现代仪器分析 X射线物理学基础PPT课件

1、所负责仪器所负责仪器 1.扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（S-3000N） (Scanning electron microscope, 简写简写SEM) (Field emission scanning electron microscope,FE-SEM) 2.高分辨透射电子显微镜（高分辨透射电子显微镜（JEM 2100） (High-resolution transmission electron microscopy, HRTEM) 3.粉末粉末X射线衍射仪（射线衍射仪（D8 Advance） (x-ray diffaraction,XRD)第1页/共55页主要内容 一、一、X X射线

2、物理学基础射线物理学基础 二、晶体学基础知识及二、晶体学基础知识及X X射线的衍射方射线的衍射方向向 三、三、X X射线衍射仪应用射线衍射仪应用第2页/共55页第一章第一章 X射线物理基础射线物理基础 1.X1.X射线的性质射线的性质, ,本质和本质和X X射线的产生射线的产生 2.X2.X射线谱射线谱-连续谱连续谱, ,特征谱特征谱 3.X3.X射线的探测与防护射线的探测与防护 第3页/共55页X X射线的发现伟大的物理学家，X射线发现者-伦琴第4页/共55页X X射线的产生射线的产生 18951895年，伦琴在研究阴极射线管时，他发现一年，伦琴在研究阴极射线管时，他发现一块涂有氰亚铂酸钡的

3、荧光屏发出荧光，他试着块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光，他试着用各种物质挡，都挡不住。伦琴意识到这可能用各种物质挡，都挡不住。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。特别强的穿透力。本质是什么？不知道，就叫“X射线”吧！阴极阳极+-第5页/共55页 X X射线的发现时1919世纪末2020世纪初物理学的三大发现（X X射线、放射线、电子）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。X X射线发现的意义第6页/共55页可以使底片感光可以使底片感光X X射线的性质射线的性质 李鸿章在李鸿章在X X光被发现后光被发现后仅仅7 7个月就

4、体验了此种新个月就体验了此种新技术，成为拍技术，成为拍X X光片检查光片检查的第一个中国人。并且第的第一个中国人。并且第一个把一个把X X射线设备引进中射线设备引进中国。国。第7页/共55页X射线照片第8页/共55页 1895-1897年伦琴搞清楚了年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质。射线的产生、传播、穿透力等大部分性质。 1901年伦琴获第一届诺贝尔物理学奖。年伦琴获第一届诺贝尔物理学奖。第9页/共55页X射线最早的应用射线最早的应用 在在X X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务射线发现后几个月医生就用它来为病人服务（X X光片）光片） 右图是纪念伦琴发现右图是纪念伦琴

5、发现X X射线射线100100周年发行的纪念邮周年发行的纪念邮票票第10页/共55页X X射线的性质射线的性质 人的人的肉眼看不见肉眼看不见X X射线，但射线，但X X射线能使射线能使气气体电离体电离，使照相，使照相底片感光底片感光，能，能穿过不透穿过不透明的物体明的物体，还能使，还能使荧光物质发出荧光荧光物质发出荧光。 X X射线呈射线呈直线传播直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 X X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀

6、伤生杀伤生物细胞物细胞。第11页/共55页X X射线的本质射线的本质电磁波电磁波（又称电磁波（又称电磁辐射电磁辐射）是由同相）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动。间中以波的形式移动。人眼可接收到的电磁辐射，波长大人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在约在380380至至780780纳米之间，称为纳米之间，称为可见可见光光。只要是本身温度大于绝对零度。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。对零度的物体。 从科学的角度来说，电磁波

7、是能量从科学的角度来说，电磁波是能量的一种。其速度等于光速的一种。其速度等于光速c（每秒（每秒310的的8次方米）。次方米）。第12页/共55页光栅衍射光栅衍射第13页/共55页X X射线的本质射线的本质第14页/共55页X X射线的本质射线的本质劳埃劳埃(18791960) 德国物理学家德国物理学家 1912 1912年德国物理学家劳埃认为是年德国物理学家劳埃认为是X X射射线可能是电磁波，去找普朗克老师，没线可能是电磁波，去找普朗克老师，没得到支持后，去找正在攻读博士的索末得到支持后，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终于做出了菲，两次实验后终于做出了X X射线的衍射射线的衍射实验。实验

