02.2第二章 X-射线晶体学(2)

与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
二、X射线的产生
热阴极二极管 阳极---靶（A），一般为纯 金属（Cu,Cr,V,Fe,Co）抛 光镜面 阴极---灯丝（C）产生热电 子 真空管---铍玻璃-金属管 直流高压---U(几千~几万伏） 两种类型X射线波长：
连续X射线 特征X射线
Microstructural scale Microstructure: general term Macro covering a wide range of Meso structural features, from interatomic distance to those visible to the naked eye. Micro
Macrostructure: the scale of the engineering components, visible to the eye. Mesostructure: On the Nano borderline of the visible. Microstructure: grain, precipitates, dislocation, microcracks, microporosity… Nanostructure: Sub-micro feautures
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K β 、Lα特征射线是怎样产生的？
五、X射线与物质的相互作用
五、X射线与物质的相互作用
一、X射线的散射 1. 相干散射（经典散射/汤姆逊散射） X射线光电子和受原子和束缚 得很紧的电子（如原子内层电子） 相碰撞而弹射，光子的方向改变了， 但能量几乎没有损失，于是产生了 波长不变的散射。 是X射线在晶体中产生衍射现象的 基础 2. 非相干散射 当X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）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反冲电子。 因损失能量而波长变长的光子也被 撞偏了一个角度2θ 成为散射光子。 散射光子和反冲电子的能量之和等 于入射光子的能量。
l min
hc 1 e U
l min
1.242 nm U(KV )
如果只有一部分动能变为光子的能量：
1.242 l nm U ( KV ) 1 l U
1~ 0
四、X射线谱-----特征X射线
3. 特征X射线 （1）特征X射线的形成： 当加于X射线管两端的电压增高到与阳极 靶材相应的某一特定值时，会出现一系列 强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它 们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定 的数值，此波长可做为阳极靶材的标志或 特征，故称为标识谱或特征谱。 特征谱的波长不受管压、管流的影响，只 决定于阳极靶材元素的原子序。 布喇格(BraggW．H．)发现了特征谱，莫 塞莱(MoseleyH．G．J．)对其进行系统 研究，得出特征谱波长且和阳极靶的原子 序z之间的关系——莫塞莱定律：
“X射线透射学” “X射线衍射学”或“X射线晶体学” “X射线光谱学”
一、X射线历史发展
―X射线衍射学”， 可归结为三个方面： (1) 相分析 物相定性分析是最常用的方法，其目的是鉴定待测 样的物相而非化学元素组成。鉴别钢铁中的碳化物、夹杂物、 合金中的析出相、化学热处理层的相组成等，属于这种分析。 由于电子计算机的使用，目前测定和分析的自动化已比较普 遍。要进一步定出各物相的相对含量则需采用定量分析，如 求出淬火钢中的残留奥氏体含量等。 (2)精细结构研究 材料中的宏观、显微与超显微应力的测定，微 晶粒和镶嵌块的平均大小及其分布情况的研究属于这一范畴。 (3)晶体取向的测定 半导体材料、磁性材料、激光材料的单晶体， 其取向用X射线法测定最准确。借助于晶体取向，可研究材料 的滑移、孪生过程，测定沉淀相从基体析出时的惯习面。多 晶体的择优取向称为织构，用X射线法可以获得有关织构的最 完全的知识。
