第一章射线物理学基础

第一章射线物理学基础演示文稿第一页，共38页。优选第一章射线物理学基础第二页，共38页。一、分析什么内容使用效能性能组成与结构合成与制备工艺第三页，共38页。其中加工工艺、组成结构对材料的性能都有着很直接的、重要的影响。每一方面，以后都有专门的课程进行讲述。这门课里面，我们主要学习怎样分析或研究材料的组成与结构，或说用什么方法来研究。第四页，共38页。组成与结构1、组成相组成（物相组成，物相分析）相：材料中化学组成、结构均匀一致，且物理化学性质相同的某个区域。物相分析的研究对象是相（物相），较为宏观。化学组成（化学分析）化学分析的研究对象是原子、分子，较为微观。第五页，共38页。a)物相分析包括物相的定性分析，定量分析。如陶瓷中的晶相、玻璃相，铁碳合金中的铁素体与渗碳体。b)化学分析现代分析通常指微区的化学成分分析。微区：即显微区域，如纳米级别区域内的化学成分分析。第六页，共38页。2、结构晶体结构与缺陷（晶胞参数、晶型、位错、层错等）。晶粒形状与大小（粒状、柱状等）。晶界等等。第七页，共38页。二、用什么方法来研究1、传统方法是无法满足现在的研究需求的。光学显微镜：分辨率低，放大倍数小，且只能观察表面形貌，不能观察内部组织结构。化学分析：只能作平均的化学成分分析，不能作微区分析。第八页，共38页。2、本课要学的则是一些现代的研究方法，基本能够满足现代研究的需求，主要有：1）X射线衍射（XRD）：晶体结构，晶胞参数，材料中的物相定性及定量分析。2）透射电镜（TEM）：观察材料内部组织结构与形态。3）扫描电镜（SEM）：观察材料外部形貌。4）电子探针（EPMA）：分析微区化学成分。5）其它：如俄歇能谱（AES），红外光谱（IR）等。第九页，共38页。第一章X射线物理学基础X射线的发现：1、1895年，伦琴发现，高速电子撞击物体时，会产生一种辐射，由于不知其性质，故称为X射线。2、当时发现的特点：肉眼不可见，穿透性强，且可使相机底片感光。第十页，共38页。李鸿章在X光被发现后仅7个月就体验了此种新技术，成为拍X光片检查枪伤的第一个中国人。第十一页，共38页。3、1912年，德国劳厄发现了X射线在胆矾晶体中的衍射现象，从而确认了X射线是一种电磁波。4、同年不久，英国布拉格父子首次利用X射线衍射方法测定了NaCl的晶体结构，开创了X射线晶体结构分析的历史。第十二页，共38页。X射线衍射分析：利用X射线通过晶体产生的衍射现象，收集晶体对X射线的衍射线，进行物相成分、结构的分析。第十三页，共38页。X射线衍射分析第十四页，共38页。一、X射线的性质1、是一种电磁波，与其它电磁波及微观粒子一样，具有波粒二象性。2、波长越在0.01～10nm范围内，肉眼不可见。（λ、ν，波动性）3、具有一定的能量，能使荧光屏发光，使底片感光，还可使气体电离。（E、P，粒子性）每个光子的能量：每个光子的动量：第十五页，共38页。4、沿直线传播，在电磁场中发生偏转。5、穿透力强，能穿过可见光不能穿过的物质。6、X射线对生物体有严重的损伤作用。7、X射线通过晶体要产生衍射。这是本篇内容采用的主要性质。采用不同的信号则产生不同的分析方法。如：

X射线衍射分析（XRD）

X射线荧光光谱分析（XRF）

X射线光电子能谱分析（XPS）第十六页，共38页。二、X射线的产生1、X射线机与X射线管结构实验室所用X射线通常由X射线机产生。X射线机基本结构：X射线管，高压变压器，电压、电流的调节稳定系统等。X射线管为X射线机核心部件，种类很多。目前小功率的都使用封闭式电子X射线管，而大功率X射线机则使用旋转阳极靶的X射线管。通常使用封闭式热阴极X射线管。第十七页，共38页。冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩封闭式X射线管第十八页，共38页。第十九页，共38页。