8、。第15页/共55页他因此项成果于他因此项成果于19141914年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。晶体的三维光栅Three-dimensional “diffraction grating”第16页/共55页劳厄法劳厄法x x射线衍射实验的基本装置与所拍的照片射线衍射实验的基本装置与所拍的照片 爱因期坦称，劳厄的实验爱因期坦称，劳厄的实验“ 物理学最美的实验物理学最美的实验”。它。它一箭双雕地解决了两个问题：一箭双雕地解决了两个问题： （1 1） X X射线是波长极短的电磁波。射线是波长极短的电磁波。 （2 2）晶体中原子的排列很整齐，原子间距是）晶体中原子的排列很整齐，原子间距是n n个个 的

9、量级的量级。第17页/共55页 X X射线和可见光一样属于射线和可见光一样属于电磁波电磁波，仅是波长，仅是波长短而已，介于紫外线与短而已，介于紫外线与射线之间，因此具有射线之间，因此具有波波粒二像性粒二像性。既有波动性，又有粒子性。既有波动性，又有粒子性。 在在x x射线衍射分析中应用的主要是它的波动射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。性，反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。X X射线的本质射线的本质第18页/共55页波动性波动性 它以一定的波长和频率在空间传播。 X射线的波长范围：射线的波长范围： 0.1100 表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的表现形式

10、：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。射线的波动性。第19页/共55页 硬硬X X射线（射线（0.005-0.1nm0.005-0.1nm）：波长较短的硬）：波长较短的硬X X射射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。无损探伤及金属物相分析。 软软X X射线（射线（0.1-1nm0.1-1nm）：波长较长的软）：波长较长的软X X射线能量射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。 X X射线波长的度量单位常用埃（射线波长的度量单位

11、常用埃（）表示；通用）表示；通用的国际计量单位中用纳米（的国际计量单位中用纳米（nmnm）表示，它们之）表示，它们之间的换算关系为：间的换算关系为：1nm=101nm=10=10=10-9-9m m第20页/共55页粒子性粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。电效应；二次电子等。爱因斯坦证明爱因斯坦证明X射线的频率射线的频率、波长、波长以及其光子的以及其光子的能量能量、动量、动量p之间存在如下关系：之

12、间存在如下关系：式中式中h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.62510-34J.s; cX射线的速度，等于射线的速度，等于2.9981010cm/s.hp hch第21页/共55页相关习题：相关习题： 1.试计算波长试计算波长0.71（Mo-K）和）和1.54（Cu- K）的）的X射线束，其频率和每个射线束，其频率和每个光子的能量？光子的能量？ 第22页/共55页X X射线的产生原理及射线的产生原理及X X射线管射线管X射线的产生原理： 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（中一小部

13、分（1左右）能量转变为左右）能量转变为X射线，而绝大部分（射线，而绝大部分（99左右）能量转左右）能量转变成热能使物体温度升高。变成热能使物体温度升高。阴极阳极+-第23页/共55页产生条件产生条件 1.产生自由电子；产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动; 3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。第24页/共55页接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X X射线管剖面示意图射线管剖面示意图（回车键演示）过程演示过程演示第25页/共55页X X射线管的结构为：射线管的结构为：第

14、26页/共55页X X射线管射线管 （1） 阴极发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。 （2） 阳极靶，使电子突然减速并发出X射线。 （3） 窗口X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。第27页/共55页X X射线管射线管（4） 焦点阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点第28页/共55页2 X射线谱射线谱 由由X X射线管发射出来的射线管发射出来的X

15、 X射线可以分为两种类型：射线可以分为两种类型： (1)(1)连续连续X X射线射线（多色或白色（多色或白色X X射线）；射线）； (2)(2)特征特征X X射线射线( (单色单色X X射线射线) )。 第29页/共55页X射线谱射线谱- 连续连续X射线谱射线谱 具有连续波长的具有连续波长的X射线，构成连续射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多射线谱，它和可见光相似，亦称多色色X射线或白色射线或白色X射线。射线。 在管压很低时，小于在管压很低时，小于20kv的曲线是的曲线是连续变化的，故称之连续连续变化的，故称之连续X射线谱，射线谱，即连续谱。即连续谱。第30页/共55页产生机理产生机

