1-1 x射线物理基础.ppt

1、X射线衍射分析,第一篇：X射线衍射分析（XRD）,X射线物理基础 X射线晶体学基础 X衍射理论 X衍射的应用,1.怎样得到一张好的粉末衍射谱？ 2.从一张图谱中可以挖掘出什么样的信息？ 1衍射峰位置：物相定性 2衍射峰强度：物相含量 3衍射峰型以及面积：结晶度 4峰型拟合：晶粒尺寸及微观应变 5全谱精修：晶胞参数计算 6应力分析 7粉末法未知晶体结构解析 。,主要内容：,1.X射线的本质、产生和性质 2.X射线谱-连续谱,特征谱 3.X射线与物质的相互作用,第一节 X射线物理基础,伟大的物理学家,X射线发明者 -伦琴,1895年德国物理学家-“伦琴”发现X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了

2、X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奖,1.1 X 射线的发现,螢光一閃 揭開物理新紀元 照片一張 掀起報界千層浪,.tw/PurpleWoo/Literature/!%E6%95%B8%E7%90%86%E5%8C%96%E9%80%9A%E4%BF%97%E6%BC%94%E7%BE%A9/數理化通俗演義.htm,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,粒子流？电磁波？,1.2、X 射线的本质,第一节 X射线物理基础,在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮

3、助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。第一次X射线衍射实验所用的仪器。所用的晶体是硫酸铜。,劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片,爱因期坦称，劳厄的实验是“ 物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。,X射线也是电磁波的一种，波长在108 cm左右。 它具有波粒二象性。即 它既具波动性，又具有粒子性。在X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。在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性。,X射线的波动性：X射线作为电磁波的具有电场矢量和磁场矢量。它以一定的波长和频率在空间传播。,X射线的波长范围：1

4、00- 0.01 或 10-0.001nm 硬X射线： 0.05-2.5 0.5-2.5主要用于晶体结构分析0.05-1 主要用于金属探伤等软X射线： 10-100 主要用于医学 波长的单位：nm（纳米） 法定单位 过去的常用单位KX 晶体学单位（不常用）换算关系： 1nm = 10-9m =10 ,X射线粒子性： X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定能量和动量。能量和动量p与X射线光子的频率v和波长之间的关系如下：hv=hc/ ph/h为普朗克常数，为 c 为光速，为,1.3 X射线的产生,电磁学原理： 当带电粒子在加速或减速过程中，会释放出电磁波，在巨大加速或减

5、速过程中，所释放的电磁波具有高能量，当其波長在10-1210-8m則成X光。,（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。 （4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。（5）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

6、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 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间,2）旋转阳极靶,3、同步幅射X射线源,速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。,频谱宽且连续可调 亮度高、高准直度 高偏振性、高纯净性 窄脉冲、精确度高 高稳定性、高通量、微束径、准相干,1.4 X射线谱,X射线谱,连续X射线谱,特征X射线谱,X射线谱是指X射线强度随波长变化的关系曲线。,23,连续X射线谱,连续X射线谱及管电压(V)对连续谱的影响(钨靶),短波限 0,（

7、1）波长连续分布的原因? （2）短波限的决定因素 （3）强度分布规律,讨论：,24,特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 钼靶K系,20kV,25kV,35kV,特征谱线的位置只与靶材的原子序数Z有关，而与V和I无关,KK ,25,特征X射线谱,特征X射线的产生,较外层电子将向内层跃迁产生辐射即特征X射线或产生俄歇电子 。,管电压增至某一临界值(称激发电压),使撞击靶材的电子具有足够能量时，可使靶原子内层产生空位,hLK=EL-EK,在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭窄的谱线。,26,X射线谱系,若K层产生空位，其外层电子向K层跃迁产生的X射线统称为K系特征辐射。 由L层或M层或更外

8、层电子跃迁产生的K系特征辐射分别顺序称为K，K，射线。 距K层越远的能级，电子向K层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故通常除K、K外，忽略其它辐射。 若L层产生空位，其外M，N，层电子向其跃迁产生的谱线分别顺序称为L，L，射线，并统称为L系特征辐射。 M系等依此类推。 依据特征X射线的产生机理： K，L，系谱线激发电压VK，VL，不同，有VKVL； 同系各谱线按，波长顺序减少，如KK 等。,27,特征谱线位置(波长)仅与靶材(Z)有关而与V无关(VV激发，继续增加V，仅使谱线强度增加)。 与Z的关系由莫塞菜(Mose1ey)定律表述 (2-26) c与与线系有关的常数。 特征X射线的产

