§1. X射线的基本性质.ppt

X射线衍射分析基础及应用,主要参考书,1.藤凤恩，X射线结构分析与材料性能表征，科学出版社，1997。2.张建中，晶体的射线衍射基础，南京大学出版社，1992。3.黄胜涛，固体X射线学，高等教育出版社，1990。4.周玉，材料分析测试技术，哈尔滨工业大学出版社，1998。5.梁栋材，X射线晶体学基础，科学出版社，1991。6.肖序刚，晶体结构几何理论，高等教育出版社，1993。7.李树棠，X射线衍射实验方法，冶金工业出版社，1993。8.余焜,材料结构分析基础，科学出版社，2000。9.梁敬魁，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社，2003。,1.X射线的基本性质,1.1X射线的产生1.2X射线的本质和X射线谱1.3X射线与物质的作用,引言,X射线是1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的。由于当时对它的本质还不了解，故称为X射线。后来，为了纪念这一重大发现，人们也把它称为伦琴射线。人的肉眼是看不见X射线的，但它确能使铂氰化钡等物质发出可见的荧光，使照相底片感光，使气体电离。利用这些特性人们可以间接地发现它的存在。,1.1X射线的产生,一、X光管,二、焦点与有效焦点,从X光管中发出X光的部位是靶面上被电子轰击的面积，称此为焦点。焦点的形状取决于灯丝的形状。柱状灯丝射出截面为长方形的电子束，相应地，焦点也是长方形的。一般X光管焦点尺寸为110mm2，当带有Kratky狭缝小角散射附件时通常选用焦点为212mm2，功率为2.7KW的X光管。特殊用途的细焦X光管，它的焦点只有几微米到几十微米。,通常取用X光束时要与靶表面成一定的角度，一般此角记为，36。焦点在取用方向的法平面上的投影，与焦点的实际尺寸不同，称此投影为有效焦点。图14表示出，如果沿长方形焦点的长轴方向取用X光，当6时，有效焦点则为11mm2的正方形，称此为点焦；如果沿它的短轴方向取用，则成为0.110mm2的长方形，称此为线焦。有效焦点的尺寸和形状实际上影响着衍射图样的分辨率。普通X光管的点、线焦点转换只需转90即可。,1.2X射线的本质和X射线谱,一、X射线的本质X射线是波长10310nm之间的电磁波，如图所示。一般衍射工作中使用的波长在0.050.25nm左右。,X光光子能量式中h：普朗克常数值为6.62510-34Js-1：X射线频率（s-1）c：X射线的速度值为2.998108ms-1：短波线(nm),二、X射线谱,X射线强度I随波长而变化的关系曲线称为X射线谱。1.X射线连续谱当X光管中高速运动的电子射到阳极表面时，它的运动突然受到阻止，使其周围的电磁场发生急剧变化，从而产生电磁波。由于大批电子射到阳极上的时间不同，因此，所产生的电磁波具有各种不同的波长，形成了X射线的连续谱。,连续X射线谱具有如下的规律和特点：（1）、当增加X射线管压时，各波长射线的相对强度一致增高，最大强度波长m和短波限0变小。（2）、当管压保持不变，增加管流时，各种波长的X射线相对强度一致增高，但m和0数值大小不变。（3）、当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随元素的原子序数的增加而增加。,2.X射线特征谱当管电压超过某一临界值K激发电压时（如对鉬靶超过20千伏），强度分布曲线I（）将产生显著的变化，即在连续X射线谱某几个特定波长的地方，强度突然显著地增大。由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为特征X射线，并由它们构成了特征X射线谱。,特征X射线的产生可以从原子结构的观点得到解释。特征X射线的相对强度是由各能级间的跃迁几率决定的，另外还与跃迁前原来壳层上的电子数多少有关。特征X射线产生的根本原因是原子内层电子的跃迁,下图中两个强度特别高的窄峰称为钼的K系X射线，波长为0.63埃的是K射线，波长为0.71埃的是K射线。K线又可细分为K1和K2两条线，其波长相差约为0.004埃，K1和K2射线的强度比约为2比1。而K与K的强度比约为5比1。当继续提高管电压时，图17中各特征X射线的强度不断增高，但其波长不变。我们通常的晶体衍射分析都是用K特征X射线谱，而把K谱滤掉。,1.3X射线与物质的作用,当X射线照射到物体上时，一部分光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，造成散射线，另一部子可能被原子吸收，产生光电效应，再有部分光子的能量可能在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为热振动能量。一、相干散射能量没有损失，波长不变化。二、非相干散射损失部分能量，波长变长。三、二次特征辐射（荧光辐射）二次电子、荧光X射线、俄歇电子。,四、X射线的衰减规律当X射线穿过物质时，由于受到散射，光电效应等的影响，强度会减弱，这种现象称为X射线的衰减。当X射线穿过物体时，其强度是按指数规律下降的。若以I0表示入射到物体上的入射线束的原始强度，而以I表示穿过厚度为x的匀质物体后的强度，则有：I=I0e-lx式中l称之为线吸收系数，它相应于单位厚度的该种物体对X射线的吸收，对于一定波长的X射线和一定的吸收体而言为常数。但它与吸收体的原子序数Z、吸收体的密度及X射线波长有关，实验证明，l与吸收体的密度成正比，即：l=m这里m称为质量吸收系数，它只与吸收体的原子序数Z以及X射线波长有关，而与吸收体的密度无关，所以有：I=I0e-mx,五、滤波片的选用,利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特点，可制作滤波片。选择合适的材料作滤波片，就可得到近单色的X光束，这是最常用的X光单色化的方法。我们通常按如下规律选取：当靶材料的原子序数Z靶40时，应选用（Z靶2）的元素作为滤波片。例如，铜（Cu）靶选择镍（Ni）滤波片、钼（Mo）靶选择锆（Zr）滤波片。,六、X射线的探测与防护,目前，使用的X光探测器一维的有闪烁计数管、正比计数管、固体探测器（不需滤片）、万特探测器等。二维的有GA