16、理 能量为能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为的光子，这样的光子流即为X射线。射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。射线谱。第31页/共55页短波限短波限 极限情况下，能量为极限情况下，能量为eV的电子在碰撞中一

17、下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限波长，即短波限0。都有一个最短波长，称之短波限。都有一个最短波长，称之短波限0，强度的最大值在，强度的最大值在0的的1.5倍处。倍处。 eV = hmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm） 式中式中e-e-电子电荷，等于电子电荷，等于1.6021.6021010-19-19C C，V-V-电压（电压（KVKV）第32页/共55页相关习题相关习题试计算用试计算用50千伏操作时，千伏操作时，X射线管中射线管中的电子在撞击靶时，所发射的的电子在撞击

18、靶时，所发射的X射线射线短波限为多少？短波限为多少？第33页/共55页X X射线谱射线谱- -特征特征X X射线谱射线谱 当电压加到当电压加到25Kv25Kv时，在连时，在连续谱的基础上叠加若干条续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线。具有一定波长的谱线。第34页/共55页X X射线谱射线谱- -特征特征X X射线谱射线谱 钼靶钼靶X射线管在射线管在25KV电压下的谱线，其电压下的谱线，其特征特征x射线分别位于射线分别位于0.63 （K）和）和0.71（K）处，后者的强度约为前者）处，后者的强度约为前者强度的五倍。强度的五倍。 第35页/共55页 随着电压的增大，其强度进一步增强，随着电压的

19、增大，其强度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。长与管压和管流无关。第36页/共55页不同靶材料具有不同波长的特征不同靶材料具有不同波长的特征x x射线和激发电压射线和激发电压 经过总结发现，它经过总结发现，它与靶材元素有关与靶材元素有关。对给定的靶材，。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征x x射线射线谱或标识谱或标识x x射线谱。产生特征射线谱。产生特征x x射线的最低电压称激发射线的最低电压称激发电压。电压。 第37页/共55页特征特征X X射线的产生机理射线的产生机

20、理 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K K、L L、M M、N N等字母代表它们的名称。等字母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。而使它的能量增高，原子处于激发状态。 如果如果K K层电子

21、被击出层电子被击出K K层，称层，称K K激发，激发，L L层电层电子被击出子被击出L L层，称层，称L L激发，其余各层依此类激发，其余各层依此类推。推。第38页/共55页特征特征X X射线的产生机理射线的产生机理 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。故辐射出的特征X射波长一定。 当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即LKLKKhhWWh第39页/共55页特征特征X X射线的命名方法射线的命名方法 同样当

22、同样当K空位被空位被M层电子填充时，则层电子填充时，则产生产生K辐射辐射。M能级与能级与K能级之差大能级之差大于于L能级与能级与K能级之差能级之差，即一个，即一个K光光子的能量大于一个子的能量大于一个K光子的能量；光子的能量； 但因但因LK层跃迁的几率比层跃迁的几率比MK跃迁跃迁几率大几率大，故，故K辐射强度比辐射强度比K辐射强辐射强度大五倍左右。度大五倍左右。 显然，显然， 当当L层电子填充层电子填充K层后，原子层后，原子由由K激发状态变成激发状态变成L激发状态，此时更激发状态，此时更外层如外层如M、N层的电子将填充层的电子将填充L层层空位，产生空位，产生L系辐射。因此，当原子系辐射。因此，

23、当原子受到受到K激发时，除产生激发时，除产生K系辐射外，还系辐射外，还将伴生将伴生L、M等系的辐射。除等系的辐射。除K系系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。其余各系均因波长长而被吸收。第40页/共55页 在在X X射线多晶体衍射中，主要是利用射线多晶体衍射中，主要是利用K线作为辐射源。线作为辐射源。常用铜靶的常用铜靶的KK线波线波长为长为1.5418741.541874第41页/共55页X X射线滤波片的选择 在一些衍射分析工作中，我们只希望是在一些衍射分析工作中，我们只希望是kk辐射辐射的衍射线条，但的衍射线条，但X X射线管中发

