第一章第一节_X射线产生及其物理作用

1、第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析l第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用l第二节第二节 X X射线衍射原理射线衍射原理l第三节第三节 X X射线衍射强度射线衍射强度l第四节第四节 X X射线衍射方法射线衍射方法l第五节第五节 X X射线衍射分析的应用射线衍射分析的应用第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 二、二、X X射线谱射线谱 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 四、四、X X射线的探测与防护射线的探测与防护一、电磁辐射基础u电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场，也称电磁波

2、，电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场，也称电磁波，在空间的传播遵循在空间的传播遵循波动方程波动方程。u电磁辐射表现为电磁辐射表现为波动性波动性和和微粒性微粒性两个相矛盾的特性。两个相矛盾的特性。（一）电磁波谱与原子、分子、固体能级（一）电磁波谱与原子、分子、固体能级波动性和微粒性的统一：波动性和微粒性的统一：lE=hvE=hvlP=h/ P=h/ 注：注：左边表示左边表示电磁辐射的微粒性，电磁辐射的微粒性，右边表示右边表示其波动性。其波动性。电磁辐射电磁辐射微粒性的表现微粒性的表现： 光电效应等；光电效应等；电磁辐射电磁辐射波动性的表现波动性的表现：反射、折射、干涉、衍射、偏振等；反射、折射、

3、干涉、衍射、偏振等；5l按一定波长范围将电磁波分为若干波谱区，按一定波长范围将电磁波分为若干波谱区，各个谱区的电各个谱区的电磁波具有其不同的特性和作用，产生的方式也不尽相同。磁波具有其不同的特性和作用，产生的方式也不尽相同。6长波部分长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，有时习惯上称此部分为微波，有时习惯上称此部分为波谱波谱。中间部分中间部分，包括紫外线、可见光和红外线，统称为光，包括紫外线、可见光和红外线，统称为光学光谱，一般所谓学光谱，一般所谓光谱光谱仅指此部分而言。仅指此部分而言。短波部分短波部分（高能部分），包括（高能部分），包括X

4、X射线和射线和 射线（以及宇射线（以及宇宙射线），此部分可称宙射线），此部分可称射线谱射线谱，是能量高的谱域。，是能量高的谱域。l电磁波谱的分区电磁波谱的分区73 3、原子结构与电子量子数、原子结构与电子量子数 (Atom)(Atom) 原子核原子核+ +核外电子核外电子 质量质量 约约 1/1836 1/1836 质子或中子质子或中子 ，负电荷；，负电荷； 绕核运动，速度绕核运动，速度1/101/10 1/1001/100光速；光速； 波波- -粒粒 轨道非固定，几率最大的轨道非固定，几率最大的 分布构成分布构成电子云层电子云层， 认为核外电子在各自的轨认为核外电子在各自的轨 道道( (称原

5、子轨道称原子轨道) )上运动上运动, ,并并 用用“电子电子( (壳壳) )层层”形象化描形象化描 述电子的分布状况述电子的分布状况 8A A每一运动状态具有确定的能量，每一运动状态具有确定的能量，不同状态能量数值不同状态能量数值不同，变化呈不连续（量子化）。不同，变化呈不连续（量子化）。把不同的能量数值（按一定比例）用把不同的能量数值（按一定比例）用一定高度的水平线代表，并将其按大小顺序排列（由一定高度的水平线代表，并将其按大小顺序排列（由下至上能量增大）而构成的梯级图形称为。一般最底下至上能量增大）而构成的梯级图形称为。一般最底层值为层值为0 0。10B B、为、为表征核外电子的运动（能量

