第二章 X射线物理学基础
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 2．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流 是多少？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 4．为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是 多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
X射线物理学基础
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
x射线物理学基础
X射线是一种短波长（0.005-10nm） 、高能量（2.5×105-1.2×102）的电磁波 。它是原子内层电子在高速运动电子流 冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。
一、x射线须具备如下条件：
1．产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射 热电子；
2．设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以 产生x射线；
1912年、劳厄(M.v.Lnue)等利用晶体作为产生 x射线衍射的光栅，使x射线产生衍射，证实了 x射线本质上是一种电磁波，波动性是其本性 的—个方面。
它与可见光一样，x射线以光速沿直线传播， 其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直 ，并位于垂直于x射线传播方向的平面上。
x射线波长范围为10—0.001nm，在X射 线金属学中，常用的波长约在0.25— 0.05nm之间，用于材料探伤的x射线波长 在0.1—0.005nm之间，一般波长短的x射 线称为硬x射线．反之称为软X射线。
x射线物理学基础
2020年4月22日星期三
开创了人类认 识物质微观结 构的新纪元
发展了X射线 的衍射理论
1912年劳埃（Laue ）
X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展 中最伟大成就之一
围绕X射线发现 、发展和应用 而进行科研工 作的科学家获 诺贝尔奖的就 有近卅人之多
1901年 伦琴(英)
获诺贝尔物理奖
当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时 、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将 发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电 子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，聚射 出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了 连续X射线谱。
根据量子力学观点、能量为eV的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该 小于或最多等于电子的能量。
X射线物理学基础
Mg
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
12
莫塞莱定律
巴克拉 西格班
卢瑟福
阿伦尼乌斯 ◆莫塞莱（Moseley H.G.J.）对特征谱进行系统 研究后，在1914年得出了特征谱波长λ和阳极靶 的原子序数Z之间的关系——莫塞莱定律：
I I 0e
l
t
I 0e
m t
μm =μl /ρ称质量吸收系数（单位为cm2·-1），表示单位重量 g
物质对X射线的吸收程度。 质量吸收系数与波长λ和吸收物质的原子序数Z存在函数关系：
m K 4 Z
3
3
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
Δλ= λ’- λ = 0.00243(1-cos2θ) = 0.00486sin2 θ
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
17
1.5.2 X射线的透射和吸收
一、 X射线的吸收与吸收系数
1. 衰减规律与线吸收系数
实验证明，当一束单色X射线透过一层 均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加按 指数规律减弱，即：
E = h = hc / P=h/ =h /c
3
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
用于晶体结构分析的X射线波长：
0.25~0.05nm （硬X射线）
金属零件的无损探伤：
0.1~0.005nm
X射线物理学基础(2)
1. 光电效应 ---光电子和荧光X射线
激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于 或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即
hγ k =
hc
λk
= ωk
将激发限波长λK和激发电压VK联系起 ，即
eVk = ωk =
hc
λk
hc 12.4 = (nm) λk = eVk Vk
2. 俄歇效应
µl µm = ρ
工作中有时需要计算i个元素组成的化合 物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系 数µm。由于µm与物质的存在状态无关， 因此衰减系数可按下式求得： µm=ω1µm1+ω2µm2+…ωiµmi
(3) X射线的吸收曲线 X射线的吸收曲线 如果用σm仍表示散射 系数，τm表示吸收系数。 在大多数情况下吸收系数 比散射系数大得多，故 μm≈τm。质量吸收系数 与波长的三次方和元素的 原子序数的三次方近似地 成比例。
温故而知新
1. X射线的本质 X射线的本质 2. X射线的产生 X射线的产生 (1) 产生条件 (2) X射线管的主要结构 X射线管的主要结构 3. X射线谱 X射线谱 连续X射线谱、特征X 连续X射线谱、特征X射线谱
第三节 X射线与物质的相互作用
【教学目标】 教学目标】
1. 理解X射线的散射与吸收。 2. 掌握X射线的衰减规律及线吸收系数和质量吸收系数。
