XRD材料分析方法第一章 X射线的性质.ppt
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XRD分析课堂PPT
西南科技大学分析测试中心
引言
问题
❖ 科研、生产、商业和日常活动中，我们经常遇到： 这是一种什么物质？含有那些杂质或有害物质？用 什么方法鉴定？
❖ X射线衍射分析（XRD）的原理？仪器？样品？ ❖ XRD除物相分析还能做些什么？ ❖ 如何从XRD所给出的数据中提取更多的信息？包括
成分、结构、形成方式（条件）、结晶度、晶粒度？ 等等。
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特征X射线的命名方法
❖ 当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则 产生Kα辐射。同样当K空位被M层电子填充时，则产生 Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差， 即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量； 但因 L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强 度比Kβ辐射强度大五倍左右。显然，当L层电子填充K 层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层 如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。
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特征X射线产生的机理
❖ 特征X射线光谱产生的原因与连续光谱完全不 同。由阴极飞驰来的电子，在其与阳极的原子 相作用时，把其能量传给这些原子中的电子， 把这些电子激发到更高一级的能阶上；换句话 说，就是把原子的内层电子打到外层或者甚至 把它打到原子外面，而使原子电离，从而在原 子的内电子层中留有缺席的位置。
I k1iZVm
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管电流、管电压、阳极靶的原子序数对连续谱的影响
15
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1.4.2 特征X射线（标识X射线）
❖ 从图可见，当电压加到25KV时， Mo 靶 的 连 续 X 射 线 谱 上 出 现 了 两 个 尖 锐 的 峰 Kα 和 Kβ 。 随 着 电 压的增大，其强度进一步增强， 但波长不变。也就是说，这些谱 线的波长与管压和管流无关，它 与靶材有关，对给定的靶材，它 们的这些谱线是特定的。因此， 称之为特征X射线或标识X射线。 产生特征X射线的最低电压称激 发电压。
引言
问题
❖ 科研、生产、商业和日常活动中，我们经常遇到： 这是一种什么物质？含有那些杂质或有害物质？用 什么方法鉴定？
❖ X射线衍射分析（XRD）的原理？仪器？样品？ ❖ XRD除物相分析还能做些什么？ ❖ 如何从XRD所给出的数据中提取更多的信息？包括
成分、结构、形成方式（条件）、结晶度、晶粒度？ 等等。
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特征X射线的命名方法
❖ 当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则 产生Kα辐射。同样当K空位被M层电子填充时，则产生 Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差， 即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量； 但因 L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强 度比Kβ辐射强度大五倍左右。显然，当L层电子填充K 层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层 如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。
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特征X射线产生的机理
❖ 特征X射线光谱产生的原因与连续光谱完全不 同。由阴极飞驰来的电子，在其与阳极的原子 相作用时，把其能量传给这些原子中的电子， 把这些电子激发到更高一级的能阶上；换句话 说，就是把原子的内层电子打到外层或者甚至 把它打到原子外面，而使原子电离，从而在原 子的内电子层中留有缺席的位置。
I k1iZVm
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管电流、管电压、阳极靶的原子序数对连续谱的影响
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1.4.2 特征X射线（标识X射线）
❖ 从图可见，当电压加到25KV时， Mo 靶 的 连 续 X 射 线 谱 上 出 现 了 两 个 尖 锐 的 峰 Kα 和 Kβ 。 随 着 电 压的增大，其强度进一步增强， 但波长不变。也就是说，这些谱 线的波长与管压和管流无关，它 与靶材有关，对给定的靶材，它 们的这些谱线是特定的。因此， 称之为特征X射线或标识X射线。 产生特征X射线的最低电压称激 发电压。
X射线的产生和性质.优秀精选PPT
光程差为波长的整数倍。
他因此 为项成X果射于19线14年获。奖。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。
10
标识X射线谱的产生机理
◆产生机理
标识X：射线谱的产生机理与阳极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。
：
◆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99%的能量转换 为热量，而1%的能量转换为X射线。
6
X射线的产生
◆X射线产生的三个基本条件
●产：生自由电子； ●使电子作定向 的高速运动； ●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。
7
X射线的产生过程演示
4
X射线的本质
X射线区 紫外区 可见光区 红外区 微波区 无线电区
X射线的本质是一种电磁波，与可见光完全相同，仅 仅是波长短，波长为10-2-102Å，即0.001nm-10nm,介于紫外 线与γ射线之间，因此不能用肉眼观察到；同样能产生反 射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。
5
X射线的产生原理
11
标识X射线谱的产生机理
：
12
X射线衍射
什么情况下会产生X射线衍射？
各散射X射线之间在某个 方向上相互加强称为X射
线衍射。
什么情况下有最大程度的相互加强
（即晶体表面产生衍射条件）？ 光程差为波长的整数倍。
他因此 为项成X果射于19线14年获。奖。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。
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标识X射线谱的产生机理
◆产生机理
