材料分析方法-李晓娜-5 x射线物理学基础ppt课件

1、第二篇第二篇 X X射线衍射分析射线衍射分析第一章第一章 X X射线物理学基础射线物理学基础 1.1 X射线衍射分析简史射线衍射分析简史1895年，德国物理学家伦琴年，德国物理学家伦琴Rontgen发现发现了了X射线射线X-ray）。伦琴因此荣获）。伦琴因此荣获1901年也年也是首届诺贝尔物理学奖。是首届诺贝尔物理学奖。1912年，劳厄年，劳厄Laue利用利用X射线衍射实验，射线衍射实验，证实了证实了X射线的电磁波本质及晶体原子的周射线的电磁波本质及晶体原子的周期排列，开创了利用期排列，开创了利用X射线衍射分析晶体结射线衍射分析晶体结构的新方法，劳厄因此获得了构的新方法，劳厄因此获得了1914

2、年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。从从1913年起，英国的布拉格父子在劳厄研究的年起，英国的布拉格父子在劳厄研究的基础上，提出了著名的布拉格方程，大大促基础上，提出了著名的布拉格方程，大大促进了晶体物理学的发展。他们荣获了进了晶体物理学的发展。他们荣获了1915年年的诺贝尔物理学奖。的诺贝尔物理学奖。1913年厄瓦尔德年厄瓦尔德(Ewald)根据吉布斯根据吉布斯(Gibbs)的的倒易空间概念，提出了倒易点阵的概念，同倒易空间概念，提出了倒易点阵的概念，同时建立了时建立了X射线衍射的反射球构造方法，并射线衍射的反射球构造方法，并在在1921年又进行了完善。年又进行了完善。英国的巴克拉英国的巴克

3、拉(Barkla)由于发现了标识元素的由于发现了标识元素的次级次级X射线，成为射线，成为X射线波谱学的奠基者，射线波谱学的奠基者，获得了获得了1917年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。瑞典物理学家西格班瑞典物理学家西格班(Siegbahn)根据布拉格公根据布拉格公式，探明了各种元素的式，探明了各种元素的X光谱，确立了光谱，确立了X射射线光谱学，荣获了线光谱学，荣获了1924年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。1923年，美国的康普顿年，美国的康普顿Compton受巴克拉受巴克拉启发，与我国物理学家吴有训合作，发现了启发，与我国物理学家吴有训合作，发现了X射线非相干散射现象，称为康普顿射线

4、非相干散射现象，称为康普顿吴有吴有训散射。康普顿由此获得了训散射。康普顿由此获得了1927年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖。理学奖。2 两个重要人物：两个重要人物： 伦琴伦琴W.C. Rntgen） 劳埃劳埃M. von Laue） 1895年伦琴在研究阴极射线时年伦琴在研究阴极射线时发现了发现了X射线。射线。 1912年劳埃发现了年劳埃发现了X射线在晶射线在晶体中的衍射现象。体中的衍射现象。31.2 X射线的本质与产生射线的本质与产生4 电磁波或电磁辐射，具有波粒二相性。 波动性图1-2 ） 粒子性 描述X射线波动性的物理量，如频率、波长与描述其粒子特性的光量子能量E、动量P之间，遵循爱因斯坦关系

5、式： E = h = hc / P = h / = h / cX射线的本质射线的本质 用于晶体结构分析的用于晶体结构分析的X射线波长：射线波长： 0.250.05nm （硬（硬X射线）射线） 金属零件的无损探伤：金属零件的无损探伤： 0.10.005nm 用于医学透视及安检的用于医学透视及安检的X射线波长射线波长则很长：则很长： 1100nm软软X射线）射线）5 X射线产生的几个基本条件：射线产生的几个基本条件： 产生自由电子；产生自由电子； 使电子作定向高速运动；使电子作定向高速运动； 在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。 主要构造：主要构