三、X射线的性质
• X射线是一种电磁波，是一种横波，由交替变化 的电场和磁场组成，其磁场分量在物质的相互作 用中效应很弱，因此只考虑电场分量； • X 射 线 波 长 短 ， 0.01~10 nm ， 一 般 可 见 光 为 400~700 nm; • 能量高，穿透能力强； • X射线具有波粒二象性，除有波动性外，还具有 粒子性，可以把X射线堪称为一束“量子微粒” 流。 • 每个X射线量子带有一定的能量（ε ），其波长 （λ ）和能量关系为 ε =hν =hc/λ
五、X射线与物质的相互作用
2. 非相干散射
由于这种散射效应是由康普顿(ComptonA．H．)和我 国物理学家吴有训首先发现的，所以称为康—吴效应， 称这种散射为康普顿散射或量子散射。 散布于各个方向的量子散射波不仅波长互不相同，且其 相位与入射波的相位间也不存在确定的关系，因此不能 互相干涉，所以也称为非相干散射。 非相干散射不能参与晶体对x射线的衍射，只会在衍射 图像上形成强度随sinθ /λ 增加而增大的连续背底,给衍 射工作带来不利影响。 入射束波长愈短、被照物质元素愈轻(如Li、C、Al等)， 康—吴效应愈显著。
一、X射线历史发展
• 几个月后，医学界就将X射线运用于诊断及医疗，后来人们又用它进行金 属材料及机械零件的探伤。这些方面的应用，均属于“X射线透射学”。 • 1912年德国物理学家劳埃(M．von ldue)及其合作者，发现了X射线在晶 体中的衍射现象，· 提出了一组衍射方程。 这一方面肯定了X射线的本质，另一方面也证实了晶体的结构，从而为 研究物质的微观世界提供了崭新的方法。这一方法后来发展成为“X射线 衍射学”或“X射线晶体学”。 • 劳埃方程使用不够方便，英国的物理学家布拉格父子(W．H．BragS和 W．L．Bmsg)提出了晶面 “反射”X射线的概念，并推导出简单实用至 今被广泛应用的布拉格方程。 • 1914年，莫塞莱(H．C．J．Moseley)发现不同材料的同名特征谱线的波 长和原子序数有定量的对应关系，利用这一原理对材料的成分进行快速 无损检测，形成了 “X射线光谱学”。
1 K 2 (z ) l
原子序越大，相应于同一系的特征谱波长短
四、X射线谱-----特征X射线
3. 特征X射线
（2）特征X射线产生机理：
电离限 产生光谱线的来源
K K1 K2
L
L L
核
K L
M
N
O
电
子
层
四、X射线谱-----特征X射线
3. 特征X射线
（2）特征X射线产生机理： • 电子是以一定的壳层方式分布的，每一个壳 层可以有一定数量的电子，其能量也是固定 的，越靠近原子核其能量就越低，越稳定； • 高速运动的电子，由于其能量很高，可以达 到原子内部，因而有可能把最靠近原子核的K 壳层中的电子打出去，这个被打出去的电子 成为自由电子； • 使K层电子逸出成为自由电子的能量为 Wk=hνk,其原子处于K激发态。在K壳层中原 有两个电子，现在出现了一个空位，这样就 要由其外层l、M壳层中的电子来补充这个空 位。假如此电子是由L壳层所补充的，则电子 从L壳层跃迁到K壳层时，原子处于L激发态， 其能量降低到Wl=hνl 。多余的能量就以x射线 的形式发射出来;这就是Kα射线。 • 此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量 差，即: hνkα=Wk – Wl = hνk - hνl
第二章 X-射线晶体学
第二节 X射线物理学基础
第二节 X射线物理学基础
一、X射线历史发展
1895年11月8日是一个星期五。晚上，德国慕尼黑大学的整个校园都沉浸在一片静悄悄的气氛当 中，大家都回家度周末去了。