标识X：射线谱的产生机理与阳极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。
：
◆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99%的能量转换 为热量，而1%的能量转换为X射线。
6
X射线的产生
◆X射线产生的三个基本条件
●产：生自由电子； ●使电子作定向 的高速运动； ●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。
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X射线的产生过程演示
4
X射线的本质
X射线区 紫外区 可见光区 红外区 微波区 无线电区
X射线的本质是一种电磁波，与可见光完全相同，仅 仅是波长短，波长为10-2-102Å，即0.001nm-10nm,介于紫外 线与γ射线之间，因此不能用肉眼观察到；同样能产生反 射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。
5
X射线的产生原理
11
标识X射线谱的产生机理
：
12
X射线衍射
什么情况下会产生X射线衍射？
各散射X射线之间在某个 方向上相互加强称为X射
线衍射。
什么情况下有最大程度的相互加强
（即晶体表面产生衍射条件）？ 光程差为波长的整数倍。
XRD测试技术-课件
1.4 X射线与物质作用
（二） X射线的散射
1.4 X射线与物质作用
相干散射又称经典散射，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。这些散射波与入射波的频率、波长 相同，位相差恒定，在同一个方向上各散射波符合相干条 件。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。
经过相互干涉后， 这些很弱的能量集中在某 些方向上，可以得到一定 的花样，从这些花样可以 推测原子的位置，这是晶 体衍射效应的根源。
1.4 X射线与物质作用
非相干散射：当X射线与
原子中束缚较松的外层电子、 价电子或金属晶体中的自由 电子碰撞时，电子将被撞离 原运动方向，同时带走一部 分动能成为反冲电子。
1.4 X射线与物质作用
我们都知道，K系辐射包含Kα与Kβ谱线，在进 行多晶衍射分析时，必须除去强度较低的Kβ谱线。 那么，应该如何来选择滤波片的材料呢？ 这种材料的K吸收限λk处于光源的λKα 和λKβ辐射 线之间： λKβ<λk<λKα 这种材料对Kβ辐射吸收很强烈，而对Kα吸收很少， 这样可得到基本单色的光源即Kα谱线。
Max von Laue (1879-1960)
1914 Nobel Prize
1.1 X射线的发展史
1.2 X射线的性质
（一） X射线是电磁波
X射线的本质与可见光、红外线、紫外线以及宇宙射线
相同，均属电磁波，同时有波动性和粒子性特征。
X射线波长范围0.001-10 nm，波长较可见光，两者的主要
原来入射X射线因碰撞 而损失掉部分能量，使其频 率改变，波长变长，不符合 相干波的条件，称为非相干 散射。也称康普顿-吴有训 散射
X-射线衍射分析(XRD)-28页精选文档
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四、X-射线衍射分析原理
布拉格方程： nλ=2dsinθ
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五、X-射线衍射分析应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
物相分析
单一物相的鉴定或验证 定性分析
混合物相的鉴定
定量分析
等效点系的测定 晶体结构分析 晶体对称性（空间群）的测定
晶粒度测定
点阵常数（晶胞参数）测定
Hanawalt无机物检查手册、Hanawalt有机相 检查手册、无机相字母索引、Fink无机索引、 矿物检索手册等
卡片最初由“美国材料试验学会(ASTM)”出 版，称ASTM卡片。
1969年成立了国际性组织“粉末衍射标准联 合会(JCPDS)”，由它负责编辑出版“粉末衍 射卡片”，称PDF卡片。
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氯化钠(NaCl)的PDF卡片
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PDF卡片索引
为方便、迅速查对PDF卡片，JCPDS编辑出 版了多种PDF卡片检索手册：
X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外， 几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。
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1、 X射线的散射
定义：X射线通过物质时，其部分光子 将会改变它们的前进方向这就是散射现 象。
散射现象：包括相干散射和不相干散射
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相干散射或称古典散射
当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层 电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的 强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在 能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚 体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向 发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未 损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此 时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干 散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。
XRD的原理及应用ppt课件
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10
三、X射线衍射方法
• X 射线的波长较短, 大约在10- 8~ 10- 10cm 之间。与晶体中的原子间距数量级相同, 因 此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成 为可能。在研究晶体材料时，X射线衍射方 法非常理想非常有效，而对于液体和非晶 态物固体，这种方法也能提供许多基本的 重要数据。所以X射线衍射法被认为是研究 固体最有效的工具。在各种衍射实验方法 中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。
衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成 就的标志。但在双晶体衍射体系中，当两个晶体 不同时，会发生色散现象。因而，在实际应用双 晶衍射仪进行样品分析时，参考晶体要与被测晶
体相同，这使得双晶衍射仪的使用受到限制。
.
