第一章X射线01

第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
2、标识（特征）X射线谱 标识（特征） 射线谱 标识
管电压大于K系激发电压 系激发电压(V ◐产生：条件 管电压大于 系激发电压 K) 产生： 本质 原子内层电子的跃迁
K系激发 系激发 Lα Lβ L系激发 系激发
Kr
Kβ K L M N Kα
分析时常用金属靶的 L系、M系标识 射线 系 系标识X射线 系标识 波长很长， 波长很长，强度很弱 故分析时很少用， 故分析时很少用，主 讨论K 系标识X射线 要讨论 系标识 射线
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
图1-5 旋转阳极 结构示意图
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
X射线的产生条件 射线的产生条件 X射线是高速运动的电子与某种物质相撞 击后猝然减速。 击后猝然减速。 三个基本条件： 三个基本条件： （１）产生自由电子 （２）使自由电子高速运动 （３）阻碍高速运动的电子 影响X射线强度的因素 影响 射线强度的因素P4 射线强度的因素 强度随管电压、 管电压 V 强度随管电压、管电流的增大而增大 管电流 i
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
射线的本质－ ◐ X射线的本质－电磁波（短波，高能） 射线的本质 电磁波（短波，高能）
波粒二象性 波动性－射线在传播过程中发生干涉、 波动性－射线在传播过程中发生干涉、衍射等现象 微粒性－射线与其它物质相互作用， 微粒性－射线与其它物质相互作用，被看作光子流 经验公式
I
连续X射线谱 连续 射线谱
I
标识X射线谱 标识 射线谱
λ0
λ
O
O
λ
X射线谱 射线谱
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
1、连续 射线谱 连续X射线谱 连续
◐产生：高速运动的电子撞到阳极时，其能量转化为：热能 产生： 和光能（X射线）。由于极大数量的电子与阳极碰撞的时间 和条件各不相同，而且还有多次碰撞，产生不同能量不同强 度的光子序列，因而产生的X射线具有连续的各种波长，形 成连续X射线谱。 hc/ λ0=eV λ0=hc/eV 连续谱特点： ◐连续谱特点： （1）存在短波极限－仅与管电压有关； 随着管电压的升 ）存在短波极限－仅与管电压有关； 短波极限向短波方向移动。 高，短波极限向短波方向移动。P6 射线的总强度I－ （2）连续 射线的总强度 －管电压 、管电流 、阳极材料 ）连续X射线的总强度 管电压V、管电流i、 的原子序数Z 的原子序数 经验公式 I连续＝kiZVm k,m－常数 － P6
绪 论 三、教材及参考书
教材：杨南如.无机非金属材料测试方法. 教材：杨南如.无机非金属材料测试方法.武汉理工 大学出版社， 大学出版社， 2003 主要参考书： 主要参考书： 左演声等. 材料现代分析方法. 1.左演声等. 材料现代分析方法. 北京工业大学出版 社，2000 常铁军，祁欣. 材料近代分析测试方法. 2.常铁军，祁欣. 材料近代分析测试方法. 哈尔滨工业大学出版社， 哈尔滨工业大学出版社，2003 王富耻. 材料近代分析测试方法. 3.王富耻. 材料近代分析测试方法. 北京理工大学出版社，2006 北京理工大学出版社，2006
绪 论 四、考核方法 考查： 考查： 以出勤、作业等情况为依据进行考查， 以出勤、作业等情况为依据进行考查，考查 成绩占总成绩的20％ 抽查点名 抽查点名， 成绩占总成绩的 ％。(抽查点名，三次旷课 取消考试资格;作业总次数的三分之一未 者，取消考试资格 作业总次数的三分之一未 上交者，取消考试资格） 上交者，取消考试资格） 考试： 考试： 闭卷笔试，百分制记分，占总成绩的 ％。 闭卷笔试，百分制记分，占总成绩的80％。
Shandong Institute of Light Industry
绪 论
一、本课程的性质和任务 二、本课程的主要内容及与 其它课程的关系 三、教材及参考书 四、考核方法
绪 论 一、本课程的性质和任务
本课程是为无机非金属材料专业本科生开 设的专业基础课 专业基础课。 设的专业基础课。 其任务是使学生系统地了解现代主要分析 其任务是使学生系统地了解现代主要分析 了解 测试方法的仪器设备、样品制备及应用， 测试方法的仪器设备、样品制备及应用，理解 其基本原理，掌握常见测试技术所获信息的解 其基本原理，掌握常见测试技术所获信息的解 释和分析方法， 释和分析方法，最终使学生能够独立地进行材 料的分析和研究工作。 料的分析和研究工作。
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
W.C.RONTGEN
UE
W.H.BRAGG
W.L.BRAGG
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
第一节 X射线物理基础 射线物理基础