光电子被被xx射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子它带有壳它带有壳层的特征能量层的特征能量所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析xpsxps俄歇电子高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量aesaes二次荧光高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量以多余能量以xx射线形式发射线形式发出出
第二章 X射线的产生与性质讲解
第二章 X射线的产生与性质绪论一．X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。
1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。
1908~1909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。
1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近似于1A数量级。
1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。
随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解1913~1914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。
X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：（1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。
（2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。
（3）新的数据记录及处理技术：高度计算机化a. 实验设备、实验数据全自动化；b. 数据分析计算程序化；c. 衍射花样的计算机模拟。
二．X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。
第二章 X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。
（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象——晶体进行了解）第一节 X射线的本质1.１性质1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。
X线放射物理与防护第二章
• 2.阳极 又称阳极靶，它是使高速电子突然受阻而产生X线的地方。 阳极靶面和散热体两部分组成。通常，是将钨材料靶面焊接在实 心或空心铜材料圆柱体上。采用这种结构是因为从阴极飞来的高 速电子能，99%以上都在阳极上变为了热能，使阳极产生，很高 的温升，这就要求阳极材料既要耐高温，又要散热性能好。以便 能及时将热量传递出去，保证阳极靶面不被融化而损坏。钨的原 子序数高（Z=74），有利于提高X线产生的效率;其熔点高 （3370°C），能耐受住高速电子碰撞时产生的热量，但导热性 差。铜的原子序数和熔点较低，但导热性能好，故结合两者的优 点将阳极靶面做成将钨靶面镶嵌在镶嵌在铜散热体上的结构。
• 其他原因影响 • 半波整流，全波整流。
下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步 增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。
2、连续X线的最短波长、最强波长、平均波长及最 大光子能量。
• 最短波长
最强波长： λ最强 = 1.5 λmin
平均波长 λ平均 = 2.5λmin
• 当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用，故应注意对 非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，同时射线工作者也应注意 自身的防护。
第三节X线的产生条件和装置
研究证明，凡高速带电离子桩基物质而突然受阻，都能产生X线。 一、X线的产生条件: 1.电子源
2.高速运动的电子流
3.阳极靶
三、X线产生装置
1.电子源：电子源能提供所需数量的电子。
管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极 灯丝发射电子的情况。管电流大，表明单位时间撞 击阳极靶的电子数多，由此激发出的X线光子数也 正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大。 所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量。
X射线物理学基础
第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。
2．X射线的本质。
3.X射线的产生与X射线管。
4．X射线谱。
5.X射线与物质的彼此作用。
【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。
2.X射线的产生与X射线管的大体构造。
3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。
4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。
【了解内容】1.X射线发觉。
2.X射线的平安防护。
【教学难点】1．X射线的散射与干与。
2．X射线的吸收。
【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。
2.把握X射线的产生和X射线谱特点。
3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。
4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。
【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。
并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。
2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。
一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。
它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。
代表着经典物理学与近代物理学的转折点。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。
