材料分析理论与方法5-XRD(1)

5.4 结构因子与消光规律5.5 衍射仪法

5.6 衍射指数的标注

5.7 X射线物相分析

伦琴夫人的玉指

底片变黑是底片本身的质量有问题，他把底片退货给厂家，却把X射线关到了门外；

第3位：英国物理学家史密斯，他也曾发现保存在阴极射线管附近盒中的底片变黑了。这一发现并没有引起史密斯的注意，他只是叮嘱助手以后要把底片放在别处保存，而没有考虑底片变黑的原因；

特殊射线，并作了详细的观察记录。但他当时正忙于研究阴极射线，所以只是在论文中提了一笔“在放电管几英尺远处的玻璃管上看到了荧光”，放过了这一到手的成果。

同学们：在为这些科学家们惋惜的同时，我们应该从中领悟点什么？

劳厄斑

晶体

入射X射线

著名的Bragg公式

=

(L

k

)

3.2.1

θk

λ

2

d=

sin

X射线的波长在0.01-10nm,介于紫外和γ射线之间。一般XRD分析所用的波长为0.05-0.25nm

X射线管

侧窗型X射线光管示意图

冷却水

靶材Cu 套

阴极由绕成螺线形的钨丝制成，通以一定的电流加热到白热化，便能放射出热辐射电子。热电子在电场作用下高速飞向阳极。高速电子轰击阳极,相互作用的结果是：大约有1%的能量转变为X 射线的辐射，其余99%的能量都转变为热能。

5.1.1 X射线的产生-X射线光管

阳极靶由导热性好、熔点高的材料(黄铜或紫铜)作底座，端面上镀上一层阳极靶材料，常用靶材有Cr 、Fe 、Cu 、Ni 、Mo 、W 、Au 、Al 和Mg 等。阳极必须有良好的循环水冷却，以防靶被熔化。

X 射线从铍窗出射,要求窗口对X 射线的吸收小，又有足够强度以保持管内真空(高于10-3Pa 的真空度)。

与可见光的白光类似，连续X射线又称为白色X射线。

单位时间内到达阳极靶面的电子数目多达约1016

。

部分电子只经过一次碰撞就耗尽全部能量，而绝大多数电子要经历多次碰撞，才逐渐耗尽全部能量而形成多次辐射，由于多次辐射中各个光子的能量各不相同，因而形成一个连续X射线谱。 光子能量的最大极限值不可能大于电子的能量，最多只能等于一个入射电子的能量。该能量决定了X射线光管的光谱分布图的短波极限。

连续X射线产生机理

50kV

40kV

30kV

20kV

强度

特征X-Ray

RhKβRhKα

连续X-Ray

波长铑靶的K系特征光谱和连续光谱

背底。当工作电压为Kα激发电压＝3～5倍时，I

特/I

连

最大，有

利于分析工作。

在XRF工作中，特征X-射线的波长和强度分别用于是进行化学元素成分定性定量分析。

Ni 28 0.16592 0.15001 Cu 29 0.15418 0.13922 Mo 42 0.07107 0.06323 W 74 0.02106 0.01844

E L

E k

①

②

E P

>E K

结合能E k

p k L E=E k -E L ，该能量的释放要么发X-①如图，当入射电子能量E p 大于原子中电子的K 轨道结合能E k 时，可以引起K 壳层电子电离，形成空穴；②内壳层电离的原子为不稳定状态，较外壳层电子如能量为E L 的L 壳层电子自发跃迁填补K 壳层空位；③该跃迁过程产生能量差ΔE=E k -E L ，该能量的释放要么发射电磁波h ν=ΔE ，即X -射线光子；要么发射俄歇电子。二者必居其一，且只能居其一。

P A

P x+P A=？

P X

L

KαKβ

Lα

K

L

KαKβ

Kγ

Lα

Lβ

K

L

KαKβ

Kγ

Lα

Lβ

K

L

KαKβ

Kγ

Lα

Lβ

K

入射X射线

透射X-射线

I 0

I=I 0e -μH

e

俄歇电子—AES X光电子—XPS

H

X-Ray吸收光谱透射成像,无损检测

X射线与原子中的电子相互作用，产生运动方向改变甚至能量交换,即产生相干散射和非相干散射。相干散射

¾当能量较低的X 射线与原子序数较大的原子的内层电子作用时，其能量不足以使电子改变被束缚状态，X 射线不损失能量，而只是改变传播方向;¾散射波的波长和频率与入射波相同，有确定的相位关系，这些新的散射波之间可以发生干涉作用，故称为相干散射，是X射线在晶体中产生衍射的基础。

（1）X射线的散射

劳厄斑

非相干散射（康普顿效应）

¾能量较高的X光子与束缚不紧的外层电子和低原子序数原子的核外电子、自由电子碰撞时，会引起被撞电子的反冲运动;

¾光子损失部分能量，波长变长，散射波的相位与入射波不存在固定关系，不能产生干涉;

¾非相干散射X射线在衍射图象上形成连续背底，造

成不利影响。

X 射线穿过物质时强度产生衰减。衰减程度用线性衰减系数μl 来描述：

(2)X射线的吸收

其中τ为光电吸收系数，σc 和σinc 分别为相干散射和非相干散射系数。

光电效应：X射线光子具有足够高的能量时，可以将照射物质中的原子内层电子激发出去（电离），产生二次特征辐射，激发出去的电子称为光电子，辐射出的二次特征X射线称为荧光X射线。

l c inc

μτσσ=++