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四、X射线衍射的应用
• X射线衍射技术发展到今天, 已经成为最基 本、最重要的一种结构测试手段, 其主要应 用主要有物相分析 、 精密测定点阵参数、 应力的测定、晶粒尺寸和点阵畸变的测定、 结晶度的测定 、 晶体取向及织构的测定
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德拜相机
德拜相机结构简单，主 要由相机圆筒、光栏、 承光管和位于圆筒中心 的试样架构成。相机圆 筒上下有结合紧密的底 盖密封，与圆筒内壁周 长相等的底片，圈成圆 圈紧贴圆筒内壁安装， 并有卡环保证底片紧贴 圆筒。
.
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X射线衍射仪法
• X射线衍射仪法以布拉格实验装置为原型，融合了机械与 电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射 线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成， 是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍 射信息的衍射实验装置。现代X射线衍射仪还配有控制操 作和运行软件的计算机系统。
XRD基础知识ppt课件
❖ 如果试样具有周期性结构（晶区），则X射线被相 干散射，入射光与散射光之间没有波长的改变，这 种过程称为X射线衍射效应，若在大角度上测定， 则称之为广角X射线衍射（Wide Angle X-ray Diffraction，WAXD）。
❖ 如果试样是具有不同电子密度的非周期性结构（晶 区和非晶区），则X射线被不相干散射，有波长的 改变，这种过程称为漫射X射线衍射效应（简称散 射），若在小角度上测定，则称之为小角X射线散 射（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）。
❖
V为电子通过两极时的电压降V。
管电压与短波限的关系
管电压， V/kV
短波限， λ0/nm
20 0.062
30 0.041
40 0.031
50 0.025
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。
❖ 产生K系激发要阴极电子的能量eVK至少 等于击出一个K层电子所作的功WK。VK 就是激发电压。
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：
第二节 X射线的产生及性质
❖ (1) X射线的产生 ❖ 由于X射线是高能电磁波，必由高能过程产生。 ❖ 1）电子在高压电场中轰击金属靶 ❖ 2）加速电子或质子，用磁体突然改变其路径 ❖ 3）在导体中突然改变电子的运动方向 ❖ 4）电子在TV或VCD装置中减速 ❖ 5）核爆炸或宇宙射线的作用
(一) 同步辐射X射线源
❖ 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
XRD材料分析方法第一章 X射线的性质
X射线也是一种电磁波。 就其本质而言，它和一般 的可见光、红外线、紫外 线、γ射线、α射线以及 宇宙射线一样，都属于电 磁波（电磁辐射）。它是 一种人的肉眼看不见的射 线，但是可以穿过黑纸等 物质和使铂氰化钡荧光屏 发光。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
X射线的波长范围： 0.01~100 Å
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。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射波长一定。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
X射线的波长范围： 0.01~100 Å
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。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射波长一定。
材料分析方法-1-课件
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
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第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
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第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