一、X射线的性质 射线的性质 图1－1电磁波谱 － 电磁波谱
无线电波
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
①长波部分（低能部分），包括无线电波与 长波部分（低能部分） 微波，有时习惯上称此部分为波谱。 微波，有时习惯上称此部分为波谱。 波谱 ②中间部分，包括紫外线、可见光和红外线， 中间部分，包括紫外线、可见光和红外线， 统称为光学光谱 光学光谱， 统称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而 言。 射线和γ ③短波部分（高能部分），包括X射线和γ射 短波部分（高能部分） 包括 射线和 以及宇宙射线），此部分可称射线谱 ），此部分可称射线谱， 线（以及宇宙射线），此部分可称射线谱，是 能量高的谱域。 能量高的谱域。
E = hν =
hc
λ
p =
h
λ
普朗克常数 h =6.63×10-34 J • s
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
◐ X射线的强度 I 射线的强度
定义：单位时间内通过垂直于 定义：单位时间内通过垂直于X 射线传播方向的 单位面积上的能量。 单位面积上的能量。 波动性 I=cE02/8π
电场强度的振幅
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
λ0=hc/eV=1.24/V V- 单位千伏 λ0-单位纳米 单位纳米 e=1.602 Х 10-19库伦 m=9.11 Х10-31千克
计算管电压为50KV时，电子击靶时的速度 计算管电压为 时 与动能， 与动能，发射的连续谱的短波极限和光子的 最大能量？ 最大能量？
微粒性 I 等于每个光子的能量乘以光子流密度
射线能使气体电离， ◩X射线能使气体电离，使照相底片感光， 射线能使气体电离 使照相底片感光， 能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。 能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。 射线对动物有机体（ ◩ X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨 射线对动物有机体 其中包括对人体） 大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。 大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
前言 X射线的发现与应用 射线的发现与应用
年德国物理学家---“伦琴”发现X射线 射线， ◐ 1895年德国物理学家 “伦琴”发现 射线，在X射线发 年德国物理学家 射线发 现后几个月医生就用它来为病人服务 ◐ 1895-1897年伦琴搞清楚了 射线的产生、传播、穿透力 年伦琴搞清楚了X射线的产生 年伦琴搞清楚了 射线的产生、传播、 等大部分性质 ◐ 1901年伦琴获第一个诺贝尔物理奖 年伦琴获第一个诺贝尔物理奖 晶体的X射线衍射实验 ◐ 1912年（德国）劳厄进行了 年 德国）劳厄进行了ZnS晶体的 射线衍射实验 晶体的 射线衍射测定了NaCl的 ◐ 1912年（英国）布拉格父子利用 射线衍射测定了 年 英国）布拉格父子利用X射线衍射测定了 的 晶体结构
这种关系说明要使hkl晶面发生反射入射线必须沿一定方向入射以保证反射线方向的矢量端点恰好落在倒易矢量rhkl的端点应落在晶面hklhkl厄瓦尔德将等腰三角形置于圆中便构成了非常简单的衍射方程图解按衍射矢量方程晶体中每一个可能产生反射的hkl晶面均有各自的衍射矢量三角形
无机非金属材料测试方法
王 峰 山东轻工业学院
图1-9 标识X射线产生原理图
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
◐标识X射线的特点： 标识 射线的特点： 射线的特点 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以 射线形式辐射 出来。因物质一定，原子结构一定， 出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量 差一定，故辐射出的特征X射线波长一定 射线波长一定。 差一定，故辐射出的特征 射线波长一定。每种化学元素都 有其特定波长的标识X射线谱 射线谱。 有其特定波长的标识 射线谱。 显然， 当L层电子填充 层后，原子由 激发状态变成 激 层电子填充K层后 激发状态变成L激 显然， 层电子填充 层后，原子由K激发状态变成 发状态，此时更外层如M、 层的电子将填充L层空位 发状态，此时更外层如 、N……层的电子将填充 层空位， 层的电子将填充 层空位， 产生L系辐射 因此，当原子受到K激发时 除产生K系辐 系辐射。 激发时， 产生 系辐射。因此，当原子受到 激发时，除产生 系辐 射外，还将伴生L、 等系的辐射。 射外，还将伴生 、M……等系的辐射。除K系辐射因波长 等系的辐射 系辐射因波长 短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。 短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。