6、造： 阴极：发射电子。阴极：发射电子。 阳极：靶阳极：靶target）。使电子突然减速并发射）。使电子突然减速并发射X射线。射线。 窗口：是窗口：是X射线射出的通道。射线射出的通道。6X射线的产生射线的产生7 关于高速电子击靶产生关于高速电子击靶产生X射线的机理，按量子理论的观点，射线的机理，按量子理论的观点，源于两个物理过程：源于两个物理过程： 韧致辐射连续辐射）韧致辐射连续辐射） 阴极射出的高速电子与靶材原子碰撞，运动受阻而减速，阴极射出的高速电子与靶材原子碰撞，运动受阻而减速，其损失的动能便以其损失的动能便以X射线光子的形式辐射出来。射线光子的形式辐射出来。 特征辐射标识辐射）特征辐射标

7、识辐射） 靶材原子处于高能激发态时，内层电子跃迁辐射的靶材原子处于高能激发态时，内层电子跃迁辐射的X射线。射线。两种两种X射线射线图81212nnnnh121212nnnnnnhcc 辐射出的辐射出的X射线的波长频率），由电子跃迁射线的波长频率），由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定：所跨越的两个能级的能量差来决定：辐射出的光量子波长辐射出的光量子波长9 X射线强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱。 连续谱受管电压U，管电流i和阳极靶材的原子序数Z的作用，其相互关系见图： 连续谱的总强度决定于上述U、i、Z三因素： 21iZUKdIISWL连ZUKiUI1连 连续连续X射线谱射线谱10

8、连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释：连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释：在管电压在管电压U作用下，电子到达阳极靶时动能为作用下，电子到达阳极靶时动能为eU，若一个电子在与阳极靶碰撞时，把全部能量都给予若一个电子在与阳极靶碰撞时，把全部能量都给予一个光子，这就是一个光子所可能获得的最大能量，一个光子，这就是一个光子所可能获得的最大能量，即即hmax = eU，此光量子的波长即为短波限，此光量子的波长即为短波限SWL。SWLcheUmaxnmUmUUCsmsJeUhcSWL1240104 .1210602. 110998. 210626. 67191834当加于当加于X射线管两端的电压增高

9、到与阳极靶射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某时，在连续谱的某些特定的波长位置会出现一系列强度峰，峰些特定的波长位置会出现一系列强度峰，峰窄而尖锐。它们的波长对一定材料的阳极靶窄而尖锐。它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征。故称为特征谱或标识谱。的标志或特征。故称为特征谱或标识谱。11 特征标识特征标识X射线谱射线谱特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序数。只决定于阳极靶材元素的原子序数。Mo靶35k

10、V12 特征特征X射线产生的机理射线产生的机理经典原子模型经典原子模型原子内的电子分布在原子内的电子分布在一系列量子化的壳层一系列量子化的壳层上。最内层上。最内层K层能层能量最低。量最低。22242)(2ZnhmeEn)()(1212nnnnEEh图13 原子内层电子被击出而造成空位是产生特征辐射的前提。原子内层电子被击出而造成空位是产生特征辐射的前提。 而欲击出靶材原子内层电子，比如而欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，由阴极射来层电子，由阴极射来的电子的动能就必须大于至少等于的电子的动能就必须大于至少等于K层电子与原子核的层电子与原子核的结合能结合能EK，或，或K电子逸出所做的功电子逸出

11、所做的功WK，即，即eUK=-EK=WK，这个这个UK便是阴极电子击出靶材原子便是阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电电子所需的临界激发电压。压。MgKLM入射电子入射电子二次电子二次电子（自由电子）（自由电子）MgK光子光子MgK光子光子 特征特征X射线的产生条件中为什么存在一个临界激发射线的产生条件中为什么存在一个临界激发电压电压UK？14莫塞莱莫塞莱Moseley H.G.J.）对特征谱进行系统）对特征谱进行系统研究后，在研究后，在1914年得出了特征谱波长年得出了特征谱波长和阳极靶和阳极靶的原子序数的原子序数Z之间的关系之间的关系莫塞莱定律：莫塞莱定律：)(12ZK莫塞莱定律已成

