chap1_X射线的物理特性.pdf

第一篇第一篇 X X射线衍射分析射线衍射分析 n19101910年 诺贝尔奖第一次颁发 伦琴因年 诺贝尔奖第一次颁发 伦琴因X X射线的发现而获得射线的发现而获得 第一个诺贝尔物理学奖第一个诺贝尔物理学奖 伦琴夫人手指的伦琴夫人手指的X射线照射线照 18951895年伦琴在研究真年伦琴在研究真 空管中的高压放电现象空管中的高压放电现象 时 发现了时 发现了X X射线 射线 几个月后 医学界将几个月后 医学界将 之运用于诊断及医疗 之运用于诊断及医疗 后来人们又用它进行后来人们又用它进行 金属材料及机械零件的金属材料及机械零件的 探伤 探伤 X射线透射学 19121912年在伦琴的两名研究生的帮助下 年在伦琴的两名研究生的帮助下 劳厄进行了第劳厄进行了第 一次一次X X射线衍射实验射线衍射实验 发现了 发现了X X射线在晶体中的衍射现象 射线在晶体中的衍射现象 提出了一组衍射方程 提出了一组衍射方程 第一次第一次X X射线衍射实验所用的仪器 所用的晶体是硫射线衍射实验所用的仪器 所用的晶体是硫 酸铜 酸铜 劳厄法劳厄法X X射线射线 衍射实验的基衍射实验的基 本装置与所拍本装置与所拍 的照片的照片 它一箭双雕地证实了它一箭双雕地证实了X X射线的本质 波动性 射线的本质 波动性 和和晶体结构的周期性晶体结构的周期性 这两个重要的物理学问题 这两个重要的物理学问题 爱因期坦称 劳厄的实验是 爱因期坦称 劳厄的实验是 物理学最物理学最美美的实验的实验 为研究物质的微观世界提供了崭新的方法 后来发展成为 X射线衍射学 或 X射线晶体学 劳埃方程使用不够方便 布拉格父子劳埃方程使用不够方便 布拉格父子提出了晶面提出了晶面 反射反射 X X射线的概念射线的概念 并推导出简单实用 至今被广 并推导出简单实用 至今被广 泛泛应应用的用的布拉格方程布拉格方程 19141914年 年 莫塞莱莫塞莱发现不发现不同材料同材料的的同同名名特征谱特征谱线的线的 波长和原波长和原子子序数有定量序数有定量的的对应关系对应关系 利利用用这这一一原原理理对对 材料材料的的成成分进行分进行快速无损检测快速无损检测 X射线光谱学 nX X射线射线透射学透射学 nX X射线射线光谱学光谱学 nX X射线射线衍射学衍射学 三个学科分支 1 物相分析 物相分析 鉴定待测样的物相鉴定待测样的物相 2 精细结构研究 精细结构研究 材料的晶格参数 残余应力材料的晶格参数 残余应力 3 晶体取向的测定 晶体取向的测定 单晶体取向 多晶体织构单晶体取向 多晶体织构 X射线衍射部分的主要内容或主要用途是 用用X X射线照射物质 晶体 通过射线照射物质 晶体 通过X X射线与物质的反映 了解射线与物质的反映 了解 理理 解物质的结构信息 解物质的结构信息 第一第一章章 X X射线的物理射线的物理特性特性 n1 1 X1 1 X射线的射线的产产生生及其性质及其性质 n1 2 X1 2 X射线射线谱谱 n1 3 X1 3 X射线与物射线与物质质的的相互作相互作用用 n1 4 X1 4 X射线的射线的衰减规律衰减规律 第一第一章章 X X射线的物理射线的物理特性特性 此外 也需要了解如何更好的选择X射线衍射的实验条件和实验 参数 靶材的选择 滤片的选择 X射线衍射的主要用途是 用X射线照射物质 晶体 通过X射线与物质的反映 了解 理 解物质的结构信息 通过本章的学习 理解 如何产生X射线 对产生的X射线有什么要求 