电子束X射线高功率旋转阳极第二十页，共38页。第二十一页，共38页。封闭式热阴极X射线管基本结构及特点1）高真空。防氧化，并保证热电子的自由运动。2）热阴极（灯丝），通常由绕成螺线形的钨丝制成。3）板状阳极（靶）常用靶材：Fe，Co，Ni，Cu，Ag，W4）其它部件：金属聚焦罩（电子束聚焦），窗口（材质为铍、铝、轻质玻璃等。）第二十二页，共38页。2、X射线机工作原理220V交流电通过调压、整流等过程，以负高压形式加到热阴极上。热阴极上由炽热灯丝发出热电子，在高压作用下高速撞向阳极，这时就产生X射线。X射线从窗口发射出来，就可供实验使用。第二十三页，共38页。三、X射线谱从X射线管发出的X射线并不是单一波长的X射线，而是包含包含许多不同波长的X射线。如我们对得到的X射线进行处理，得到类似这样一个波长与强度关系的图谱（图a）。第二十四页，共38页。X射线谱X射线谱指的是X射线强度I随波长λ变化的关系曲线。X射线的强度大小决定于单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数。第二十五页，共38页。1）连续X射线谱：指从某个最短波长λSWL(短波限)开始的连续的各种不同波长的X射线谱。2）特征X射线谱（标识X射线谱）：由若干条特定波长的谱线构成。其波长与管电压、管电流等条件无关，而只与阳极材料有关，故称特征X射线谱，作为阳极材料的特征与标识。第二十六页，共38页。1、连续X射线谱1）基本原理基本原理：任何高速运动的带电粒子突然减速时，都会产生电磁辐射。产生过程：从热阴极发出的热电子以极高速度撞向阳极并突然遏止时，其所带能量大部分转变为热能而损耗，还有一部分动能就以电磁辐射——X射线的形式释放出来。第二十七页，共38页。具体思考：a、热能损耗表现；b、为何此时产生的是连续X射线谱？c、为何存在短波限？第二十八页，共38页。2）短波限的计算存在短波极限，对应于能量为eV的电子将能量全部转换为光量子的能量。管电压越高，λmin越短。阳极的原子序数一定,管电流一定第二十九页，共38页。2、特征X射线谱（标识X射线谱）1）产生原理与过程产生原理：原子内层电子的激发和跃迁。产生过程：（以K系激发为例）第三十页，共38页。特征X射线谱NMKLKγKαKβLαLβK系激发L系激发

在原子内固定壳层上的电子具有特定能量。当外加能量足够大时，可将内层电子激发出去，形成一个内层空位。外壳层的电子跃迁到内层，多余的能量以X射线形式放出。第三十一页，共38页。激发：高电压作用下，热阴极的电子高速撞向阳极，当管电压高于某一临界值UK，电子动能足以将K层电子撞击出来成为自由电子，于是K层形成一个空位，此过程称为激发。趋势：由于K层出现空位，原子处于高能不稳定状态。由能量最低原理，电子有尽量往低能级填充的趋势。跃迁：当K层出现空位，L、M、N层电子都有可能跃入此空位，其能量差就以X射线形式辐射出来，此即特征X射线或标识X射线。第三十二页，共38页。2）特征波长（频率）计算莫塞莱定律：莫塞莱对特征谱经过研究，发现这样的规律：

：波长;K：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数;Z：靶材原子序数;

：屏蔽常数第三十三页，共38页。其中可见K2与跃迁情况有关。R为里德伯常数，R=1.0974×107m-1.可见，特征谱波长只与能级差（原子序数，跃迁情况）有关。比较：

Kα

Kβ>第三十四页，共38页。四、X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用时，会产生各种效应，主要有：1）部分光子因与原子碰撞而改变前进方向，形成散射线；2）另一部分光子可能被原子吸收，产生光电效应；3）还有部分光子的能量在与原子碰撞时传递给原子，成为热振动能。第三十五页，共38页。这些过程如图所示：H热能入射X射线强度为I0透过X射线强度为I=I0e-uH荧光X射线电子散射X射线相干反冲电子光电子非相干俄歇电子第三十六页，共38页。