12、为莫塞莱定律已成为X射线荧光光谱分析和电子探针射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。微区成分分析的理论基础。莫塞莱定律莫塞莱定律巴克拉西格班卢瑟福阿伦尼乌斯15 特征谱的强度随管电压特征谱的强度随管电压U和管电流和管电流i的提的提高而增大，其关系的实验公式如下：高而增大，其关系的实验公式如下：I特特K3 i ( U - Un)m 另外，X射线连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射花样分析，因此总希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。实践和计算表明，当工作电压为K系激发电压的35倍时，I特 / I连最大。U (35) UK16 照射到物质上的X射线，除一部分可能沿原入射线束方向

13、透过物质继续向前传播外，其余的，在与物质相互作用的复杂物理过程中被衰减吸收，其能量转换和产物可归纳于后图。1.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用图17 物质对物质对X射线的散射主要是电子与射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果。物射线相互作用的结果。物质中的核外电子有两大类，相应产生两种散射效应。质中的核外电子有两大类，相应产生两种散射效应。 相干散射相干散射coherent scattering弹性散射或汤姆逊散射）弹性散射或汤姆逊散射） 经典散射经典散射 当当X射线与原子中受核束缚较紧的内层电子相撞时，电子受射线与原子中受核束缚较紧的内层电子相撞时，电子受X射线电磁波的影响

14、而绕其平衡位置发生受迫振动，于是变加速振射线电磁波的影响而绕其平衡位置发生受迫振动，于是变加速振动着的电子便以自身为中心，向四周辐射新的电磁波，其波长与动着的电子便以自身为中心，向四周辐射新的电磁波，其波长与入射入射X射线波长相同，且彼此间有确定的周相关系。可以发生相射线波长相同，且彼此间有确定的周相关系。可以发生相互干涉，故称相干散射。互干涉，故称相干散射。 相干散射是相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。射线在晶体中产生衍射现象的基础。1. X射线的散射射线的散射18 非相干散射非相干散射incoherent scattering （康普顿（康普顿-吴有训效应）吴有训效应） 量子散射

15、量子散射 当当X射线光子与原子中受束缚力射线光子与原子中受束缚力弱的电子如原子中的外层电子、自弱的电子如原子中的外层电子、自由电子等发生碰撞时，电子被撞离由电子等发生碰撞时，电子被撞离原子并带走光子的一部分能量而成为原子并带走光子的一部分能量而成为反冲电子。光子损失了能量波长变长反冲电子。光子损失了能量波长变长并改变了并改变了2角，不能产生干涉效应，角，不能产生干涉效应，故叫非相干散射。故叫非相干散射。 根据能量和动量守恒定律，推出根据能量和动量守恒定律，推出= - = 0.00243(1-cos2) = 0.00486sin2 192. X射线的透射和吸收射线的透射和吸收 (1) X射线的吸

16、收与吸收系数射线的吸收与吸收系数a. 衰减规律与线吸收系数衰减规律与线吸收系数 实验证明，当一束单色实验证明，当一束单色X射线透过一射线透过一层均匀物质时，其强度将随穿透深度的增层均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加按指数规律减弱，即：加按指数规律减弱，即：tleII0tleII0或I / I0 为穿透系数或透射系数；为穿透系数或透射系数；l 称线吸收系数单位为称线吸收系数单位为cm-1）。）。20b. 质量吸收系数质量吸收系数 为了避开线吸收系数随吸收体物理状态不同而改变的困难，可以用l /代替l，为吸收物质的密度，这样：ttmleIeII00m =l /称质量吸收系数单位为称质量吸收系数单

17、位为cm2g-1），表示单位重量物），表示单位重量物质对质对X射线的吸收程度。射线的吸收程度。质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长和吸收物质的原子序数和吸收物质的原子序数Z存在函数关系：存在函数关系：334ZKm21复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 对于非单质元素组成的复杂物质，如固溶体、金属间化对于非单质元素组成的复杂物质，如固溶体、金属间化合物等，其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数合物等，其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数mi及各组元的质量分数及各组元的质量分数i 。niimim1连续谱的质量吸收系数连续谱的质量吸收系数 实验证明，连续实验证明，连续X射线穿过物质时