但是还有一个房间依然亮着灯光。灯光下，一位年过半百的学者凝视着一叠灰黑色的照相底片在 发呆，仿佛陷入了深深的沉思…… 他在思索什么呢？原来，这位学者以前做过一次放电实验，为了确保实验的精确性，他事先用锡 纸和硬纸板把各种实验器材都包裹得严严实实。可是现在，他却惊奇地发现，实验器材附近的东西居 然闪烁着荧光！而放电管旁边这叠原本严密封闭的底片，现在也变成了灰黑色—这说明它们已经曝光 了！ 这个一般人很快就会忽略的现象，却引起了这位学者的注意，使他产生了浓厚的兴趣。他想：底 片的变化，恰恰说明放电管放出了一种穿透力极强的新射线，它甚至能够穿透装底片的袋子！一定要 好好研究一下。不过—既然目前还不知道它是什么射线，那么就像列方程时一样把它设为X吧，就叫它 “X射线”好了。 于是，这位学者开始了对这种神秘的X射线的研究-----他就是伦琴（W。C．R6ntsen ) 他先把一个涂有磷光物质的屏幕放在放电管附近，结果发现屏幕马上发出了亮光。接着，他尝试着 拿一些平时不透光的较轻物质—比如书本、橡皮板和木板—放到放电管和屏幕之间去挡那束看不见的 神秘射线，可是谁也不能把它挡住，在屏幕上几乎看不到任何阴影，它甚至能够轻而易举地穿透15毫 米厚的铝板！直到他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上才出现了金属板的阴影—看 来这种射线还是没有能力穿透太厚的物质。 接下来更为神奇的现象发生了，当这位学者小心翼翼地伸出手掌，试图挡在放电管与屏幕之间时， 他居然发现自己的手骨和手的轮廓被清晰地映射到了屏幕的上面。原来这是这种射线一个更为奇特的 性质：具有相当强度的X射线，可以使肌体内的骨骼在磷光屏幕或者照相底片上投下阴影！
三、X射线的性质
电磁波：l = h/p = h/mv = 12.25/ [V(1+10-6V)]。 例如100 kV -> 0.00370 nm, 200 kV -> 0.00251 nm。
三、X射线的性质
X射线穿过不同媒质时，几乎毫不偏折地直线传播，折射系数 非常接近1，在电磁场中也不发生偏斜，因此不能用一般方法 使x射线会聚发散。 X射线波长短，肉眼看不到。但它照射到某些荧光物质，能 使其发光；它可以使照相底片感光和使一些气体产生电离现象。 只有通过这三种间接方式，才能观察检测和研究X射线的强度 (即光量子微粒流量)。 X射线穿透能力大，它能穿透对可见光是不透明的材料，特 别是硬X射线(波长在0．1nm以下)。X射线探伤在工业、医疗 工作上的用途很多，例如可以用x射线穿透金属零件，对零件 内部缺陷(如气孔、夹杂、裂纹等)进行无损探伤。 软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，当它照射到晶 体物质上时，产生散射、干涉、衍射现象，与光线的绕射现象 类似。波长在0．25—0．05nm之间的软X射线常被用来进行x 射线衍射分析，为研究晶体内部结构提供了丰富信息。 X射线对有机物质(包括人的肉体)是有害的，有破坏杀死生 物组织细胞作用。因此与x射线接触时要有一定的防护措施， 如加上铅制品保护等
（1）当提高管电压U时(i、Z不变)，各波长X射线的强度都提高，短波限λswl，和强度最大值对应的 λm减小; （2）当保持管电压一定，提高管电流i，各波长X射线的强度一致提高，但λswl和λm不变； （3）在相同的管电压和管电流下，阳极靶材的原子序数Z越高，连续谱的强度越大，但λswl和λm相 同。
1. 基本概念 （1）X射线的强度：单位时间内通过与射线方向垂 直的单位面积上的辐射能量。
I N1h1 N1h1 Nih i
习惯上，用一定管电压下的管电流的mA数 表示X射线的强度。
医学上，用管电流的mA数与辐照时间的乘 积来表示X射线的量（即总能量）：mA•S
四、X射线谱-----连续X射线
四、X射线谱
高压 两种类型X射线波长： 连续X射线 由于高能电子打到靶 上后，电子受原子核电 场的作用而速度骤减， 电子的动能转换成辐射 能----轫制辐射，X光谱 连续。
A
K
特征X射线
高能电子将原子内层 的电子激发出来，当回 到基态时，辐射出 X 射 线，光谱不连续。
四、X射线谱-----连续X射线
四、X射线谱-----连续X射线
2.连续X射线 用量子力学的观点可以解释连续谱的形成以及 其何以存在短波限
在管电压U作用下，电子到达阳极靶时的动能为eU，若一个 电子在与阳极靶碰撞时，把全部能量给予一个光子，这就是 一个光量子所可能获得的最大能量，即
1 2 eU mv h max 2
1. 基本概念 （2）X射线的硬度：指X射线的贯穿本领，硬度决定 于h，与N无关。
习惯上，用管电压的KV数表示X射线的硬度。 2.连续X射线
大量高速电子与靶材碰撞而减速，不同的能量损失转化成不同波长的X射线， 并按照统计规律分布；
不同管电压下的连续谱的短波段都有一个突然截止的极限波长值λswl