6、）状态，提表征核外电子的运动（能量）状态，提出五个参量：出五个参量：及及，5 5量子数也相应表征了电子的量子数也相应表征了电子的能量状态能量状态( (能级能级) )。 11u当当不考虑不考虑原子中电子的相互作用，原子的整体运动状态（能态）原子中电子的相互作用，原子的整体运动状态（能态）可用核外电子各运动状态（能态）叠加表示。可用核外电子各运动状态（能态）叠加表示。u多电子原子中多电子原子中，存在着电子与电子相互作用等复杂情况，就不，存在着电子与电子相互作用等复杂情况，就不能简单的用能简单的用5 5个量子数来表征原子的整体运动状态，需通过对各个量子数来表征原子的整体运动状态，需通过对各角动量进行

7、加和组合的过程（称为偶合）角动量进行加和组合的过程（称为偶合）获得表征原子整体运动获得表征原子整体运动状态与能态的原子量子数。状态与能态的原子量子数。 12原子基态、激发、电离及能级跃迁原子基态、激发、电离及能级跃迁 p通常，原子核外电子遵从通常，原子核外电子遵从能量最低原理能量最低原理、包利（包利（PauliPauli）不相容原理不相容原理和和洪特（洪特（HundHund）规则）规则，分布于各个能级上，此，分布于各个能级上，此时原子处于能量最低状态，称之为时原子处于能量最低状态，称之为基态基态。p包利（包利（PauliPauli）不相容原理）不相容原理: :一个原子轨道（每一运动状态）最一个

8、原子轨道（每一运动状态）最多只能容纳多只能容纳2 2个电子，且自旋相反个电子，且自旋相反 p能量最低原理：能量最低原理： 在不违背包利原理条件下，电子优先占据能级在不违背包利原理条件下，电子优先占据能级较低的原子轨道，使整个体系能量处于最低；较低的原子轨道，使整个体系能量处于最低；p洪特规则：洪特规则：在能量高低相等的轨道上，电子尽可能分占不同轨在能量高低相等的轨道上，电子尽可能分占不同轨道，且电子自旋平行。道，且电子自旋平行。 13p原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上，原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上，这时的原子状态称这时的原子状态称激发态激发态，是高能态；

9、而原子由基态转变为，是高能态；而原子由基态转变为激发态的过程称为激发。激发态的过程称为激发。p显然，激发需要能量，此能量称为显然，激发需要能量，此能量称为激发能激发能，常以电子伏特（，常以电子伏特（eVeV）表示，称为表示，称为激发电位激发电位。p激发能激发能的大小应等于电子被激发后所处（高）能级与激发前所处的大小应等于电子被激发后所处（高）能级与激发前所处能级（能量）之差。能级（能量）之差。p原子激发态是不稳定态原子激发态是不稳定态，大约只能存在，大约只能存在1010-8-8s s1010-10-10s s，电子将随即，电子将随即返回基态。返回基态。14p原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级

10、向低能级跃迁均原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为称为电子跃迁或能级跃迁电子跃迁或能级跃迁。p电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：辐射跃迁辐射跃迁和和无辐射跃迁无辐射跃迁p跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方以电磁辐射的方式放出式放出，称之为辐射跃迁；，称之为辐射跃迁；p若多余的能量转化为若多余的能量转化为热能等形式热能等形式，则称之为无辐射跃迁。，则称之为无辐射跃迁。能级跃迁：能级跃迁：15p电离：电离：原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束原子中的电子获得足够的能量就会

11、脱离原子核的束缚，产生电离。缚，产生电离。p使原子电离所需的能量称之为使原子电离所需的能量称之为电离能电离能，常以电子伏特表示，称为，常以电子伏特表示，称为电电离电位离电位。p原子失去一个电子，称为原子失去一个电子，称为一次电离一次电离。p再次电离使原子再失去一个电子，称为再次电离使原子再失去一个电子，称为二次电离二次电离。p三次电离等依次类推。三次电离等依次类推。 16分子总能量与能级结构分子总能量与能级结构 p分子的运动及相应能态远比原子来得复杂。分子的运动及相应能态远比原子来得复杂。p一般可近似认为，一般可近似认为，分子总能量分子总能量（E E）由分子中各原子核外）由分子中各原子核外电子