18、的质量吸收系数，射线穿过物质时的质量吸收系数，相当于一个称为有效波长相当于一个称为有效波长有效的波长值所对应的质量吸有效的波长值所对应的质量吸收系数收系数, 有效有效=1.35 SWL。22留意，随波长的降低，留意，随波长的降低，m并非呈连并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。（右图突然升高，出现了吸收限。（右图这种带有特征吸收限的吸收系数曲这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱。线称为该物质的吸收谱。(2) X射线的真吸收射线的真吸收a. 光电效应光电效应 当入射当入射X射线光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳射线光量子的能

19、量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能层电子的结合能时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层逸出成为自由电子，称光电子，原子则处于量的电子从内层逸出成为自由电子，称光电子，原子则处于相应的激发态。这种光子击出电子的现象即为光电效应。此相应的激发态。这种光子击出电子的现象即为光电效应。此效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射波长即为吸收限。波长即为吸收限。23b. 荧光荧光X射线射线 （二次特征（二次特征X射线）射线）c. 俄歇俄歇Auger效应效应一次特征一次特征X射线的一部

20、射线的一部分能量转变为所照射物分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，体质的二次特征辐射，体现出物质对入射现出物质对入射X射线射线的吸收。该吸收非常强的吸收。该吸收非常强烈，吸收系数变化参见烈，吸收系数变化参见后图。后图。010.swf24荧光辐射：当入射荧光辐射：当入射X射线光量子的能量等于或略大于被射线光量子的能量等于或略大于被照射物质原子某壳层电子的结合能时，将该壳层电子击出照射物质原子某壳层电子的结合能时，将该壳层电子击出而使原子处于激发态，原子外层高能态电子向内层空位跃而使原子处于激发态，原子外层高能态电子向内层空位跃迁，辐射出具有特定波长值的迁，辐射出具有特定波长值的X射线，这种由入

21、射射线，这种由入射X射线所射线所激发出来的特征激发出来的特征X射线辐射称为荧光辐射。射线辐射称为荧光辐射。俄歇效应：原子中一个俄歇效应：原子中一个K层电子被入射光量子击出后，层电子被入射光量子击出后，L层层一个电子跃入一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射层填补空位，此时多余的能量不以辐射X射射线的方式放出，而是另一个线的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个这样的一个K层空位被两个层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的应，跃出的L层电子称俄歇电子。层电子称俄歇电子。 荧光效应用于重元素Z 20的成分

22、分析，俄歇效应用于表层轻元素的分析。25物质对物质对X射线的吸收有两类方式，一种是原子对射线的吸收有两类方式，一种是原子对X射线的漫散射，形成漫散射的射线的漫散射，形成漫散射的X射线向四周发射线向四周发散，其能量只占吸收能量的极少部分。真正意义散，其能量只占吸收能量的极少部分。真正意义的吸收是电子在原子内的迁移所引起的，这主要的吸收是电子在原子内的迁移所引起的，这主要就包括了光电子发射、俄歇电子、荧光就包括了光电子发射、俄歇电子、荧光X射线辐射线辐射、正负电子对等个体的能量以及热散能量，称射、正负电子对等个体的能量以及热散能量，称之为真吸收。之为真吸收。漫散射式的吸收与真吸收构成了由质量吸收系

23、漫散射式的吸收与真吸收构成了由质量吸收系数数m 所表征的全吸收。所表征的全吸收。263. 吸收限的应用重点内容）吸收限的应用重点内容）(1) 滤波片滤波片filter的选择的选择滤波片选择原则：滤波片选择原则：当当 Z靶靶 40时，那么时，那么 Z片片 Z靶靶1当当 Z靶靶 40时，那么时，那么 Z片片 Z靶靶2(2) 阳极靶的选择阳极靶的选择Z靶靶 Z试样试样 1 K(光源）光源） K(滤波片）滤波片） K(光源）光源）Cu K(靶略大于试样的靶略大于试样的K系吸收限系吸收限 K避免产生荧光避免产生荧光X射线射线27薄膜厚度测定薄膜厚度测定根据根据X射线的吸收原理，可以证明无薄膜基片的反射强射线的吸收原理，可以证明无薄膜基片的反射强度度I与有薄膜基片的反射强度与有薄膜基片的反射强度It之关系为：之关系为：-(1/sin+1/sin)=ttt