材料分析方法第一章

产生机理
• 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时， 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。单 位时间内到达阳极靶面的电子数目是极 大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞， 产生能量各不相同的辐射，因此出现连 续X射线谱。
演示过程 回车键演示） （
KL L K
这一能量以一个光量子的形 式辐射出来变成光子能量， 即
KL h
hc

对于原于序数为Z的确 定的物质来说，各原子能级 的能量是固有的，所以， △εKL便为固有值，λ也随 之固定。这就是特征X射线 波长为一定值的原因。
(2)特征x射线的产生条件中还存在一个临界激发电压的原因：
由图7可见，Kα1 线要比Kβ 线的强 度大5倍左右，这是因为电子由 L→K层跃迁的几率比由M→ K层跃 迁的几率大5倍左右。 由于同一壳层还有精细结构，其 能量差固定，所以同一壳层上的电 子并不处于同一能量状态，而分属 于若干个亚能级。如L层8个电子分 届于LⅠ，LⅡ，LⅢ三个亚能级，M 层的18个电子分属五个亚能级等。 不同亚能级上电子跃迁会引起特征 波长的微小差别。实验证明，Kα是 由LⅢ上的4个电子和LⅡ上的3个电 子向K壳层跃迁时辐射出来的两根 谱线(称为Kα1 和K α2 双线)组成的 ，如图7所示。又由于LⅢ→K跃迁 几率较LⅡ →K的大一倍，所以组 成Kα的两条线的强度比为
一、连续X射钱谱
指当加在X射线管两端的电压未超过一定数值时，所产生的X 射线的波长是在一定范围内连续分布的，它包含着从某一个短波限 开始的全部波长，强度连续的随波长而变化。
特点：x射线波长从一最小值λ 0 向长波方向伸展，强度在λ m 此处有一最大值。这种强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱。 短波限：λ 0称为该管电压下的短波限。
衍射分析技术的发展
• 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年 份 学 科 1901 物理 1914 物理 1915 1917 1924 1937 1954 1962 1962 1964 1985 1986 1994 得奖者 伦琴Wilhelm Conral Rontgen 劳埃Max von Laue 亨利.布拉格Henry Bragg 物理 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn 戴维森Clinton Joseph Davisson 物理 汤姆孙George Paget Thomson 化学 鲍林Linus Carl Panling 肯德鲁John Charles Kendrew 化学 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 生理医学 Maurice h.f.Wilkins 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 霍普特曼Herbert Hauptman 化学 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 物理 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 物理 沙尔 C.G.Shull 内 容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定 脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 中子谱学 中子衍射
• 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 C Z

