《X射线性质》PPT课件.ppt

材料现代研究方法,宫声凯 ，杨光,宫声凯：e-mail: Tel: 82339003 办公室：新主楼D340,材料现代研究方法在材料科学与工程中的位置,材料科学与工程中的三大基本问题：,Know what (组成、结构) Know why (组织与结构) Know how (制备、加工),材料现代研究方法,本课程涉及的范围,物理的方法 x射线衍射； 电子显微镜(透射、扫描)； 电子探针； 俄歇电子能谱； 化学的方法 热分析技术(差热分析，差示扫描量热，热重分析)； 动态力学分析技术； 红外光谱,X射线与电子束,X射线的性质,X射线的发现,Wilhelm Rntgen (1845-1923),Nov.8,1895，星期五，德国物理学家伦琴(W. Rntgen)在研究真空管中的高压放电现象(阴极射线)时，发现荧光板上有光亮； 进一步的研究发现： 1、可使照相底片感光； 2、激发荧光； 3、以直线方式传播； 4、有很高的穿透能力 Dec.28, 1895. W.Rntgen报道了这一现象。由于不清楚该射线的本质，所以命名“X”射线。,X射线的发现，为材料科学与工程研究提供了全新的分析测试方法。,1895年12月22日,1901年，Rntgen获诺贝尔物理学奖； 1914年，Max von Laue获诺贝尔物理学奖 （discovery of the diffraction of X-rays by crystals） 1915年，Bragg父子获诺贝尔物理学奖； （the analysis of crystal structure by means of Xrays） 1921年，Albert Einstein获诺贝尔物理学奖； (Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect) 1927年，A.H. Compton 获诺贝尔物理学奖 (discovery of the Compton effect),Laue的设想： X射线是波长很短的电磁波； 晶体是原子有规则的三维排列。,X射线的性质-波动性,只要X射线的波长与晶体中原子的间距具有相同的数量级，那么当用X射线照射晶体时就应能观察到干涉现象。,波长(cm),X射线在空间传播时，可以看成是大量以光速运动的粒子流，这些粒子流称为量子或光子。 每个光子的动量为：,X射线的性质-粒子性,每个光子的能量为：,X射线的强度：单位时间内通过与X射线传播方向相垂直的单位面积上的光子数目与光子能量的乘积。,X射线的产生,X射线管,电子速度的急剧变化，引起电子周围电磁场发生急剧变化，产生一个或几个电磁脉冲 -X射线,X射线谱,连续X射线谱； 特征X射线谱； 短波限0,Mo的X射线谱(示意图),(),连续X射线谱,电子速度的急剧变化，引起电子周围电磁场发生急剧变化，产生一个或几个电磁脉冲-X射线； 电子速度变化程度不同，产生光子的能量不同； 与管电压、管电流、阳极靶材料有关,管电压 管电流 阳极靶材料,特征X射线谱,临界电压 谱线波长,X射线强度,波长 管电压对特征谱强度的影响,与阳极靶材有关,Z：原子序数； C、：常数,莫塞莱定律：,特征X射线的产生,X射线的产生-同步辐射,X射线与物质的相互作用,X射线衍射,成分分析,无损检测,1、X射线的散射,散射：一束单色X射线通过晶体物质时将能量传给原子中的电子，电子获得能量后产生一定的加速度。具有加速度的电子将向外散射电磁波，其频率与电子振动的频率相同，即与入射X射线的频率相同。 前提：原子中受束缚力比较大的电子（内层电子）,1、X射线的散射,相干散射：由于入射线与散射线的波长与频率一致，位相固定，各散射波之间以及与入射波可以发生干涉，故称相干散射（弹性散射）。 干涉的结果：散射波在某些方向上相互加强，在另一些方向上相互减弱或抵消。 晶体中发生衍射的基础,非相干散射,Compton-Wu散射 -X射线粒子性的证明,入射X射线光子与原子中受核束缚较弱的电子发生碰撞。 散布于各个方向的散射波波长互不相同，与入射波的相位不存在确定关系，不能互相干涉。 形成连续背底，不利于衍射分析,非相干散射,X射线能量损失的散射又称非弹性散射。 康普顿散射： 喇曼散射：X射线光子能量比壳层电子临界激发能小得非常少时发生的共振散射； 热漫散射：X射线光子与声子碰撞造成的散射（晶格热振动造成的晶格动畸变引起的漫散射）； 黄昆散射：晶格静畸变引起的漫散射。,2、X射线的吸收,现象： 1) 随着波长的减小，质量衰减系数减小； 软X射线：长波长X射线； 硬X射线：短波长X射线。 2) 当波长降到一定值时吸收系数突然增高，对于不同的物质，具有特定的吸收限。 3) 在吸收限两边，,X射线的衰减规律,X射线通过物质时，强度减弱。衰减的程度与物质的厚度和密度有关。,:线衰减系数,:穿透系数,:质量衰减系数,2、X射线的吸收,X射线穿透物质后衰减的原因是物质对X射线散射和吸收的结果。 因此，质量衰减系数 由于质量吸收系数 远大于质量散射系数 所以,X射线的衰减规律,2、X射线的吸收,2、X射线的吸收,当入射X射线光子的能量足够大时，(h明显超过原子的芯电子束缚能Eb)，将使原子中的内层电子被击出，使原子处于激发态。随后，原子中的外层电子将跃迁到内层电子空位上，同时辐射出特征X射线(辐射跃迁)。,h,特征X射线 二次特征X射线， 荧光X射线,光电效应与荧光(二次特征)辐射,2、X射线的吸收,产生吸收系数突变的波长就是能够激发物质荧光辐射的最长的波长。 (注意：是 ),光电效应与荧光(二次特征)辐射,2、X射线的吸收,俄歇效应,光电子,俄歇电子,俄歇电子,俄歇电子,KL1L1 LM1M1 L2,3VV,2、X射线的吸收 -吸收限的利用,滤波：选择吸收限介于X射线中的K和K的波长之间的物质。,滤波片材料选择规律是： Z靶 40时： Z滤Z靶1 Z靶40时： Z滤Z靶2,常用滤波片数据表,2、X射线的吸收 -吸收限的利用,2、X射线的吸收 -吸收限的利用,选靶：X射线的波长要大于被研究物质的K系吸收限，或选择远小于K系吸收限的波长。,根据样品化学成分选择靶材的原则是： Z靶Z样1 或 Z靶 Z样,例如： 样 品：Fe，K 0.1743nm X射线靶：Fe，K0.1937nm Co，K0.1790nm Ni， K0.1659nm Cu， K0.1542nm,X射线的安全防护,X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。 电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安