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本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
XRD测量及原理ppt课件
PDF卡片
各种已知物相衍射花样的规范化工作于1938年由 哈那瓦特(J. D. Hanawalt)开创。
他的主要工作是将物相的衍射花样特征(位置与强 度)用d(晶面间距)和I(衍射线相对强度)数据组表 达并制成相应的物相衍射数据卡片。
卡片最初由“美国材料试验学会(ASTM)”出版， 称ASTM卡片。
1969年成立了国际性组织“粉末衍射标准联合会 (JCPDS)”，由它负责编辑出版“粉末衍射卡片”， 称PDF卡片。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
五、X-射线衍射分析应用
物相分析
单一物相的鉴定或验证 定性分析
混合物相的鉴定 定量分析
等效点系的测定 晶体结构分析 晶体对称性（空间群）的测定
晶粒度测定 晶体定向 宏观应力分析
点阵常数（晶胞参数）测定
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
波长为
的入射束分别照射到处于相邻晶
面的原子上，晶面间距为d，在与入射角相等
的反射方向上产生其散射线。当光程差等于波
长的整数倍 n 时，光线就可以出现干涉加强，
即发生衍射。 衍射线的方向恰好等于原子面对
入射线的反射，所以才借助镜面反射规律来描
述 X 射线的衍射几何。必须注意， X 射线的
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第一章 X射线的性质
尹孝辉
材料科学与工程学院
1. X射线的发现
RÖntgen Wilhelm Conrad(1845.03.271923.2.10)
1895年12月28日向德 国维尔茨堡物理学医学 学会递交了一篇轰动世 界的论文：《一种新的 射线--初步报告》
1.1 引 言
• 1895-1897年,伦琴搞清楚了X射线的产生、 传播、穿透力等大部分性质。
➢当两个电子的n，l值相同时， ml不同时， 无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场 时，能量不同。
4)自旋量子数（ms）
➢决定自旋角动量沿磁场方向的分量 ms=1/2，顺磁场 ms=-1/2，反磁场
➢当两个电子的n、l、 ml值相同时， ms不同时，无外磁场时，能量相等； 有外磁场时，能量不同。
2、理论解释
2）、角量子数（l）
决定电子绕核运动的角动量；确定电子 的运动轨迹——轨道形状。 当l=0、1、2……(n-1)时， 用 s、p、d、f ……表示
相同n值时，随l值的增加，电子的能量 稍有增加。
3）、磁量子数（ml）
➢决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的 分量。决定电子云在空间的伸展方向。
➢ml=0，± 1，± 2，± 3……± l，数目为 2l+1个
2、特征X射线谱 由在连续谱上叠加的若干条具有一定波长的强度 很高的谱线构成。又称为标识X射线、单色X射线。
二、连续X射线谱
1、实验现象
取一W靶X射线管，与高压相连，
若保持管电流i不变，而改变X射 线管两端的高压V，在某一给定高
压下，X射线的强度与波长的关系
如图。i、z一定，v 增加，Iλ(具有
某一波长的X射线的强度)增加， λ0（称为短波限，为在某一给定 电压下的最短波长）、 λm （强 度最大值所对应的波长）减小。 表明管电压既影响连续谱的强度， 也影响波长范围。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
从焦斑发射出来的 X射线在各个方向的强 度是不同的，一般在 3 ～ 6° 方 向 接 受 X 射 线 。
2）将这些谱线可以分成若干组，依照波长增加的 顺序，用字母K、L、M……表示。所有这些谱线 共同组成该靶金属的特征谱线。
一般情况下只有K系谱线用于衍射实验。
K系中也包括好几条谱线，在衍射实验中观察到
的有
k、1
、k
2
，
k
、
k在1一般k情2 况下不能分开，
统称为 ，且 k
k
1 3
2
k1
k 2
3）激发靶材产生特征谱的最低电压称为激发电 压。每一系列谱线的产生需要一定的激发电压， 分别表示为VK、VL、VM……， 材料的原子序数越大，对于同一谱系，所需激 发电压越高。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
一、X射线管
1.X射线管的结构； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。
X射线管是X射线机的核心,它是产生X射 线的源，它为一个大型的真空二极管。其 由阳极、阴极、窗口等组成。下图为X射线 管示意图。
1、阴极：是产生电子的地方，它是由绕成各 种形状的钨丝制成。