0
•
4.8031010 静电单位； 式中e——电子电荷，等于
V——电子通过两极时的电压降（静电单位）； h——普朗克常数，等于 6.6251034 j s
X射线的强度
• X射线的强度是指行垂直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。
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图2 X射线产生示意图
过程演示 （回车键演示）
X射线 冷却水 电子 接变压器 金 属 靶 玻璃 钨灯丝
X射线 铍窗口 X射线管剖面示意图 金属聚灯罩
第三节
X射线谱
•X射线强度与波长的关系曲线，称之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。
• 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。图1-7 • 实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶 的原子序数存在如下关系：I 连 K1iZV m 且X 射线管的效率为:
X射线功率 K1 ZV 2 X射线管效率 K1 ZV 电子流功率 iV
引 言
•X射线的发现：X射线是1895年德国物理学家伦琴发现的。由于当 时对它的本质还不了解，故称之为X射线。后来，为了纪念这一重 大发现人们也把它称为伦琴射线。 伟大的物理学家,X射线发明者------伦琴
• 右图是纪念伦琴发现X 射线100周年发行的纪 念封
•在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务. • X射线照相术的应用：是在对其所应用的辐射无任何明确理解的情 况下创始的。但由于分辨率的关系，仅可用来揭露大小在10-1cm的 数量级的内部细节。 1912年，劳厄的实验指出： （1）X射线是波长极短的电磁波，与晶体中原子间距离同数量级； （2）晶体由原子（或原子团）在三维空间周期性重复排列而成。
二、特征(标识)X射线谱
特征x射线:由特征x射线构成的x射线谱; 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 Uk时, 在连续增加的某些特定的波长位置上(0.063nm和0.071nm)， 会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，图5为35kV的 谱线.
特征x射线:改变管电流、管电压，这些谱线只改变强度而峰的位置 所对应的波长不变、即波长只与靶的原子序数有关，与电压无关。 这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征. 谱线特点： （1）特征x射线波长为一定值 （2）特征x射线的产生条件中有一个临界激发电压； （3）Kα线比Kβ线的波长长，同一元素的各谱线之间的强度比例 大体上固定不变。
特征x射线谱产生的机理：与阳极靶物质的原子结构紧密相关。 (1)特征X射线波长为一定值的原因。 如图6所示，原子系统中的电于遵从泡利不相容原理不连续地 分布在K，L，M，N，…等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到 外逐渐增加εK<εL<εM…。当外来的高速度粒子，可以将壳层中 某个电子击出去，使原子系统能量发生变化，这一转化是由较高能 级上的电子向低能级上的空位跃迁的方式完成的，如L层电子跃迁 到K层，此时能量降低为
第一节 X射线的本质
X射线、可见光和紫外线同其它基本粒子一样，同时具有波粒二象 性： 它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间转播，反映 了物质运动的连续性； 它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质 量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。
描述X射线的波动性的参量频率υ ，波长λ 与描述粒子性的参 量能量ε 、动量P之间存在下述关系：
由阴极射来的电子的动能为
1 2 mv eV 2
阴极射来的电子欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，必须满 足：
eV EK Wk
在临界条件下即有eVK=―Ek=Wk, VK就是阴极电子击出靶材原子K层电子所需的临界激发电压。阳极 靶物质的原于序数越大，所需临界激发电压也越高。
(3)Kα线比Kβ线波长长而强度高的 原因： K系激发：K层电子被击出的过程叫 K系激发，随之的电子跃迁所引起的 辐射叫K系辐射（辐射出特征x射线） 。 K系辐射:把L层电子被击出的过程 叫L系激发，随之的电子跃迁所引起 的辐射叫L系辐射，依次类推。 Kα、Kβ 谱线：电子跃迁时所跨越 的能级数目不同，同一辐射线系还有 区别。对跨越1，2，3个能级所引起 的辐射分别标以α、β、γ等符号。 电子由L→K、M→K跃迁(分别跨越1-2 个能级)所引起的K系辐射定义为Kα ，Kβ谱线；同理，由M→L、N→L电子 跃迁将辐射出L系的Lα，Lβ谱线． 以此类推还有M线系等，如图7所示。
• 阴极：钨丝； • 阳极：靶，使电子突然减速并发射X射线的地方。 • 常用靶材主要有：Cr 、Fe、Co、 Ni、 Cu、 Mo、 Ag、 W等，软X射线装置 中常用Al靶。
•(3) 设置自由电子撞击靶子：在其运动的路径上设置一个障碍物 使电子突然减速。
•(4) 阴极封闭在高真空中，真空度为>10-3Pa，使电子的运动无阻 力。
EK M > EK L
由于能量差与波长A成 反比,故 K <
K
原子系统中不仅各能 级的能量不同，各能 级间的能量差也不是 均匀分布的，愈靠近 原于核的相邻能级间 的能量差愈大。所以 有
另外，由图7可见，Kα1线要比Kβ线的强度大5倍左右，这是因为 电子由L→K层跃迁的几率比由M→ K层跃迁的几率大5倍左右。
Wk K态（击走K电子）
Wl
原 子 的 能 量 Wm Wn
L态（击走L电子）
M态（击走M电子） N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 X射线射出 连续X射线产生过程
0 电子冲击阳级靶
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.它是由光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。 hc • 相互关系为： eV h max
h
P h
hc


h——普朗克常数，等于6.62510-34 J· s
c——x射线的速度，等于2.998108 m/s
由此可见，X射线的波长较可见光短的多，所以能量和动量很 大，具有很强的穿透能力。 2 I A ） ，也是单位时间内通 X射线的强度是衍射波振幅的平方（ 过单位截面的光量子数目。
Fridrich和Kniping 用X射线照硫酸铜单晶，观察到衍射花样，证实
了劳厄的思想。
•劳厄的发现，证明了X射线是波的一种，有其波动性，同时又证明 了晶体结构的周期性，而衍射则和射线照相术不同，它能间接地揭 露大小达到10-8cm数量级的内部结构细节。金属的许多性能与这样 的精细结构密切相关。 •X射线的发现和应用使人们对晶体的认识从光镜的微米级深入到纳 米数量级。
I
K 1
: I K 2 2 : 1
小结
连续谱
高速运动的 谱图特征: (软X射 粒子能量转 强度随波长 线) 换成电磁波 连续变化 特征谱 高能级电子 回跳到低能 (硬X射 级多余能量 仅在特定波 线) 转换成电磁 长处有特别 波 强的强度峰
是衍射分析的 背底; 是医学采用的
衍射分析采用
莫塞莱定律
第二节 X射线的产生
•X射线被发现以后，进一步的研究表明，凡是高速运动的带电粒子 被突然减速时便能产生X射线。实际用于获得X射线的带电粒子是 电子。因此，为了获得X射线必须具备以下几个基本条件：
•(1) 产生自由电子的电子源：加热钨丝发射热电子；
•(2) 使电子作定向高速运动：阴极和阳极之间的高压；
材料分析方法
材料冶金学院
材料教研室
目 录
•第一部分
•第一章
• •第一节 •第二节 •第三节 •第四节
X射线衍射分析
X射线物理基础
引 言 X射线的本质 X射线的产生 X射线谱 X射线与物质的相互作用
绪论
材料：你们最关心的是什么？ 性能：你认为与哪些因素有关？
结构：有哪些检测分析技术？
• 物质的性质、材料的性能决定于它们的组成 和微观结构。 • 如果你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微 观结构看个清清楚楚明明白白！ • X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的 材料，其性能有时会差异极大. • X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的 途径。