12、轨道运动能量（电子轨道运动能量（E Ee e），原子（或原子团）相对振动能量），原子（或原子团）相对振动能量（E Ev v）及整个分子绕其质心转动的能量（）及整个分子绕其质心转动的能量（E Er r）组成，即）组成，即 E E= = E Ee e+ +E Ev v+ +E Er r （1-101-10） p由于由于E Ee e（简称（简称电子运动能电子运动能）、）、E Ev v（简称（简称分子振动能分子振动能）及）及E Er r（简称（简称分子转动能分子转动能）均是量子化的，故分子能级由电子）均是量子化的，故分子能级由电子（运动）能级、振动能级和转动能级构成，如图（运动）能级、振动能级和转动能

13、级构成，如图1-31-3所示。所示。 17图图1-3 1-3 （双原子）分子能级（结构）示意图（双原子）分子能级（结构）示意图A A、B B- -电子能级；电子能级；V V 、V V - -振动能级；振动能级；J J 、J J - -转动能级转动能级18能带的形成能带的形成 p原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能级上。当级上。当N N个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交叠个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交叠并产生并产生能级分裂现象能级分裂现象。p量子理论证明，量子理论证明，N N个原子中原先能量值相同的能级（如各个原子中原先

14、能量值相同的能级（如各原子的原子的2 2s s能级）将分裂成能级）将分裂成N N个能量各不相同的能级个能量各不相同的能级；但分裂；但分裂的各能级能量差值不大。的各能级能量差值不大。p由于固体中原子数由于固体中原子数N N很大（很大（1mm1mm3 3晶体，晶体，N N=10=10191910102121），因），因而而N N个分裂的能级差值极小，以致于可以视为连续分布，即个分裂的能级差值极小，以致于可以视为连续分布，即形成有一定宽度的能带。能带的形成如图形成有一定宽度的能带。能带的形成如图1-61-6所示。所示。p一般晶体的一般晶体的能带宽度（能带宽度（ E Eg g）约为几个）约为几个eVe

15、V（最多不过几十（最多不过几十个个eVeV）。）。 19图图1-6能带的形成（示意图）能带的形成（示意图） (electron energy band)(electron energy band)：许多原子聚集，由许多分：许多原子聚集，由许多分子轨道组成的近乎连续的子轨道组成的近乎连续的能级带能级带；能带中最高能级与最低能；能带中最高能级与最低能级的能量差称为级的能量差称为与原子数目无关，与原子数目无关，仅取决于原子间距仅取决于原子间距，间距小，带宽大。间距小，带宽大。 。21辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用 p1.1.辐射的吸收与吸收光谱辐射的吸收与吸收光谱 p2.2.辐射的发射与发

16、射光谱辐射的发射与发射光谱 p3.3.光电效应与俄歇效应光电效应与俄歇效应p4.4.辐射的散射辐射的散射 p5.5.光电离光电离 22辐射的吸收与吸收光谱辐射的吸收与吸收光谱 p辐射的吸收：辐射的吸收：是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐是指辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸射被组成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。收，从而使辐射强度减弱的现象。p辐射吸收的实质：辐射吸收的实质：在于辐射使物质粒子发生由低能级在于辐射使物质粒子发生由低能级( (一一般为基态般为基态) )向高能级向高能级( (激发态激发态) )

17、的能级跃迁。的能级跃迁。p被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级间的能量差，即能级间的能量差，即 式中：式中：E E2 2与与E E1 1高能级与低能级能量。高能级与低能级能量。p辐射辐射( (能量能量) )被吸收的程度被吸收的程度( (一般用一般用吸光度吸光度) )与与 或或 的关系的关系( (曲线曲线) )，即，即辐射被吸收程度对辐射被吸收程度对 或或 的分布称为吸收光谱的分布称为吸收光谱。23p辐射的发射：辐射的发射：是指物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。是指物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。p辐射发射的实质：在于辐射跃迁辐射