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
• 1901年，首位诺贝尔奖获得者。 • 1912年，劳埃（M. von Laue）发现晶体
的X射线衍射，获得诺贝尔奖。 • 对晶体的认识由微米级深入到纳米级。
• 在X射线发现后几 个月医生就用它来 为病人服务
• 右图是纪念伦琴发 现X射线100周年发 行的纪念封
1.2 X射线的本质
一、X射线的本质
由于电子是大量的，它们转变为热的能量是不 尽相同的，或碰撞的次数是不相同的，这样就会 产生各种各样波长的X射线，出现了连续光谱。
波长为λ0的光子能量高，但具有波长λm的光子 的数目多，因此Im不在λ0处，而是在λm处。且
可见，当X射线m 管电1.压5增0高时，电子的动能增大，
所以λ0 、λm值变小。同时，单位时间内所产生 的光子数和每个光子的平均能量都增加，所以各 种波长的射线的相对强度增高。
1nm=10 Å = 10-9 m
1kX=1.002056±0.000005 Å
2、粒子性
✓ 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一 定的质量、能量和动量，遵守能量守恒定律和 动量守恒定律。 光就是这样的粒子流，粒子被称为光子。
✓ 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。
4)每一特征谱线对应于一定波长值，它不随管流i 和管压V的变化而变化，即波长是不变的。但特 征谱的强度是发生变化的，且
I ciV Vn m
c为与靶材料有关的常数；Vn为激发电压；m 也为常数，对不同元素的各个谱系，m 是不同 的。
原子结构模型——壳层结构
1）、主量子数n：决定电子的主要能量。 当 n=1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 时 ， 用K、L、M、N、O、P、Q符号表示。 具有相同n值的电子处于相同的电子壳 层；n值大，则电子离核就远。
2）运用量子理论解释
根据量子理论，一个电子在管电压U的作用下飞 抵阳极时，它具有的动能W等于它从电场获得的 全部能量。
W eU
如果这个电子和阳极靶相碰撞，激发出X射线，
且电子的全部能量都转化为X射线光子的能量ε，
则ε至多等于电子的动能W，即ε≤W，若取等号，
则
W
eU
h maxຫໍສະໝຸດ hc0将各种常数项代入上式，得：
当管流增大时，单位时间内射到靶上的电子数 增加，故各种波长的X射线强度也增大。
自由电子被阳极靶阻挡住了，产生变速运动，实 际上是高速运动的电子受到了原子核的作用，因此， 靶材料的原子序数越大，自由电子所受的库伦力越 大，其所产生的加速度就越大，所以辐射出来的电 场和磁场强度也就越大,即发射出来的X射线强度也 就越大。
二、X射线机的工作原理
当电流通过阴极灯丝 时，灯丝被加热到白炽， 辐射出电子。由于X射 线管两端与高压电源相 连，在高压作用下，电 子以很高的速度飞向阳 极，被阳极阻挡而突然 停止下来。在靶面，伴 随能量的转换而发射出 X射线。
三、特殊X射线管
1、旋转阳极靶
一般X射线机发出的X 射线强度都不够高，因而 需要较长的爆光时间。而 提高强度的主要途径是提 高X射线管的功率，即使 更多和能量更高的电子轰 击靶面，这就会使阳极产 生的热不能及时散发出去。 现在主要采用旋转阳极靶 的方法来解决这个问题， 使电子轰击的地方不断改 变，而充分散热。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。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射波长一定。
2、细聚焦X射线管
为了提高衍射花样的分辨本领，必须使入射X 射线束很细，但因为X射线不受电磁场的作用， 其本身的折射率又很小，因而其本身不能产生聚 焦作用。因此要想得到细的X射线束，就只能从 缩小焦斑这方面入手，其方法是：
采用一套静电透镜或电磁透镜，使电子束高度 聚焦，其焦点可达几十微米甚至几微米，从而产 生出精细的衍射花样。
X射线也是一种电磁波。 就其本质而言，它和一般 的可见光、红外线、紫外 线、γ射线、α射线以及宇 宙射线一样，都属于电磁 波（电磁辐射）。它是一 种人的肉眼看不见的射线， 但是可以穿过黑纸等物质 和使铂氰化钡荧光屏发光。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
➢ X射线的波长范围： 0.01~100 Å
➢ 表现形式：以一定的波长和频率在空间传播， 具有干涉、衍射、偏振等特性。在晶体作衍 射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明 了X射线的波动性。
0
hc eU
6.631034 3.00 108 1.6 1019 U 103
109
1.24 nm U
