材料研究与测试方法2

材料研究与测试方法X射线衍射分析技术X射线衍射分析技术X射线物理学基础X射线的发现X射线又名伦琴射线,是德国物理学家:RÖntgenWilhelmConrad(1845.03.27-1923.2.10)于1895年发现的。伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：《一种新的射线--初步报告》1901年RÖntgen获首届诺贝尔物理学奖。X射线的本质X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。(1)波动性;(2)粒子性。相关习题：波动性X射线的波长范围：0.01~100Å表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。X射线波长的度量单位常用埃（Å）或晶体学单位（kX）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10Å=m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)。1.1x射线的本质x-ray的性质：使底片感光、荧光板发光、气体电离。具有极强的穿透能力。沿直线传播。杀死（伤）生物细胞。x射线的本质波长很短的电磁波0.01~100Å用于晶体分析的λ=0.5~2.5Å具有波粒二象性波动性：以一定频率、波长在空间传播；微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。x射线的本质波长λ、振动频率ν、传播速度c间的关系：λ=c=3×108m/sE=hν=P=h=6.63×10-34J·S1.2x射线的产生凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流被突然减速时均能产生x-ray。获得x射线必须具备的基本条件：①产生自由电子②使电子作定向高速运动③突然止住电子x射线仪x射线管高压变压器低压稳压电源自动控制、指示装置x射线管x射线管阴极：发射电子。由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由电子，奔向阳极。阳极：使电子突然减速和发射x-ray。良好的循环水冷却，防止靶熔化。窗口：x-ray从阳极靶向外射出的地方。2个或4个专门材料（Be）制成。x射线管焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方。其形状与大小是x-ray管的重要质量指标，由灯丝的形状及聚焦罩所决定。1mm×10mm的长方形表观焦点：接受方向上x-ray的截面积。点光源1×1正方形线光源0.1×10线状焦点x射线管较小的焦点和较强的x-ray强度，对x-ray衍射图可提高分辨本领和缩短曝光时间。①接受x-ray时使窗口处于与靶面成一定角度的位置。出射角3°~6°②窗口开设在与焦点的长边和短边相对应的位置。1.3x射线谱施加不同的电压，得到波长和强度的关系曲线，称为x-ray谱。λminλ相对强度I连续X射线特征X射线（1）连续x射线谱特点：①强度随波长连续变化。②每条曲线都有一个强度最大值和波长极限——短波限λº。产生原因：高速运动的电子被靶面骤然阻止。Iλ连续x-ray谱的构成电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转化为热能，一部分以x-ray释放。撞向阳极的电子目数很多，时间、条件不同，或多次碰撞逐步减少其能量。动能转换为x-ray的能量有多有少，射出x-ray的频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。短波限λº的形成量子理论解释式中：e—电子电荷=4.803×10－10静电单位=1.602×10－19cv—管电压1V=静电单位。短波限λº短波限只与管电压有关，不受其它因素影响。x射线强度是指垂直于x-ray传播方向的单位面积上在单位时间内的光量子数目的能量总和。I=nhνJ/m2.s是由光子数目和光子能量两因素决定。连续谱中的强度最大值不在光子能量最大处，而是在大约1.5处。曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。x射线强度x-ray连续谱的总强度I与i、v、z之间存在经验公式：式中：k—常数k≈1.1~1.4×10－9（V－1）m—常数m≈2z—阳极靶的原子序数i—管电流（mA）v—管电压（kv）连续谱变化规律i1i2i3λI管流i3>i2>

i1IλIλ不同阳极WAgMo（2）标识x射线谱特点：①具有特定的波长。②当管电压超过某一特定值Vk时产生。③叠加在连续x-ray谱上的。产生原因：与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。标识x射线谱原子系统内的电子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级，能级是不连续的，K层靠近原子核，能量最低。管电压增加到一定数值，电子脱离原轨道，体系处于不稳定的激发态。电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识x-ray谱。标识x射线谱标识x射线谱k层电子被迁出的过程叫k系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射为k系辐射。Kα是由Kα1和Kα2两条谱线组成，与原子能级的精细结构有关。

激发电压VK

开始产生标识谱线的临界电压。电子具足够能量把靶中原子某一能级上的电子打掉产生特征x-ray所必须达到的最低电压。同一靶材料VK>VL>VM不同靶材料的原子结构不同，各自的激发电压不同，辐射的波长也不同。标识x射线谱的波长标识x-ray谱的波长只取决阳极靶材料的原子序数，是物质的固有特性。（莫塞莱定律）：式中：K—常数（与靶材物质总量子数有关）σ—常数（与电子所在壳层位置有关）z—靶材料的原子序数标识x射线谱的强度

IK=Bi(V-VK)n式中：B、n—常数，n=1.5~1.7i—管电流V—工作电压VK—K系激发电压x射线管最佳工作电压

连续谱的背底只能增加衍射花样的背影。V=（3～5）VK时，I标/I连最大。小结：比较内容连续谱特征谱谱线特征谱线形态电压变化电流变化靶材料原子序数变化机理数学表达式例：分别给出施加15KV高压时，Cu靶和Mo靶x-ray管的x-ray谱，说明它们有何异同。已知：靶元素原子序数λKαÅλKβÅλKÅVKKVCu291.54181.39221.38048.9Mo420.71070.63230.6198201.4x射线与物质的相互作用

X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束X射线通过物体后，其强度被衰减，是其散射和吸收的结果，吸收是造成强度衰减的主要原因。x射线与物质的相互作用（1）x射线的散射物质对x-ray的散射主要是物质中的电子与x-ray的相互作用。散射：x-ray光子与物质中的电子相遇时改变了原来传播方向，造成了在原来传播方向上强度减弱的现象称为散射。分为：相干散射、非相干散射相干散射（经典散射）

在入射束电场的作用下，物质原子中的电子被迫围绕其平衡位置振动，向四周辐射与入射x-ray波长相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干条件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花样。相干散射是x-ray在晶体中产生衍射现象的基础。相干散射x-ray光子与原子内束缚紧的电子相碰撞时（弹性碰撞），光子能量可认为不受损失，只改变方向。相干散射不损失x-ray能量，只改变它的传播方向，对入射线方向来说，强度衰减。非相干散射（量子散射）

x-ray光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时（非弹性碰撞），电子获得部分动能成为反冲电子，光子离开原来的方向，碰撞后的光子能量减少，波长改变。散射线之间不发生干涉作用，分布在各个方向，强度很低，在衍射花样中，只增加连续背影，对衍射图像是不利影响。非相干散射波长变化量为：△λ=λ′－λ=0.00243(1-cos2θ)nm式中：2θ—散射角（散射线与入射线）（2）x射线的吸收

x-ray能量在通过物质时转变为其它形式的能量，对x-ray而言，发生了能量损耗。物质对x-ray的