18、发射的实质：在于辐射跃迁，即当物质的粒子吸收，即当物质的粒子吸收能量被激发至高能态能量被激发至高能态( (E E2 2) )后，瞬间返回基态或低能态后，瞬间返回基态或低能态( (E E1 1) )，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。p发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量( (E E2 2与与E E1 1) )之差之差，即，即p辐射的发射，前提是使物质吸收能量即激发。辐射的发射，前提是使物质吸收能量即激发。p物质激发的方式分为两类：物质激发的方式分为两类：非电磁辐射激发非电磁辐射激发( (非光激发非光激

19、发) )和电磁辐射激发和电磁辐射激发( (光激发光激发) )。辐射的发射与发射光谱辐射的发射与发射光谱 24p非电磁辐射激发非电磁辐射激发又有又有热激发热激发与与电激发电激发等多种方式。等多种方式。p电弧、火花等放电光源和火焰等通过热运动的粒子碰撞而电弧、火花等放电光源和火焰等通过热运动的粒子碰撞而使物质激发称为使物质激发称为热激发热激发，而通过被电场加速的电子轰击使物，而通过被电场加速的电子轰击使物质激发则称为质激发则称为电电( (子子) )激发激发。p电磁辐射激发又称为电磁辐射激发又称为光致发光光致发光，作为激发源的辐射光子称，作为激发源的辐射光子称一次光子一次光子，而物质微粒受激后辐射跃

20、迁发射的光子，而物质微粒受激后辐射跃迁发射的光子( (二次光二次光子子) )称为称为荧光或磷光荧光或磷光。p吸收一次光子与发射二次光子之间延误时间很短吸收一次光子与发射二次光子之间延误时间很短(10(10-8-81010- -4 4s)s)则称为则称为荧光荧光；延误时间较长；延误时间较长(10(10-4-410s)10s)则称为则称为磷光磷光。25p物质粒子发射辐射的强度物质粒子发射辐射的强度( (能量能量) )对对 或或 的分布称为发的分布称为发射光谱。射光谱。p光致发光者，则称为荧光或磷光光谱。光致发光者，则称为荧光或磷光光谱。p不同物质粒子，因能级结构、能量大小不同，故它们不同物质粒子，

21、因能级结构、能量大小不同，故它们具有各自的特征发射（吸收）光谱具有各自的特征发射（吸收）光谱。 26光电子效应与俄歇效应光电子效应与俄歇效应光电效应：原子受电磁辐射的激发而产生光电子的光电效应：原子受电磁辐射的激发而产生光电子的现象。现象。p光电子发射过程由光电子的光电子发射过程由光电子的产生产生、输运输运和和逸出逸出3 3步组成。步组成。1）光电效应）光电效应27q发射过程的能量关系称光电子发射方程，一般可由下式发射过程的能量关系称光电子发射方程，一般可由下式表达，即表达，即 h h = =E Eb b+ + s s+ +E Ek k+ +A A p式中：式中：ph h 入射光子能量；入射光

22、子能量；pE Eb b电子结合能或电离能，即使物质产生光电离所电子结合能或电离能，即使物质产生光电离所需能量；需能量；pA A光电子输运过程中因非弹性碰撞而损失的能量光电子输运过程中因非弹性碰撞而损失的能量p s s逸出功逸出功( (功函数功函数) )，固体样品中光电子逸出表面，固体样品中光电子逸出表面所需能量，所需能量， s s= =E Ev v- -E Ef f（E Ev v为真空能级，为真空能级， E Ef f费米能级）；费米能级）；pE Ek k光电子动能。光电子动能。 28图图2-6 固体的光电子发射能量关系固体的光电子发射能量关系 29俄歇效应俄歇效应1.1.俄歇电子的产生俄歇电子

