第一章：X射线物理学基础

X射线的性质
① 是电磁波，具有波粒二象性。
ε=h·ν=h(c/λ) ， P=h/λ；能被 物质吸收，会产生干涉、衍射和光电 效应等现象；与可见光比较，差别主 要在波长和频率。
② 具有很强的穿透能力，通过物质时 可被吸收使其强度减弱，能杀伤生物 细胞。
③ 沿直线传播，光学透镜、电场、磁 场不能使其发生1偏2:49:转40 。
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（2）非相干散射
Comptom 散射、非弹性散射；Comptom-吴
有训效应；
，方向，变 波长、周相不同，
X射线 非弹性碰撞
不相干
反冲电子
= - = K (1-cos2)
K 与散射体和入射线波长有关的 常数；
Z↓，非相干散射↑； 在衍射图上出现连续背12景:49:。40
这一系列跃迁（除无辐射跃迁外）都以X射 线的形式放出能量，即发射特征的X射线光 谱。产生特征X射线光谱线的示意图 如下：
电离限
产生光谱线的来源
L K K1
L L
K2
核 KL M
N
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电
子
O
层
特征X射线的作用
莫塞莱定律：√1/λ＝K(Z－σ) 式中： λ 是波长；K 、σ常数；
的纯数学理论，特别对研究大分子生物
物质结构方面起了重要推进作用，他们 因此获1985年诺贝尔化学奖。
莫赛莱于1914年发现标识X射线的波长 与原子序数的关系，奠定了X射线光谱
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X射线的本质
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10-12－ 10-8m ，在电磁波谱中位于紫外线与 γ 射线之间并与它们部分相重叠。一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线， 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。
小结
一、X 射线的产生
X射线管
-
KA
+
X射线
二、X射线的性质 X射线 : 10-210A2
劳厄（Laue）实验（1912） 准直缝 晶
证实了X射线的波动性 X射线 体
劳厄斑
····
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§1－2 X射线谱
1、连续X射线谱 2、X射线特征光谱
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1．连续X射线谱
定义：是具有连续变化波长的X射线，也 称多色X射线。
Z 原子序数
这个公式表明：只要是同种原子， 不论它所处的物理状态和化学状态 如何，它发出的特征X射线均具有 相同波长。
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特征X射线小结
1） 定义：是具有特定波长的X射线，也 称单色X射线。
2） 产生机理：入射电子能量等于或大于物
质原子中K层电子的结合能，将K层电子激
发掉，外层电子会跃迁到K层空位，因外层
X射线的产生
X-射线：波长0.001～10nm的电磁波
高速电子撞击使 阳极元素的内层 电子激发；产生 X射线辐射。
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X
光 管 工 作 情 形
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X射线产生必须具备的 三个基本条件：
(Ⅰ) 产生自由电子
(Ⅱ) 使电子作定向高速运动 (Ⅲ) 有障碍物使其突然减速
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1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线 时发现了X射线。（1901年获得首届诺贝尔 奖）1912年，德国的Laue第一次成功地进 行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了 晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶 体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的 学科—X射线衍射晶体学。 （1914年获得 诺贝尔奖）1913年，英国Bragg导出X射线 晶体结构分析的基本公式，既著名的布拉 格公式。并测定了NaCl的晶体结构。 （ 1915年获得诺贝尔奖)
长
无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
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X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中，会释放 出电磁波，在巨大加速或减速过程中，所 释放的电磁波具有高能量，当其波長在1012－10-8m則成X光。
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当高速加速的电子束撞击阳极靶时，高速 电子受到靶原子的阻挡，急速停下来，其 部分动能則以X光的形式释放出來。高速 电子撞击时减少的能量△E 、所转化出来 的X光波長λ，根据爱因斯坦公式△E＝ｈ ν＝ｈc/λ可表示为：
产生机理：主要有两种解释。
经典物理学理论认为是高速运动热电子的动能 变成电磁波辐射能。数量极大的电子流射到阳极 靶上时，由于到达靶面上的时间和被减速的情况 各不相同，因此产生的电磁波具有连续的各种波 长。
近代量子理论认为是多次碰撞多次辐射的结
果。由于碰撞次数不同，所以能量不同，表现出
波长不同。
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一、X射线衍射分析 二、电子显微分析 三、热分析
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第一篇 X射线衍射分析技术
第一章 X射线物理学基础 §1－1 X射线的产生及性质 §1－2 X射线谱 §1－3 X射线与物质的相互作用
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§1－1 X射线的产生及性质
1895年德国物理学家伦琴在研究阴极 射线时发现了X射线，后人为了纪念 发现者也称它为“伦琴射线”。 X射 线技术目前在工业和科学技术中的应 用十分广泛，在硅酸盐材料工业及材 料科学中X射线物相分析是一种重要 分析方法。
特征X射线谱
定义：是具有特定波长的X射线， 也称单色X射线。
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X射线特征谱的产生
X射线特征谱涉及核内层电子能级的改变。 当高能粒子（如电子、质子）或X射线光子 撞击原子时，会使原子内层的一个电子被撞 出，而使该原子处于受激态。被撞出电子的 空位将立即被较高能量电子层上的一个电子 所填充，在此电子层上又形成新的空位，该 新的空位又能由能量更高的电子层上的电子 所填充，如此通过一系列的跃迁（LK， ML，NM），直至受激原子回到基态。
特征光谱——定性依据
n1n2