λ0只与管电压有关，而不受其它因素的影响。 实际上只有一部分电子通过一次碰撞就将全部
能量转变为X射线光子能量，而大部分是只将一 部分能量转变为光子能量，剩余的转变成热能， 或者通过多次碰撞完成能量的转换，因此， X射 线中，大部分光子的波长均较λ0为长。
3、 X射线管的效率
• 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。
• 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 aiZU mi
a 1.1 ~ 1.4109
mi 2
• X射线管的效率：
X射线管的效率为X射线管所辐射出来的连续 X射线的能量与输入电能的比值。
3、采用闪光X射线管、同步加速器X射线源、闪光 轰击法等。
四、市场上供应的种类 1、密封式灯丝X射线管； 2、可拆式灯丝X射线管。
1.4 X射线谱
尹孝辉
材料科学与工程学院
1. X射线的发现
RÖntgen Wilhelm Conrad(1845.03.271923.2.10)
1895年12月28日向德 国维尔茨堡物理学医学 学会递交了一篇轰动世 界的论文：《一种新的 射线--初步报告》
1.1 引 言
• 1895-1897年,伦琴搞清楚了X射线的产生、 传播、穿透力等大部分性质。
➢当两个电子的n，l值相同时， ml不同时， 无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场 时，能量不同。
4)自旋量子数（ms）
➢决定自旋角动量沿磁场方向的分量 ms=1/2，顺磁场 ms=-1/2，反磁场
➢当两个电子的n、l、 ml值相同时， ms不同时，无外磁场时，能量相等； 有外磁场时，能量不同。
2、理论解释
2）、角量子数（l）
决定电子绕核运动的角动量；确定电子 的运动轨迹——轨道形状。 当l=0、1、2……(n-1)时， 用 s、p、d、f ……表示
相同n值时，随l值的增加，电子的能量 稍有增加。
3）、磁量子数（ml）
➢决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的 分量。决定电子云在空间的伸展方向。
➢ml=0，± 1，± 2，± 3……± l，数目为 2l+1个
2、特征X射线谱 由在连续谱上叠加的若干条具有一定波长的强度 很高的谱线构成。又称为标识X射线、单色X射线。
二、连续X射线谱
1、实验现象
取一W靶X射线管，与高压相连，
若保持管电流i不变，而改变X射 线管两端的高压V，在某一给定高
压下，X射线的强度与波长的关系
如图。i、z一定，v 增加，Iλ(具有
某一波长的X射线的强度)增加， λ0（称为短波限，为在某一给定 电压下的最短波长）、 λm （强 度最大值所对应的波长）减小。 表明管电压既影响连续谱的强度， 也影响波长范围。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
从焦斑发射出来的 X射线在各个方向的强 度是不同的，一般在 3 ～ 6° 方 向 接 受 X 射 线 。
2）将这些谱线可以分成若干组，依照波长增加的 顺序，用字母K、L、M……表示。所有这些谱线 共同组成该靶金属的特征谱线。
一般情况下只有K系谱线用于衍射实验。
K系中也包括好几条谱线，在衍射实验中观察到
的有
k、1
、k
2
，
k
、
k在1一般k情2 况下不能分开，
统称为 ，且 k
k
1 3
2
k1
k 2
3）激发靶材产生特征谱的最低电压称为激发电 压。每一系列谱线的产生需要一定的激发电压， 分别表示为VK、VL、VM……， 材料的原子序数越大，对于同一谱系，所需激 发电压越高。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
一、X射线管
1.X射线管的结构； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。
X射线管是X射线机的核心,它是产生X射 线的源，它为一个大型的真空二极管。其 由阳极、阴极、窗口等组成。下图为X射线 管示意图。
1、阴极：是产生电子的地方，它是由绕成各 种形状的钨丝制成。
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
• 1901年，首位诺贝尔奖获得者。 • 1912年，劳埃（M. von Laue）发现晶体
的X射线衍射，获得诺贝尔奖。 • 对晶体的认识由微米级深入到纳米级。
• 在X射线发现后几 个月医生就用它来 为病人服务
• 右图是纪念伦琴发 现X射线100周年发 行的纪念封
1.2 X射线的本质
一、X射线的本质
由于电子是大量的，它们转变为热的能量是不 尽相同的，或碰撞的次数是不相同的，这样就会 产生各种各样波长的X射线，出现了连续光谱。
波长为λ0的光子能量高，但具有波长λm的光子 的数目多，因此Im不在λ0处，而是在λm处。且
可见，当X射线m 管电1.压5增0高时，电子的动能增大，