23、的产生俄歇效应俄歇效应 qX X射线激发原子，使原子电离，原子在发射光电子的同射线激发原子，使原子电离，原子在发射光电子的同时内层出现空位，较外层电子向空位跃迁以降低原子能量时内层出现空位，较外层电子向空位跃迁以降低原子能量的过程，此过程可称为退激发或去激发过程。的过程，此过程可称为退激发或去激发过程。q退激发过程有两种互相竞争的方式，即发射特征退激发过程有两种互相竞争的方式，即发射特征X X射线射线或发射俄歇电子。或发射俄歇电子。 30q内层内层( (例如例如K K层层) )出现空位，较外层出现空位，较外层( (例如例如L L层层) )电子向内层辐电子向内层辐射跃迁，发射的辐射即射跃迁，发射

24、的辐射即X X射线，其光子频率：射线，其光子频率： hvhv= = E E= =E EL LE Ek k 故称为特征故称为特征X X射线射线( (表征元素的特征信息表征元素的特征信息) )。又称荧光。又称荧光( (二次二次)X)X射线。射线。n如原子的退激发不以发射如原子的退激发不以发射X X射线的方式进行，则将以发射俄射线的方式进行，则将以发射俄歇电子的方式进行，此过程称俄歇过程或俄歇效应。歇电子的方式进行，此过程称俄歇过程或俄歇效应。 31图图2-10 俄歇效应俄歇效应俄歇电子的产生俄歇电子的产生(示意图示意图)(a)初态；初态；(b)终态终态 32辐射的散射辐射的散射 p辐射的散射辐射的

25、散射指电磁辐射指电磁辐射( (与物质发生相互作用与物质发生相互作用) )部分偏离原部分偏离原入射方向而分散传播的现象。入射方向而分散传播的现象。p物质中与入射的辐射即入射线相互作用而致其散射的基本物质中与入射的辐射即入射线相互作用而致其散射的基本单元可称单元可称散射基元散射基元。p散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电子等散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电子等，取，取决于物质结构及入射线波长大小等因素。决于物质结构及入射线波长大小等因素。 33晶体中的电子散射晶体中的电子散射pX射线等谱域的辐射照射晶体，电子是散射基元。射线等谱域的辐射照射晶体，电子是散射基元。相干散射（经典散射或

26、汤姆相干散射（经典散射或汤姆p晶体中的电子散射晶体中的电子散射逊散射）逊散射）非相干散射（康普顿非相干散射（康普顿-吴有训效吴有训效应、康普顿散射、量子散射应、康普顿散射、量子散射）图图2-2非相干散射的产生非相干散射的产生34（与原子内层电子碰撞产生弹性散射）（与原子内层电子碰撞产生弹性散射）q相干散射经典电动力学解释：相干散射经典电动力学解释：（与外层电子或晶内自由电子发生非弹性碰撞），（与外层电子或晶内自由电子发生非弹性碰撞），被称为被称为及及，亦称，亦称。非相干散射增。非相干散射增加连续背景，对衍射不利，特别是轻元素。加连续背景，对衍射不利，特别是轻元素。q散射波与入射波无确定位相关系

27、，不能产生干涉效应；散射波与入射波无确定位相关系，不能产生干涉效应；q波长增加。增加值：波长增加。增加值： 0.002430.00243（1 1cos2cos2） (nm) (nm) q22为散射方向与入射方向夹角。为散射方向与入射方向夹角。35光电离光电离 p光电离是指入射光子能量光电离是指入射光子能量( (h h ) )足够大时，使原子或分足够大时，使原子或分子产生电离的现象，子产生电离的现象，其过程可表示为其过程可表示为M+h M+e （2-52-5） 式中：式中：M原子或分子；原子或分子； M+离子；离子； e自由电子。自由电子。p物质在光照射下释放电子物质在光照射下释放电子( (称光