24、出的射线管中发出的X X射线，除射线，除kk辐射外，还含有辐射外，还含有K K辐射和连续谱，它们会使衍辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。射花样复杂化。 获得单色光的方法之一是在X X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将K K和连续谱衰减到可以忽略的程度。 第42页/共55页滤波片的选择规则滤波片的选择规则 实验发现：实验发现： 1 1： Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤滤Z Z靶靶-1-1； 2 2： Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤滤Z Z靶靶-2 -2 实践表明，当实践表明，当KK强度被衰减到原来的一半时，强度被衰减到原来的一半时，K/KK/K的强度比将由原来的的强度

25、比将由原来的1/51/5降为滤波后降为滤波后的的1/5001/500左右左右，这对大多数衍射分析工作已经，这对大多数衍射分析工作已经满意。满意。第43页/共55页X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X X射线与物质相互作用时，产生各种不同的复杂的过程。射线与物质相互作用时，产生各种不同的复杂的过程。就其能量转换而言，一束就其能量转换而言，一束X X射线通过物质时，可分为三射线通过物质时，可分为三部分：一部分被部分：一部分被散射散射，一部分被，一部分被吸收吸收，一部分，一部分透过透过物质物质继续沿原来的方向传播。继续沿原来的方向传播。 1.X射线的散射 X X射线被物质散射时，产生两种现象：

26、 相干散射； 非相干散射。第44页/共55页 相干散射相干散射 当当X X射线通过物质时，射线通过物质时，物质原子的物质原子的内层电子内层电子在电磁场在电磁场的作用下将产生受迫振动，其的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射振动频率与入射X X射线的频率射线的频率相同。相同。 由于由于散射线与入射线的散射线与入射线的波长和频率一致波长和频率一致，位相固定，位相固定，在相同方向上各散射波在相同方向上各散射波符合相符合相干条件干条件，新的散射波之间发生，新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。的干涉现象称为相干散射。 相干散射是相干散射是X X射线在晶体中产射线在晶体中产生衍射现象的基础。生衍射

27、现象的基础。第45页/共55页 非相干散射非相干散射 X X射线光子与射线光子与束缚力不大的束缚力不大的外层电子或自由电子外层电子或自由电子碰撞时电子获碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，得一部分动能成为反冲电子，X X射线射线光子离开原来方向，能量减小，波光子离开原来方向，能量减小，波长增加。长增加。 非相干散射是康普顿（非相干散射是康普顿（）和）和我国物理学家吴有训等人发现的，我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出地表现出X X射线的微粒特性。射线的微粒特性。 它会增加连续背影，给衍射图象带它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的

28、影响，特别对轻元素。来不利的影响，特别对轻元素。第46页/共55页相干散射相干散射因为是相干波所以可以干涉加强因为是相干波所以可以干涉加强. .只有相干散射才能产生衍射只有相干散射才能产生衍射, ,所以所以相相干散射是干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础不相干散射不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生因为不相干散射不能干涉加强产生衍射衍射, ,所以不相干散射只是所以不相干散射只是衍射的背衍射的背底底第47页/共55页X射线的吸收射线的吸收 物质对物质对X X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X X射线能量在通过物质时射线能量在通过物质时转变为其它转变为其它形式的能量，形式的能量，X X射线发

29、生了能量损耗射线发生了能量损耗。物质对。物质对X X射线的吸收主要射线的吸收主要是由是由原子内部的电子跃迁原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生而引起的。这个过程中发生X X射线的光射线的光电效应和俄歇效应。电效应和俄歇效应。 光电效应光电效应和荧光和荧光X射线射线； 俄歇效应俄歇效应。第48页/共55页光电效应光电效应 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子光电子。第49页/共55页俄歇效应和荧光和荧光X X射线射线 原子在失掉原子在失掉K K层电子，处于层电子，处于K K激发态；当激发态；当L L层电子填充空位时，放出多余能层电子填充空位时，放出多余能量，产生两种效应：量，产生两种效应：(1) (1) 荧光荧光X X射线；射线；(2) (2) 产生二次电离，使产生二次电离，使另一个另一个L L层层核外电子成为二次电子核外电子成为二次电子俄歇电子俄歇电子。第50页/共55页光电子光电子被被X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子, ,它带有它带有壳层的特征能量壳层的