En1
En2 h

cR(Z

)2

n22
1
n12

L→K层；K 线系；
n1 =2，n2 =1；
K

( 3)cR(Z 4
)2
K
c
K

4
3R(Z
)2
不同元素具有自己的特征
谱线 ——定性基础；
谱线强度——定量；
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三、考核方式
考试成绩为70%，平时成绩为 30%。平时成绩由作业、实验、 考勤、课堂纪律等组成。可制定 相关奖惩制度,在第一次课向学生 公布，奖惩分数在总评后的成绩 中直接加减。按百分制将成绩计 算出后，再折算为考查课的五级 记分，即优、良、中、及格、不 及格。
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主要内容
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跃迁定则：
(1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0
J为L与磁量子数矢量和S， n=1,2,3，
可分为 线系, 线系, 线系； L→K层K： K1 、 K2 M→K层K ： K1 、 K2
N→K层K ： K 1 、 K 2 M→ L 层L ： L1 、 L2 N→L层L ： L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、M12:429:40
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续前
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
波长
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁
χ射线 来自内层电子能级的跃迁
光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁
可见光
红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁
波谱区 微波
来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁
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此外，巴克拉（1917年，发现元素的标 识X射线），塞格巴恩（1924年，X射线 光谱学），德拜（1936年）、马勒 （1946年）、柯马克（1979年）等人由 于在X射线及其应用方面研究而获得化
学、生物、物理诺贝尔奖。有机化学家 豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应 用X射线分析的以直接法测定晶体结构
连续X射线谱的特点
在阳极靶所辐射的全部光子中，光 子能量的最大值不能大于电子的能量， 具有极大能量的光子波长，即为短波极 限λ0 。
当：ev=hνmax=hc/λ0
有短波极限：λ0=12400/v
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特i固征定，V变化（升高）
在一连续X射线谱上可看出： ① 各种波长射线的相对强度（I）都相 应地增高； ② 各曲线上都有短波极限，且短波极 限值（λ。）逐渐变小； ③ 各曲线的最高强度值(λm)的波长逐 渐变小。
电子能量高，多余的能量就会以X射线的形
式辐射出来，两个能级之间的能量差是固
定的，所以此能量也是固定，即其波长也
是固定的：
E －E = n2 12:49:40n1 h（c/λ）
特征X射线小结
3）特征谱结构 K系特征谱 ： Kα、Kβ、Kγ, Kα(Kα1、Kα2)
4）λ与Z的关系
√1/λ＝K(Z－σ)
二．X射线吸收
1.光电效应与俄歇效应 (1) 光电效应—以X射线产生X射线的
过程。 (2) 俄歇效应—以X射线产生X射线，
但该射线不辐射出而是再激发其它电子 的过程。
无机材料测试技术
授课人：曹春娥 卢希龙 景德镇陶瓷学院材料学院
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绪论
本课程的作用 教学的基本要求 考核方式
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一、本课程的作用
“无机非金属材料工程”是教育部《21 世纪初一般院校工科人才培养模式改 革研究与实践》项目的优势专业，也 是江西省首批品牌专业。《无机材料 测试技术》是该专业的主干专业基础 课，也是重要的实验技术课。本课程 在无机非金属材料研究领域中起着不 同寻常的作用，它们将“无机非金属 材料工程”专业的核心问题“组成— 结构—性能”有机地联系在一起，从 而实现本专业人才12:49培:40 养的目标。
荧光X射线光谱分析（XRF、XFS）
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§1－3 X射线与物质的相互作用
X射线作用于物质
散射 相干 非相干
吸收 光电效应 俄歇效应
透过→衰减
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一.X射线的散射
X射线的强度衰减：吸收+散射；X射线的
↑， Z ↑，越易吸收，吸收>>散射，吸收为主 ； ↓， Z↓，穿透力越强；
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X射线强度
X射线强度：在单位时间内通过垂直于X 射线传播方向的单位面积上的光子数目 的能量总和。
理解要领：
强度是由光子的能量和数目两个因素决定
的，所以连续X射线的强度不在光子能量最
大的λ0处。
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2.特征X射线谱
定 义 产生机理 作 用
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对轻元素N、C、O而言，散射为主。 (1)相干散射(经典散射，弹性散射，汤姆逊散
射)
X射线
碰撞 新振动波源群
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相干散射
一.X射线的散射 （1）相干散射
X射线 光量子 →碰撞(原子中束缚较紧、Z 较大电子)→新振动波源群（原子中的电 子）；与X射线的周期、频率相同，方向 不同。 实验可观察到该现象，这是X射线在晶体 中产生衍射的基础，也即测量晶体结构的 物理基础。
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特征光谱产生：
碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
Байду номын сангаас
特征谱线的频率：
n1n2

En1
En2 h
cR(Z
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；

)2
n22
1
n12

σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；
n电子壳层数；c光速；Z原子序数
不同元素具有自己的特征谱线 ——定性基础 。
3. 通过实验课的训练，以培养学生的 严谨科学作风和态度，使他们加深理 解基本原理、熟悉仪器设备的构造与 性能，对电子显微分析照片、X射线衍 射图谱和热分析曲线等有分析处理与 进行物相鉴定的能力，并具备采用必 要测试技术对无机非金属材料进行物 相分析的基本能力，为今后的毕业课 题研究工作打下坚实的基础。
λ＝ｈc/ △E
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高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传 送給原子中的电子，而使原子离子化。当原 子內层轨道的电子被激发后，其空位很快会 被外层电子的跃入填满，在此电子跃迁的过 程中，由于不同轨道间的能量差，X光会随 着放出。 此过程所产生的X光与原子中电子 轨道的能量有关。
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二、教学基本要求
1. 掌握各种测试技术（主要指X—射 线衍射技术，电子显微分析技术和热 分析技术）的基本原理与各种研究方 法与测试技术的应用范围及优缺点； 2. 对正在发展完善之中的新测试技术 在相应的章节里作简略介绍，使学生 对这些现代测试技术有所了解，提高 阅读科技文献的能力；
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