28、电子称光电子) )的现象又称的现象又称( (外外) )光电效应。光电效应。p光电子产额随入射光子能量的变化关系称为物质的光光电子产额随入射光子能量的变化关系称为物质的光电子能谱。电子能谱。p光电子能谱含有光电子能谱含有物质成分物质成分、结构等信息结构等信息的特征谱的特征谱。 36q以以X射线为信号源的材料分析方法有：射线为信号源的材料分析方法有：X射线衍射分析射线衍射分析X射线荧光分析射线荧光分析X射线光电子能谱射线光电子能谱X射线激发俄歇能谱分析射线激发俄歇能谱分析37 阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰撞产生（碰撞产生（1 1能量），其余

29、能量），其余9999转为热能。转为热能。 1 1）产生自由电子；）产生自由电子； 2 2）电子获得较大的负加速度；）电子获得较大的负加速度；3.X3.X射线产生原理：射线产生原理：原子内层电子被激发出去，外层高能级电子向原子内层电子被激发出去，外层高能级电子向内层跃迁，并以内层跃迁，并以X X射线的形式释放能量。射线的形式释放能量。 qX射线的产生原理射线的产生原理38相当于一个真空度为相当于一个真空度为10105 510107 7mmHgmmHg的的大真空二极管大真空二极管：W W丝制成，发射热电子。丝制成，发射热电子。：亦称靶：亦称靶使电子突然减速，发使电子突然减速，发射射X X射线。射线

30、。 常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等X X射线从阳极向外射出区，铍射线从阳极向外射出区，铍制，高真空，对制，高真空，对X X射线吸收小。射线吸收小。阳极靶被电子轰击发射出阳极靶被电子轰击发射出X X射线处。射线处。 40细聚焦细聚焦X X射线管射线管a)a) 旋转阳极旋转阳极X X射线管射线管 41波长较短，能量较高，穿透力强，用于波长较短，能量较高，穿透力强，用于无损探伤及金属的物相分析。无损探伤及金属的物相分析。波长较长，能量较低，穿透力弱，用于波长较长，能量较低，穿透力弱，用于非金属材料分析非金属材料分析2.X2.X射线与物质产生相互作用射

31、线与物质产生相互作用X X射线与物质产生吸收、散射、衍射、俄歇效应、射线与物质产生吸收、散射、衍射、俄歇效应、光电效应等。但几乎所有材料对其折射吸收都接近于光电效应等。但几乎所有材料对其折射吸收都接近于1 1；421 1）特点）特点 具有一最短波长具有一最短波长0 0 ，且，且X X射线覆盖很大波长范围并且连射线覆盖很大波长范围并且连续变化的电磁辐射。续变化的电磁辐射。2 2）电压、电流对连续谱的影）电压、电流对连续谱的影响响按强度随波长变化的关系曲线，分为：连续按强度随波长变化的关系曲线，分为：连续X X射线射线谱、特征谱、特征X X射线谱；射线谱；二、X射线谱43444 4）产生原理产生原

32、理 很大的负加速度很大的负加速度，导，导致周围产生急剧变化的电磁致周围产生急剧变化的电磁场，从而产生电磁辐射；场，从而产生电磁辐射； 因数量极大，其碰撞因数量极大，其碰撞的过程、条件、能量是随机的过程、条件、能量是随机变化，故产生的连续的变化，故产生的连续的X X射射线；线；45 连续谱在短波方向有一最短波长极限连续谱在短波方向有一最短波长极限（0 0）；）； 产生原因：在极限的情况下，原子一次碰撞就耗尽所有能产生原因：在极限的情况下，原子一次碰撞就耗尽所有能量所产生的量所产生的X X射线，射线，。 eV=hvmax=hc/0 0=hc/eV=1.24/V(nm)4647指垂直于指垂直于X X

33、射线传播方向的单位面积在单射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。用位时间内所通过的光子数目的能量总和。用I I表示，单位表示，单位 J/cmJ/cm2 2.s .s 。I I由光子能量由光子能量hvhv及其数目及其数目n n共同决定：共同决定：I Inhv nhv q连续谱总强度：连续连续谱总强度：连续X X射线谱中每条曲线下的面积表示射线谱中每条曲线下的面积表示连续连续X X射线的总强度，也是阳极靶射出射线的总强度，也是阳极靶射出X X射线的总能量：射线的总能量： I I连连iZViZV2 2 （1.11.11.41.4）1010-9-948（射线管效率）（射线管效率