X射线与物质如何 反应 我们要探测它的哪种信号 n1 1 X1 1 X射线的射线的产产生生及其性质及其性质 n1 2 X1 2 X射线射线谱谱 n1 3 X1 3 X射线与物射线与物质质的的相互作相互作用用 n1 4 X1 4 X射线的射线的衰减规律衰减规律 第一第一节 节 射线的射线的产产生生极其性质极其性质 图图1 1 1 1 X X射线射线管管的的结构示意图结构示意图 X X射线射线管包括管包括阴阴 极 高压 靶材极 高压 靶材 一一 X X射线的射线的产产生生 1 左右的动能转变 为X射线能 铍玻璃窗口 一般是纯金属 Cu Cr Fe Co 二 二 X X射线的本射线的本质质 X X射线是一射线是一种种电磁波电磁波 横波横波 波长短 波长短 0 01 10nm0 01 10nm 硬硬 X X射线 射线 软软 X X射线射线 三 三 X X射线的射线的性质性质 穿过穿过不不同媒质时同媒质时 几乎毫几乎毫不不偏折地直偏折地直线线传播传播 在 在电磁场电磁场中中也也不不 发生发生偏斜偏斜 波长短波长短 肉眼看肉眼看不不到到 通常靠通常靠使使荧光荧光物物质质发发光 光 使照使照相相底底片片感感 光 光 使使气气体体产产生生电电离离现象现象观察观察检测检测 穿穿透能力大透能力大 特特别别是是硬硬X X射线射线 wavelength 0 1nm wavelength 0 1nm 在 在工业上工业上 用用来来进行进行无损无损探伤探伤 软软X X射线的射线的波长波长与晶体中与晶体中原原子子间距比较接近间距比较接近 照射 照射到到物物质质上会上会 产产生生散散射射 衍射现象 用衍射现象 用来做来做X X射线衍射分析射线衍射分析 0 25 0 05nm 0 25 0 05nm 对有对有机机质质是是有有害害的 的 需要加上铅制品保护需要加上铅制品保护 第第二节二节 X X射线射线谱谱 图图1 2 1 2 两两种种X X射线射线谱谱示意图示意图 一一 连续连续谱谱 X X射线射线强度随强度随波长波长 而而变化变化的的 关系关系曲曲线 线 即即X X射线射线谱谱 丘丘包包状曲状曲线线为为连续连续谱谱 竖竖直直尖峰为尖峰为特征谱特征谱 对应对应两两种种X X射线射线辐辐射的物理射的物理过过 程 程 连续连续谱谱 大大量高速量高速运动运动的的电电 子与子与靶材靶材碰撞碰撞时时而而减速减速 不 不同同 能能量损量损失转化失转化成成不不同波长同波长的的X X射射 线 并线 并按统计按统计规律规律分布 分布 2 IiZU 连 图图1 2 1 2 两两种种X X射线射线谱谱示意图示意图 2 max 1 2 o hc eUhm 动 短波短波限限 o o hcK eUU o K 1 24nmK 1 24nm kVkV 短波短波限只限只与与管管 电压有关电压有关 连续连续X X射线射线总强度 总强度 值约为值约为 1 1 1 41 1 1 4 1010 9 9 实验公式 X X射线射线管管发射发射连续连续X X射线的射线的效率 效率 为 为 2 X X iZU ZU iU 连续 射线总强度 射线管功率 当当用用钨阳钨阳极 极 Z 74Z 74 管电压管电压为为100kV100kV时时 1 1 可见效率可见效率是是很低很低的 的 为为提提高高发射发射效率效率 就要就要选选用用重金属重金属靶靶 并并施以施以高压高压 实验实验时时为为获得获得强强的的连续辐连续辐射射 选选用用钨钨靶靶X X射线射线管管 在在 60 80kV60 