朗克常数 6.62510 34J.S.)X射线强度 :单位时间通过垂直 X射线传播方向的单位面积的光子能量总和 .I= n. A 02 (n:单位时间穿过单位面积的光子数)1.2 X射线的产生及 X射线谱1.2.1 X射线的产生及 X射线管1. X射线管构造 常用的常用的 X射线靶材有：射线靶材有： Cr、 Fe、 Co、 Cu、 Mo、W、 NiX射线由 X射线管产生 .高速运动的电子碰击阳极靶 ,约 1% 电子能量以 X射线形式辐射 ,其余能量转化为热能 . X射线从铍窗口射出 ,其线束截面积大小取决于窗口位置和焦斑大小 (一般为1mm 10mm),而焦斑又决定于聚焦罩和阴极灯丝的形状 .2. X射线源产生 X射线的装置称为 X射线源：包括： X射线管，供电系统，控制系统 。3.特殊结构的 X射线管介绍X射线管功率愈大 , X射线强度愈大 ,分析精度愈高 .但 99% ev热能经靶座不易散出 ,故固定靶管功率不能无限提高 (W max=3KW ). (1) 旋转阳极 X射线管 : 阳极靶以 (2000-10000r/h)旋转 , W max可提高 .(2) 细聚集 X射线管 : 阴、阳极间加静电透镜或磁透镜 ,使电子束聚集 ,焦斑尺寸下降 , X射线截面减小 ,在单位时间射出的光子数不变时 , X射线管强度提高 . 1.2.2 X射线谱仪器检测 X射线管发出的 X射线波长及其强度 ,得到 -I 谱线 .即 X射线强度随波长而变化的关系曲线 . 阳极靶发射出来的 X射线由两部分组成： 连续 X射线谱 ： 从某一短波限 。 开始，直至波长等于无穷大 的一系列波长。 特征 X射线： 具有一定波长的特强 X射线，叠加于连续 X射线谱上。一 .连续 X射线谱 (多色 X射线 ) 特点 短波限 SWL: 一定电压 U下的最小波长 .相当于能量为 eU的电子能量全部转化为光子的能量 . e =hc/SWL:, SWL: =1240/U(nm). I 随 U、 I 、 Z变化，但 SWL 仅与 U有关。. 连续 X射线谱强度 : 任一波长强度I连 = SWL I=K1iZU2 效率： = I连 /iU= K1ZU以钨 z=74为例， U=100kv时， 1% 。 二特征（标积、单色） X射线谱 1定义 ： 当管电压达到阳极材料某特征UK时，在某特定波长范围处，产生的强度特别大的谱线。此波长反映了阳极靶的特性，与 U、 I无关，仅取决于阳极靶 Z. 2.产生机理： h =wn2 wn1= ( En2) ( En1 )=En1 En2原子 n壳层电子能量 En= me4(Z )2/8 0h2n2. . 当 (n2壳层 n1壳层跃迁 ),辐射的特征 X射线能量为 : 莫塞莱定律 : h =En1 En2 = = = = =注： 特征 X射线波长取决于阳极 Z、 何激发态、原子跃迁层 3.特征 X射线谱的类型 K系 : L K, K 其中：L K1 ， L K2 K 1 K 2 , IK1 =2IK2 K= M K, K 。 K K IK =5IKL系： ML ，； NL ， 等4特征 X射线谱强度 :阳极原子 n层的特征激发电压。 m常数(K系， m=1.5,L系， m=2). 注：多晶衍射分析利用 K系特征 X射线谱，连续 X射线谱产生背影。希望特征 X射线谱与连续 X射线谱强度比 。 一般之比为 3-51.3 X射线与物质的相互作用 X射线与物质相遇 ,发生透射、吸收、散射 .因吸收、散射使穿过物质的 X射线强度减弱 . 1.3.1 X射线与物质的相互作用 一 . X射线的散射1.相干散射 -衍射基础X射线与物质原子内层电子相撞 ,入射光子的能量全部转给相撞电子 ,在 X射线电场作用下 ,产生强迫振动 ,电子 成为新电磁波源 ,向四周辐射与入射光子等波长的电磁波 . 由于电子间间距恒定 ,即同一方向各电子辐射的等波长 X射线位相差恒定 .这样在任一方向 ,各电子辐射的 X射线符合光学干涉条件 .在一些方向干涉波相互减弱 ， 或抵消 ,有些方向相互加强 .当入射 X射线为非偏振时 ,在离电子 R的空间 P点处 ,一个电子的相干散射 X射线强度为 ： 1.其中： 一个电子的散射因数 ( 2=7.9410 30m2). -偏振因子 .时 , 1, 可见相干散射使透射强度减弱 . 2.非相干散射 (康普顿 -吴有训效应 ) 入射电子与束缚较弱的外层电子或自由电子作用 ,电子获一部分动能成为反冲电子 ,入射线失去部分能量 ,改变了波长 ,沿与入射方向成一定角度的方向辐射 .各电子辐射的量子散射波相互不干涉 . 增加晶体衍射花样的背影 ,.因轻元素中的电子受束缚小 ,该效应明显 . 二、 X射线的真吸收 1.光电效应 . 当入射光子的能量等于或大于碰撞体原子某壳层电子的结合能时 ,光子被电子吸收 ,获得能量的电子从内层溢出 ,成为自由电子 ,即光电子 ,高能量层电子填补激发态空位 ,能量差以 X射线形式辐射 ,称为荧光或二次标识 X射线 ,该现象称为光电效应 .产生条件 -入射 X射线的波长要求（短波限） ： 2.俄歇效应 高能量层电子填补激发态空位 ,能量差被空位层邻近电子或较外层电子吸收，使该电子受激发逸出原子成为自由电子，即俄歇电子。 光电子发射 荧光射线 俄歇效应注 : 入射时 , 发生光电效应或俄歇效应 ,入射线大量吸收 . 同元素的阳极靶发出的特征线 ,不能激发同物