这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。
他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。
连续数日呆在实验室中不回家。
他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。
于是，一项伟大的发觉诞生了。
由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。
其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。
但他们以为这是一种偶然现象。
没有引发重视。
伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。
他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
X射线物理基础
X射线物理基础一、X射线的基本概念X射线是一种高能电磁辐射，其波长比可见光还要短，但比γ射线稍长。
X射线是由被高速电子撞击产生的极短波长的电磁辐射。
X射线的波长范围在0.01~100纳米之间，因此具有穿透性很强的特点。
X射线辐射主要有三种过程，即散射、吸收和透射。
散射是指X射线在物质中的原子内外发生方向改变；吸收是指物质中的原子吸收掉X射线；透射是指X射线穿过物质而不被物质吸收。
二、X射线的产生和基本特性X射线的产生有两种方式，即广义上的X射线和特殊的X射线。
广义上的X射线产生是指将一束高能电子流来轰击具有特殊构造和材料的靶，使靶发射出X射线，这种方式就是X射线机所采用的。
特殊的X射线产生是指利用原子残余成分核能级跃迁所放出的特殊X射线。
X射线的基本特性有以下几点：1.X射线是一种电磁波，不带电，可以穿透很厚的物质，其波长短，频率高，能量较大。
2.X射线的强度随着入射电子的能量增加而增加，随着靶材的原子序数增加而增大。
3.不同的物质具有不同的透射性，而透射系数与射线的能量相关。
4.X射线具有强的杀菌和破坏生物细胞等作用。
三、X射线在医学中的应用X线是医学中常用的诊断性工具，应用广泛，可以用于检测人体内各种骨头、器官等部位情况。
常见的X线检查有：1.骨密度检查：用于测定骨的密度，并检测是否存在骨质疏松等问题。
2.胸部X线检查：用于检测肺、心脏等部位疾病的情况。
3.腹部X线检查：用于检测腹部器官如胃、肠、肝、脾、胰等的情况。
4.骨骼成像：用于检查骨骼不良变化的情况，如骨折等。
5.普通X线检查：用于全身各个部位的检查。
四、X射线的剂量安全问题X射线的安全问题是医学工作者非常关注的问题，因为如果剂量过大，就会对身体造成损害。
常见的X射线安全问题包括以下几点：1.剂量选择问题：不同的检查需要选择适当的剂量，大剂量的X射线会对人体健康造成不良影响。
2.暴露时间问题：X射线检查中，暴露时间过长会使剂量增加。
3.距离问题：医学工作者需要尽量离患者远一些，以避免吸收额外的X射线。
材料分析测试方法作业题
材料分析测试方法作业题第一章x射线物理学基础（第11、12页）1、名词解释：连续x射线、特征x射线、相干散射、非相干散射、光电效应、荧光辐射、荧光x射线、俄歇效应、吸收限(激发限)2.（第11页问题6）计算电子与目标碰撞时的速度和动能，以及管电压为50kV时发射的能量连续谱的短波限和光子的最大动能。
3.（P11问题10）已知钼？k？＝0.71?，铁k？＝1.93? 钴呢？k？=1.79?，试着找出光子的频率和能量。
4、（p11第10题）已知钼的λk=0.619?，试计算钼的k激发电压。
已知钴的k激发电压uk=7.71kv，试求其λk。
5.（第12页问题13）尝试计算含WC=0.8%、WCR=4%、WW=18%的高速钢对Mok的影响？辐射的质量吸收系数。
6、（p12第15题）什么厚度的镍滤波片可将cuk?辐射的强度降低至入射时的70％?如果入KK呢？强度比为5:1。
过滤后的强度比是多少？知道吗？m？＝49.03cm2／gm=290cm2／g。
第二章X射线衍射原理（p30、31）1.当X射线照射晶体并衍射时，波长为λ时，两条相邻（hkl）反射射线之间的波径差是多少？两条相邻（hkl）反射光线之间的波径差是多少？2、为什么倒易点阵中的倒易点能代表相应结构晶体中的同指数的一组平行晶面？3.编写erwald图解法的步骤，并用erwald图解法证明Bragg方程。
4、α-fe属立方晶系，点阵参数a=0.2866nm。
如用crkαx射线（λ=0.2291nm）照射，试求：（1）（110）、（200）及（211）可发生衍射的掠射角；（2）110衍射线对应的原子散射因子f。
5.分别推导了BCC和FCC晶胞的结构因子| fhkl | 2。
6、多重性因子的物理意义是什么？某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是多少？如该晶体转变为四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化？为什么？7.影响多晶体衍射强度的因素的物理意义是什么？8（p30第6题）今有一张用cukα辐射摄得的钨(体心立方)的粉末图样，试计算出头4根线条的相对积分强度(不计e-2m和a(θ))。
(完整版)材料分析方法部分课后习题答案
第一章X 射线物理学基础2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。
4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。
查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。
XRD复习题
第一章X射线的物理学基础1.X射线的本质是什么？并请叙述其特征。
答：X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同；其波长介于紫外线与γ射线之间，约为0.01—10nm的范围。
X射线的特征：波长短、光子能量大。
在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射；对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1。
2.X衍射实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？答：滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的Kα和K β之间，且尽量靠近K α。
强烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳。
Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z 滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。
Z靶≤Z试样+1。
（1）X衍射仪常采用Cu靶，Cu的特征X射线及其波长为，需要用滤波片或单色器去除，用软件去除。
（多选题）aＫα１，1.5406埃；b Ｋα２，1.5444埃； c Ｋβ，1.392埃答案：a, c, b（2）X衍射选用Cu靶，相配的滤波片为(单选题)a Cub Fec Nid Al答案：c由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：、。
X衍射物相分析利用的是在晶体中的衍射。
a连续X射线b特征X射线答案：a b b 或b a b（3）判断对错。
用X衍射仪测一个以Fe为主要成分的样品，合适的X射线管和合适的滤波片是Cu靶和Ni滤波片。
（错）第二章X射线的晶体学基础一、晶体的定义是什么？请叙述其晶体的特点。
答：晶体的定义：内部质点在三维空间有规则排列的物体。
晶体的最明显特征是内部质点在三维空间作有规律的重复。
晶体的特点是：a 、均一性：指在宏观观察中，晶体表现为各部分性状相同的物体b 、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质c 、自限性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形d 、固定熔点：晶体具有固定的熔点e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性g、最小内能二、晶体有四大空间格子类型、七大晶系，请具体说出其名称及其特征。
第二章X射线物理基础
后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。
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材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
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材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管
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2.2.2 产生条件
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
（1）产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）；
1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主 任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
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材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
伦琴夫人的手 －摄于1895年12月22日
六个星期后，伦琴确认是一种新射线， 才告诉自己夫人。
X射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线γ射线、宇宙射线一 样也是一种电磁波或电磁辐射，它的波长为0.001-10nm ，一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线（0.005-0.01nm），反之 则称为软X射线。用于晶体衍射分析常用的X射线波长约在2.5Ǻ到 0.5 Ǻ之间。
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1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观 察到了X射线衍射现象。
他用CuSO4·5H2O进行了实验，获得了 第一张X射线衍射照片。
1914年获诺贝尔物理学奖
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Max von Laue 马克斯 • 冯 • 劳埃(1879-1960)
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• 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子
序数Z存在如下关系：
且X射线管的效
率为:
I连 K1iZV 2
X射线管效率
X射线功率 电子流功率
K1iZV 2 iV
K1ZV
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.41，0如9V采用W
阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。 水冷却
产生K系激发要阴极电子的
能量eVk至少等于击出一个K层电子所作级电子向K层跃迁
所发射的K1和K2的关系
k1 k 2 ,
I k 1
2Ik 2
X射线谱
标识X射线的强度特征
• K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：
I标 K 2iV Vk n
• 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3～5倍时， 连续谱造成的衍射背影最小。
一、x射线的产生 （1）产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换， 电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％ 左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左 右）能量转变成热能使物体温度升高。 （水冷）
（2）产生条件 a.产生自由电子； b.使电子作定向的高速运动; c.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突 然减速或停止。
X射线的强度
• X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上 在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 常用 的单位是J/(cm2·s) .