所以λ0 、λm值变小。同时，单位时间内所产生 的光子数和每个光子的平均能量都增加，所以各 种波长的射线的相对强度增高。
1nm=10 Å = 10-9 m
1kX=1.002056±0.000005 Å
2、粒子性
✓ 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一 定的质量、能量和动量，遵守能量守恒定律和 动量守恒定律。 光就是这样的粒子流，粒子被称为光子。
✓ 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。
4)每一特征谱线对应于一定波长值，它不随管流i 和管压V的变化而变化，即波长是不变的。但特 征谱的强度是发生变化的，且
I ciV Vn m
c为与靶材料有关的常数；Vn为激发电压；m 也为常数，对不同元素的各个谱系，m 是不同 的。
原子结构模型——壳层结构
1）、主量子数n：决定电子的主要能量。 当 n=1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 时 ， 用K、L、M、N、O、P、Q符号表示。 具有相同n值的电子处于相同的电子壳 层；n值大，则电子离核就远。
2）运用量子理论解释
根据量子理论，一个电子在管电压U的作用下飞 抵阳极时，它具有的动能W等于它从电场获得的 全部能量。
W eU
如果这个电子和阳极靶相碰撞，激发出X射线，
且电子的全部能量都转化为X射线光子的能量ε，
则ε至多等于电子的动能W，即ε≤W，若取等号，
则
W
eU
h maxຫໍສະໝຸດ hc0将各种常数项代入上式，得：
当管流增大时，单位时间内射到靶上的电子数 增加，故各种波长的X射线强度也增大。
自由电子被阳极靶阻挡住了，产生变速运动，实 际上是高速运动的电子受到了原子核的作用，因此， 靶材料的原子序数越大，自由电子所受的库伦力越 大，其所产生的加速度就越大，所以辐射出来的电 场和磁场强度也就越大,即发射出来的X射线强度也 就越大。
二、X射线机的工作原理
当电流通过阴极灯丝 时，灯丝被加热到白炽， 辐射出电子。由于X射 线管两端与高压电源相 连，在高压作用下，电 子以很高的速度飞向阳 极，被阳极阻挡而突然 停止下来。在靶面，伴 随能量的转换而发射出 X射线。
三、特殊X射线管
1、旋转阳极靶
一般X射线机发出的X 射线强度都不够高，因而 需要较长的爆光时间。而 提高强度的主要途径是提 高X射线管的功率，即使 更多和能量更高的电子轰 击靶面，这就会使阳极产 生的热不能及时散发出去。 现在主要采用旋转阳极靶 的方法来解决这个问题， 使电子轰击的地方不断改 变，而充分散热。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。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射波长一定。
2、细聚焦X射线管
为了提高衍射花样的分辨本领，必须使入射X 射线束很细，但因为X射线不受电磁场的作用， 其本身的折射率又很小，因而其本身不能产生聚 焦作用。因此要想得到细的X射线束，就只能从 缩小焦斑这方面入手，其方法是：
采用一套静电透镜或电磁透镜，使电子束高度 聚焦，其焦点可达几十微米甚至几微米，从而产 生出精细的衍射花样。
X射线也是一种电磁波。 就其本质而言，它和一般 的可见光、红外线、紫外 线、γ射线、α射线以及宇 宙射线一样，都属于电磁 波（电磁辐射）。它是一 种人的肉眼看不见的射线， 但是可以穿过黑纸等物质 和使铂氰化钡荧光屏发光。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
➢ X射线的波长范围： 0.01~100 Å
➢ 表现形式：以一定的波长和频率在空间传播， 具有干涉、衍射、偏振等特性。在晶体作衍 射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明 了X射线的波动性。
0
hc eU
6.631034 3.00 108 1.6 1019 U 103
109
1.24 nm U
λ0只与管电压有关，而不受其它因素的影响。 实际上只有一部分电子通过一次碰撞就将全部
能量转变为X射线光子能量，而大部分是只将一 部分能量转变为光子能量，剩余的转变成热能， 或者通过多次碰撞完成能量的转换，因此， X射 线中，大部分光子的波长均较λ0为长。
3、 X射线管的效率
• 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。
• 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 aiZU mi
a 1.1 ~ 1.4109
mi 2
• X射线管的效率：
X射线管的效率为X射线管所辐射出来的连续 X射线的能量与输入电能的比值。
3、采用闪光X射线管、同步加速器X射线源、闪光 轰击法等。
四、市场上供应的种类 1、密封式灯丝X射线管； 2、可拆式灯丝X射线管。
1.4 X射线谱