绪 论 ◐与本专业其它课程的关系
本课程是以高等数学、大学物理、 本课程是以高等数学、大学物理、无机及分析 高等数学 化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础 化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础 的，因此，学好这些前期课程是学好材料现代分析 因此， 测试方法的前提。同时， 测试方法的前提。同时，材料现代分析测试方法又 为后续专业课程如材料合成与制备方法、玻璃、 为后续专业课程如材料合成与制备方法、玻璃、陶 材料合成与制备方法 功能材料、高分子材料等打下基础 等打下基础。 瓷、功能材料、高分子材料等打下基础。
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
二、X射线的获得 射线的获得 1、X射线机和 射线管 射线机和X射线管 射线机和
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
（1）阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电加热 阴极——发射电子。一般由钨丝制成， ——发射电子 后释放出热辐射电子。 后释放出热辐射电子。 阳极—— ——靶 使电子突然减速并发出X射线。 （2） 阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。材 料有： 料有：Cu,Mo,Fe,Cr,Ag,W等 等 窗口—— 射线出射通道。既能让X射线出射， ——X （3） 窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射， 又能使管密封。 又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的 轻质玻璃。 轻质玻璃。
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
2、同步辐射X射线源 同步辐射X
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析
第一章 X射线衍射Байду номын сангаас析 射线衍射分析 实验大厅 (Hefei)
第一章 X射线衍射分析 射线衍射分析 三、X射线谱 射线谱
定义： 射线强度I与波长λ的关系曲线 的关系曲线， 定义： X射线强度I与波长 的关系曲线， 称之X射线谱。 称之X射线谱。
Ｘ射线的性质： 射线的性质： 阴极射线打在固体表面上便会产生Ｘ射线； （１）阴极射线打在固体表面上便会产生Ｘ射线；固体 元素越重，产生的Ｘ射线越强。 元素越重，产生的Ｘ射线越强。 ）Ｘ射线是直线传播的 射线是直线传播的， （２）Ｘ射线是直线传播的，在通过棱镜时不发生反射和 折射，不被透镜聚焦。 折射，不被透镜聚焦。 与阴极射线不同，不能借助磁体（即使磁场很强） （３）与阴极射线不同，不能借助磁体（即使磁场很强） 射线发生任何偏转。 使Ｘ射线发生任何偏转。 ）Ｘ射线能使荧光物质发出荧光 射线能使荧光物质发出荧光。 （４）Ｘ射线能使荧光物质发出荧光。 它能使照相底片感光，而且很敏感。 （５）它能使照相底片感光，而且很敏感。 ）Ｘ射线具有很强的贯穿能力 比阴极射线强得多。 射线具有很强的贯穿能力， （６）Ｘ射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。 它可以穿透千页的书， 三厘米厚的木板， 它可以穿透千页的书，二、三厘米厚的木板，几厘米的硬 橡皮等。１５毫米厚的铝板 不太厚的铜板、银板、金板、 毫米厚的铝板， 橡皮等。１５毫米厚的铝板，不太厚的铜板、银板、金板、 铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。只有铅等少数物质 铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。 对它有较强的吸收作用， 对它有较强的吸收作用，对１．５毫米厚的铅板它实际上 不能透过。 不能透过。
绪 论 二、本课程的主要内容及与其他课程的关系
◐材料分析测试包括材料整体分析、材料表面与界面分析、微 材料分析测试包括材料整体分析、材料表面与界面分析、 区分析、形貌分析等诸多内容； 区分析、形貌分析等诸多内容；成为材料科学的重要研究手 广泛应用于研究和解决材料理论和工程实际问题。 段，广泛应用于研究和解决材料理论和工程实际问题。 本书主要内容： 本书主要内容： X射线衍射技术 射线衍射技术 透射电镜和扫描电镜 热分析 振动光谱分析 光电子能谱