• X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素 决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0 ,而不 在λ0处。
• 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线 的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。
二、X射线谱
由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续X射线； (2)标识X射线。
（1）连续X射线
• 具有连续波长的X射线，构成 连续X射线谱，它和可见光相 似，亦称多色X射线。
• 特性；
• 短波限；
相
对
• 产生机理；
强
• X射线的强度。
度
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。 （2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波 长朝短波方向移动。
•软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱， 可用于非金属的分析。
•X射线波长的度量单位常用埃（Å）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=10 Å
2-3 x射线的产生及x射线谱
一、X射线的产生 (1)产生原理； (2)产生条件； (3)X射线管； 二、X射线谱 (1)连续X射线； (2)标识X射线。
相 对 强 度
短波限
• 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0. 它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与 管电压有关，不受其它因素的影响。
• 相互关系为： • 式中
eV
h max
hc
0
相
对
强
度
e——电子电荷，等于 1.61库0仑19 ；
V——电子通过两极时的电压降； 钨靶的连续X射线谱
(2)标识X射线（特征x射线）
• 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线， 它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。
1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ; 3.K系激发机理 ; 4.莫塞莱定律； 5.标识X射线的强度特征。
X射线谱
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时，发出标识谱线；
K系激发机理及命名 • K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激
发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。 • L层电子填充空位时， 产生Kα辐射；M层电子 填充空位时产生Kβ辐 射。
• 由能级可知，Kβ辐射的光子 能量大于Kα的能量，但K层 与L层为相邻能级，故L层电
子填充几率大，所以Kα的强 度约为Kβ的5倍。
莫塞莱定律
• 标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子 能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：
• 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：
1
K2 Z
•标识X射线谱应用：化学元素的分析 •上式是元素分析的理论依据。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 • 如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和Kβ ，
波长分别为0.71 Å和0.63 Å. • 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。
产生机理
• 标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容 原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击 阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极 靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空 位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级 上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式 辐射出标识X射线谱。
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于
紫外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可X射见线光
红外线 紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小 于0.5nm）。
用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。
•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。
• 它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特 别对轻元素。
X射线的吸收
• 物质对X射线的吸收指的是X射 线能量在通过物质时转变为其 它形式的能量，X射线发生了能 量损耗。物质对X射线的吸收主 要是由原子内部的电子跃迁而 引起的。这个过程中发生X射线 的光电效应和俄歇效应。
• X射线的衰减规律 • 光电效应 • 俄歇效应
前一章内容回顾
• 空间点阵 • 晶（向）面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律 [hkl]* (hkl)， r* d 1
[uvw] (uvw)*，d*r 1 hu kv lw 1
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱 2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱） 2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
分为三部分：
• X射线的衰减规律；
• 一部分被散射，
• 吸收限的应用；
一部分被吸收，
• X射线的折射；
一部分透过物质继续沿原来 • 总结 。 的方向传播(透射或折射)。
X射线的散射
• X射线被物质散射时，产生两种现象： • 相干散射； • 非相干散射。
相干散射
• 物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫 振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线 同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉 现象称为相干散射。
线的衍射现象，推动了x射线的应用）
1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在 一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电 线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。 用一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插 在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、 二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是 “透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特 殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。 他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会 递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时 无法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺 贝尔奖。
1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生 衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期 性，发表了《X射线的干涉现象》一文。
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物 理学的三大发现（X射线1895年、放 射线1896年、电子1897年）之一，这 一发现标志着现代物理学的产生。
对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家
• 德国物理学家伦琴（1895年）（发现了未知射线） • 德国物理学家劳厄（1912年）（证明x射线的波动性） • 英国布拉格父子（1912年）（简洁形式描述晶体对x射
h——普朗克常数，等于 6.625 1034 j s
eV
h max
hc
0
hc
0 eV
6.6251034 3.0 1.60 1019V
108
109
1240 (nm) V
短波限λ0随管压V的增大而减小。
产生机理
• 高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库 仑场作用而速度骤减，电子失去自己的能量，其中部 分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的 光子，这样的光子流即为X射线。高速电子进入靶内 不同深度，损失的动能有各种数值，使射线(光子)波 长连续变化,形成连续谱。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工 业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技 术的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：
反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果，结 果与材料的宏观性能有良好的对应关系。
不足之处：不可能给出材料实际存在的微观成分和 结构的不均匀性的资料。