9、生遵从光谱选律。,莫塞菜(Moseley)定律,电子探针和X荧光光谱元素定性分析的基本公式,28,特征X射线的多重线系,K射线的双重线K1与K2(钼靶),K 1：L2 K,K 2：L3 K,30,1.5 X射线与物质的相互作用,X射线与固体物质的相互作用,医学上透视,X射线荧光光谱,X射线光电子能谱,X射线衍射,X射线激发俄歇电子能谱,若X射线照射(气态)自由原子，原子内层电子吸收辐射向高能级跃迁是X射线吸收光谱分析方法的技术基础。,31,1.X射线与固体物质相互作用,热能,透射,散射,相干散射,非相干散,反冲电子,俄歇电子,光电子,荧光X射线,电子,康普顿效应,光电效应,2.建立的主要材料分

10、析方法,X射线衍射XRD,X射线激发俄歇电子能谱XAES,X射线光电子能谱XPS,X射线荧光光谱XRF 或叫荧光X射线光谱FXS,结构分析方法,表面分析方法,化学成分分析方法,X射线的散射 X射线通过物质时，部分X射线将改变它们前进的方向，即发生散射现象。X射线的散射包括两种：,1）相干散射（汤姆逊散射） A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频率相同。C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础。,2）非相干散射（康普顿散射）,不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景

11、(噪声)。,33,光电效应与俄歇效应,当入射X射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应。 与此能量阈值相应的波长称为物质的吸收限。 以击出原子K层电子为例，X射线光子能量用于克服原子对K层电子的束缚而作功(WK)，有,KK吸收限，使原子K层电子击出的阈值波长。,35,X射线的衰减,X射线的衰减,入射X射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象。,线吸收系数(cm-1),X射线衰减规律：X射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,36,表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减。,亦为X射线通过单位体积物质时强度的衰减。 常称为单位体积物质对X射线的吸收。 但此处之“吸收”包括导

12、致X射线衰减的各种作用(光电效应、散射和热损失等)。,设m=/(为物质密度)，称m为质量吸收系数(cm2/g),m为X射线通过单位质量物质时(强度)的衰减，亦称单位质量物质对X射线吸收。,37,若物质是由n(n2)个元素组成的混合物、化合物、合金等，则,元素j的质量衰减系数,元素J的质量分数,1）吸收系数随波长的增大而增大, 且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。2）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限（吸收边）或激发限的存在。 ？,吸收限的应用 希望所使用的“单色”X射线。如何获取？ 1）滤波片的选用 选择原则：KK滤K,如Ni吸收限为0.14869

13、 nm。 Cu靶X射线:K=0.15418nm K=0.13922nm 也就是说它对0.14869nm波长及稍短波长的X射线有强烈的吸收。而对比0.14869稍长的X射线吸收很小。,X射线分析中，在X射线管与样品之间放一个滤波片，以滤掉K线。滤波片的材料依靶的材料而定。一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。当Z靶40时， Z滤=Z靶-1 当Z靶40时， Z滤=Z靶-2,几种元素K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限,2）不同阳极靶的选择,为避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管。原则是：,Z靶Z样品+1 或 Z靶Z样品 应当

14、避免使用比样品中的主元素的原子序数大26（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。例如: 铁为主的样品，选用Co或Fe靶,不选用Ni或Cu靶。实际工作中最常用的是Cu及Fe和Co靶的管。Cu靶适用于除Co、Fe、Mn、Cr等元素为主的样品。,（以Cr为主的样品用什么靶？用Cr或Mo靶。） （若无Cr或Mo靶时，在Cu、Co、Fe中选哪个更好些？Cu。）,X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用，过量照射将对人体产生有害影响，其影响程度取决于波长、强度、照射时间和人体接受部位等。 探测：荧光屏、照相底片、辐射探测器等。 防护：铅板、铅玻璃、铅橡皮工作服、铅玻璃眼镜等。 专业工作人员应经常监测个人所接受的剂量。 严格遵守射线防护规定(GJ8-74) 使用X射线衍射仪要严格遵守操作规程！,1.6 X射线的探测与防护,总结,本章主要讲述三个问题: 1.X射线的性质,本质和X射线的产生 2.X射线谱-连续谱,特征谱 3.X射线与物质的相互作用,关于X射线的性质,本质和X射线的产生 1.了解X射线有哪些性质! 2.X射线的本质是电磁波,具有波粒二相性. 3.X射线的产生定义:高速运动的粒子遇阻嘎