34、） n nI I连总连总/ /管功率管功率 i iiZViZV2 2/iV/iV i iZV ZV 其中其中i i（1.11.11.41.4）1010-9-9（V V）q 可见效率低，多发热，故用高熔点金属可见效率低，多发热，故用高熔点金属做阳极且水冷。做阳极且水冷。49：q同一阳极靶，管电压同一阳极靶，管电压V V不变，不变，提高管电流提高管电流I I，各波长射线的强，各波长射线的强度度I I提高，但提高，但0 0不变；不变；q提高管电压（提高管电压（i i、Z Z不变），不变），各波长射线的各波长射线的I I增大，但短波限增大，但短波限0 0减小；减小； qV V与与i i相同时，原子序数

35、相同时，原子序数Z Z越高，越高，连续谱的连续谱的I I越大，但越大，但0 0不变。不变。50特征特征X X射线射线：当管电压增加至某一临界值时，电子将：当管电压增加至某一临界值时，电子将靶材原子的内层电子激发出去，从而内层产生空位，此时靶材原子的内层电子激发出去，从而内层产生空位，此时较外层的电子将向内层跃迁产生电磁辐射，即特征较外层的电子将向内层跃迁产生电磁辐射，即特征X X射线。射线。特征特征X X射线谱射线谱：在某些特定波长位置出现的，叠加在：在某些特定波长位置出现的，叠加在连续谱上高而狭仄的谱线，连续谱上高而狭仄的谱线，这些峰的波长反应了物质原子这些峰的波长反应了物质原子序数的特征序

36、数的特征，所以叫特征，所以叫特征X X射线；含有特征射线；含有特征X X射线的射线的X X射线谱射线谱称之为特征称之为特征X X射线谱。射线谱。5152q足够能量的电子将阳极靶内层电子击出，低能级出现空位，足够能量的电子将阳极靶内层电子击出，低能级出现空位，系统能量升高，处于不稳定的激发态。系统能量升高，处于不稳定的激发态。q高能级电子向低能级空位跃迁，并以光子形式辐射出特征高能级电子向低能级空位跃迁，并以光子形式辐射出特征X X射线。射线。53K K系辐射系辐射：K K层电子被层电子被击出时，系统能量由击出时，系统能量由基态升高到基态升高到K K激发态，激发态，高能层电子向高能层电子向K K

37、层空位层空位填充时；填充时； 把其中把其中L L层电子填层电子填充空位称为充空位称为K K辐射辐射 M M层电子填充空位层电子填充空位产生产生K K辐射辐射。55q由能级知由能级知K K辐射光子能量大于辐射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K层层与与L L层层为相为相邻能级，邻能级，L L填充几率大，故填充几率大，故。 L L层内层内不同亚能级不同亚能级电子向电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K K11和和K K22的的关系是：关系是： n对于多重线系，如对于多重线系，如L2及及L3层电子向层电子向K层跃迁，形成的层跃迁，形成的K有有如下关系如下关系56n同理，同理，L层电子被激

38、发而产生的特征层电子被激发而产生的特征X射线称为射线称为或或L系射线系射线；若若K K层产生空位，由层产生空位，由L L层或层或M M层或更外层电子跃迁层或更外层电子跃迁产生的产生的X X系特征辐射分别顺序系特征辐射分别顺序称为称为K K ，K K ，射线射线；但距但距K K层越远的能级，电子向层越远的能级，电子向K K层跃迁几率越小，层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故通常除相应产生的辐射光子数越少，故通常除K K 、K K 外，忽略外，忽略其它辐射。其它辐射。若若L L层产生空位，其外层产生空位，其外M M，N N，层电子向其跃迁层电子向其跃迁产生的谱线分别顺序称为产生的谱线分别顺