80kV高压高压下下工工作作 图图1 3 1 3 特征特征X X射线射线产产生生示意图示意图 二 特征 二 特征 标识标识 X X射线射线谱谱 与与阳阳极极物物质质的的原原子子结构有结构有 关关 原原子子内层内层电电子子造造成成空位空位是是 产产生生特征特征辐辐射的射的前前提 提 KKLKL hWWhh 临临界激界激发发电压电压 阳阳极极物物质原质原子子序数序数愈愈大大 所所需临需临界激界激发发电压电压值值也也愈愈 高高 22 21 111 RZ nn 现现代代X X射线射线光谱光谱分析法的基分析法的基础础 莫塞莱定律莫塞莱定律 3 n K IK i UU 标 特征特征X X射线的射线的波长波长与与管电压无关管电压无关 但但其其强度强度则则与与 管电压有关管电压有关 U UK K为临为临界激界激发发电压电压 n n K K3 3均均为为常数常数 适宜适宜的的管电压管电压选选用用激激发发电压电压的的3 53 5倍倍 这时特征这时特征 射线射线和和连续连续射线的射线的强度比强度比最最大大 峰峰背背比比最最高高 对对 于于利利用用特征特征射线射线最最为为有利有利 不同靶材的同名特征谱线 其波长随靶材原子序数Z的增加而变短 第第三节三节 X X射线与物射线与物质质的的相互作相互作用用 图图1 4 X1 4 X射线与物射线与物质质的的相互作相互作用用 一一 X X射线的射线的散散射射 1 1 相相干干散散射射 X X射线射线光光子子和和受受原原子子核束缚核束缚得得很很紧紧的的电电子子 如如原原子子内内 层层电电子子 相 相碰撞碰撞而而弹弹射 射 光光子的方子的方向改向改变变了了 但但能能量几量几 乎乎没没有损有损失失 于于是是产产生了生了波长波长不不变变的的散散射线 射线 晶体中的晶体中的电电子子和原和原子 在子 在入入射射X X射线的射线的作作用下用下都都产产生生 散散射 射 于于是在是在空间空间形形成成了了满足满足波波的的相互相互干涉条件干涉条件的的多元多元 波波 故称故称这种这种散散射射为为相相干干散散射射 也也称称为为经典经典散散射射或或汤姆汤姆 逊逊散散射射 相相干干散散射是射是X X射线在晶体中射线在晶体中产产生衍射现象的基生衍射现象的基础础 2 2 非非相相干干散散射射 康普顿康普顿 吴吴有有训训效效应应 与与原原子中子中受束缚受束缚力力弱弱的的电电子子 如外如外层层电电子子 碰撞碰撞时时 电电子子 被被撞离撞离原原子并子并带走带走光光子的一子的一部部 分分能能量量而而称称为为反反冲冲电电子子 因因损损失能失能量量而而波长波长变变长长的的光光 子子也也被被撞撞偏偏了一个了一个角角度度2 2 成成 为为散散射射光光子子 图图1 5 X1 5 X射线射线非非相相干干 散散射射示意图示意图 非非相相干干散散射不射不能能参参与与晶体晶体对对X X 射线的射线的衍射衍射 只能只能在衍射在衍射图图像像上上 形形成成背背底底 给给衍射衍射工工作作带带来来不不 利利 二 二 X X射线的射线的真吸收真吸收 1 1 光电光电效效应应与与荧光 二荧光 二次次特征 特征 辐辐射射 当当入入射射X X射线射线光量光量子的子的能能量量足足够够大大 时时 同同样样可以可以将将原原子子内层内层电电子子击击出出 被被击击出的出的电电子子称称为为光电光电子子 被被打掉打掉的的内层内层电电子的子的受激受激原原子 子 将将 随随之之发生发生跃迁跃迁的的过过程 程 同时同时辐辐射出射出特特 征征X X射线射线 光光致致发发光光的的荧光荧光现象现象 荧光荧光辐辐射射 在在X X射线射线衍射分析中 衍射分析中 荧光荧光辐辐射是射是 有有害害的 的 它增它增加加衍射衍射花样花样的的背背底底 但但 它又它又是是X X射线射线荧光光谱荧光光谱分析的基分析的基础础 图图1 6 1 6 光电光电子发射子发射 俄歇俄歇 电电子子和荧光和荧光X X射线射线三种过三种过 程程示意图示意图 2 2 俄歇俄歇 AugerAuger 效效应应 电电子子跃迁跃迁时时 能能量量被被邻邻近近电电子子或外或外层层电电子子吸收吸收 使 使这这个个电电子子 受激受激发而发而逸逸出出原原子子成成为为自由自由电电子子 这这就就是是俄歇俄歇效效应应 这这个个自由自由 电电子子就就称称为为俄歇俄歇电电子子 只只有有表表面面几几层层原原子所子所产产生的生的俄歇俄歇电电子子才才能能逸逸出物出物质质表表面被面被探探 测到测到 所 所以可以以可以带带来来物物质质表表层化层化学学成成分分信息信息 按按此此原原理研理研制制 了了 俄歇俄歇电电子子显微镜显微镜 此外此外 X X射线射线穿穿透透物物质时质时还还有有热热效效应应 其其一一部部分分能能量量将将转变转变 为为热热能能 真吸收真吸收 光电光电效效应 应 俄歇俄歇效效应 应 热热效效应应 综综上上所所述述 由于由于X X射线射线透透过过物物质时质时 与物 与物质相互作质相互作用用产产生了生了 散散射射和和真吸收真吸收 强度强度将将被被衰减衰减 真吸收占主真吸收占主要要部部分 分 第第四四节节 X X射线的射线的衰减规律衰减规律 一一 衰减规律和 衰减规律和吸收吸收系数系数 当当一一束束单单色色X X射线射线透透过过一一层层均均匀匀物物质时质时 其其强度强度将将随随穿穿透透深深 度度的的增增加按加按指指数规律减数规律减弱弱 即即 I II I0 0是是透透射射系数系数 l l是线是线吸收吸收系数系数 表表示示单单位位时时间内间内单单位位体体积积物物质对质对X X射线的射线的 吸收吸收 所 所以以还还与与吸收吸收物物质质的物理的物理状状态态有关有关 0 lt II e 二 质量二 质量吸收吸收系数系数 m m l l 称称为为质量质量吸收吸收系数系数 不 不随随吸收吸收体物理体物理状状态态 而而改改变变 00 l m t t II eI e 1 1 复杂复杂物物质质的的质量质量吸收吸收系数系数 1 n mllii i uu 物物质对质对X X射线的射线的吸收吸收是是通过通过单个单个原原子进行的 子进行的 与与原原子子间间 的的化化学学结结合合方方式式或或物理物理堆积堆积状状态态无关无关 2 2 连续连续谱谱的的质量质量吸收吸收系数系数 相相当当于于一个一个称称为为有有效效波长波长 有效 有效的 的波长波长值值所所对应对应的的质量质量 吸收吸收系数系数 有效 有效 1 35 1 35 0 0 3 3 质量质量吸收吸收系数系数与与波长波长 和原和原子子序数序数Z Z的的关系关系 33 l uCZ 波长波长愈愈长长愈愈容易容易被被吸收吸收 原原子子序数序数愈愈高高被被吸收吸收的的愈多愈多 复杂物质的吸收等于组成该物质的各元素的吸收之和复杂物质的吸收等于组成该物质的各元素的吸收之和 吸收吸收限 限 荧光荧光辐辐射射产产生生条件条件 图图1 7 1 7 质量质量吸收吸收系数系数与与波波 长关系长关系曲曲线线 三 三 吸收吸收限限的的应应用用 1 1 根据根据样样品化品化学学成成分分选选择择靶材靶材 1Z 靶样 ZZZ 靶样