39、序称为L L ，L L ，射线，并统称为射线，并统称为L L系系特征辐射。特征辐射。M M系等依此类推系等依此类推57：q临界电压临界电压：产生特征：产生特征X射线的最低电压射线的最低电压VK。K K，L L，系特征辐射所对应的激发电压分别是系特征辐射所对应的激发电压分别是V VK K，V VL L，其大小是逐渐减小的。，其大小是逐渐减小的。58q特征特征X X射线的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子射线的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。能级结构，是物质的固有特性。X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z Z的的关系为：关系为： C C及及为与线系有关

40、的常数。为与线系有关的常数。)(/1 ZC59q在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即为主的单色光源，即I I特特I I连连尽可能高。尽可能高。q为了使为了使K K系系 谱线突出，谱线突出，x x射线管适宜的工作电压一射线管适宜的工作电压一般比般比K K系激发电压高系激发电压高3 35 5倍，倍，即：即：V V工作工作= =（3 35 5）V V临界临界（即（即V VK K）；60 其关系的实验公式为：其关系的实验公式为： I I特特KiKi（V V工作工作V Vn n）m m K K常数常数 m m常数，常数，K K系系m

41、m1.51.5，L L系系m m2 2 V Vn n标识谱的激发电压，对标识谱的激发电压，对K K系，系，V Vn nV VK K61X X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，杂，然就其能量转换而言，一束一束X X光通过物质时，分光通过物质时，分为三部分：散射、吸收、透过为三部分：散射、吸收、透过。俄歇电子俄歇电子热能热能透射透射X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I0散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干非相干 的的反冲电子反冲电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应二、X射线

42、与物质的相互作用62 X X射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。q物质中电子在物质中电子在X X射线作用下振动，产生的新电磁波波射线作用下振动，产生的新电磁波波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。散射。222020sin4mRceIIe63qX X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹性碰撞使波长增大；生非弹性碰撞使波长增大；q电子获得能量成为反冲电子；电子获得能量成为反冲电子；q位向差不恒定，无干涉发生。位向差不恒定，无干涉

43、发生。64q X X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁，发生中原子内部的电子跃迁，发生X X射线的射线的和和。65q当入射当入射x x射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生电子时，产生光电效应，并形成二次特征辐射光电效应，并形成二次特征辐射。与此能量。与此能量阈值相应的波长称为物质的阈值相应的波长称为物质的, , 亦称为亦称为K K系特征辐射的系特征辐射的，用，用代表。代表。X X射线光子波长必须小于射线光子波长必须小于。q辐射条件：激发限辐射条件：激发限K

44、K1.24/U1.24/UK K （nmnm） U UK K把原子中把原子中K K壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；66qK K在讨论光电效应产生的条件时叫做在讨论光电效应产生的条件时叫做；若讨；若讨论论X X射线被物质吸收射线被物质吸收( (光电吸收光电吸收) )时，又可把时，又可把K K叫叫。 为产生为产生K K系荧光辐射，入射光子的能量系荧光辐射，入射光子的能量hvhv入射必须大于必须大于或等于或等于K K层电子的逸出功层电子的逸出功W WK K，即，即 hvhv入射hc/hc/入射W WK K 入射hc/eUhc/eUK K=1.24/U=1.24/UK K=K K 67： 当入射当入射X X射线波长刚好小于等于射线波长刚好小于等于K K时，可发生此时，可发生此种物质对波长为种物质对波长为k k的的X X射线的强烈吸收，而且正好射线的强烈吸收，而且正好在在入射K K1 12424U UK K时吸收最为严重，形成所谓时吸收最为严重，形成所谓的的吸收边吸收边，此时荧光散射也最严重。，此时荧光散射也最严重。 68q可利用可利用K K = 1.24/U = 1.24/UK K，如，如K K层激发