X射线衍射学1X射线物理学

1895年11月8日，克鲁克斯管，氰亚铂酸钡 屏
1895年12月28日，论文《一种新射线-初步 报告》X射线。为世纪之交物理学三大发现 之一
X射线在晶体结构分析，人体疾病透视检查 治疗方面有广泛应用，此而获得1901年诺 贝尔物理奖。
1901年获诺贝尔物理 奖 (W.C. Roentgen
1845-1923)
X射线衍射学1X射线物理学
• X射线衍射1-X射线物理学(1,2) • X射线衍射2-晶体学基础(3,4) • X射线衍射3-衍射原理(5-6) • X射线衍射4-实验方法及应用(7-
8) • XPS原理及应用- (9,10)
2
2.1 X射线简介 2.2 X射线及其本质； 2.3 X射线的产生； 2.4 X射线谱； 2.5 X射线与物质相互作用； 2.6 X射线的探测与防护；
利用X射线束和电子束与材料相互作用产生效应来对材料进行分析测试的 方法是材料近代分析中最重要的方法 。 （1）材料的X射线分析方法 （2）材料电子显微分析方法
10
材料的性能决定于它们的组成和微观结构。 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。
5
生活：体检透视、安全检查。 生产：海关验货、工业探伤等。 科研：XRD，XPS，XRF等
6
1895年，德国，伦琴（W.C.Rontgen)，发现，第一个诺贝尔物 理奖；
1912年，德国，劳埃(M.von Laue)，第一张X射线衍射花样，晶 体结构，电磁波，原子间距，劳埃方程，1914年诺物奖；
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。
22
1，各种波长的X射线的相 对强度一致增高，
2，最高强度的射线的波 长逐渐变短（曲线的峰 相左移动）， 3，短波极限逐渐变小， 即λ0 向左移动， 4，波谱变宽。
因此，管电压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围。
23
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，称单色X射线。
当电压达到临界电压时， 标识谱线的波长不再变， 强度随电压增加。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0.71A和0.63A.
11
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅 是波长短而已，因此具有波粒二像性。
(1)波动性; (2)粒子性。
12
X射线的波长范围：0.01-100 Å （ 1012108 m）
表现形式：用晶体作衍射光栅，观察到的X射线的衍射现象， 即证明了X射线的波动性。
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。
7
8
12，物相定性分析 3，物相定量分析 4，晶粒大小分析结晶度分析 5， 非晶态结构分析， 6，宏观应力与微观应力分析 7，择优取向分析
9
材料结构分析方法是建立在材料的各种物理化学效应基础上，包括： （1）物理方法：光束、X射线束，电子束、中子束、其它粒子等 （2）化学方法：
X射线管剖面示意图 17
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: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。
(2)标识X射线。
18
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。
软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用 于分析非金属的分析。
X射线波长的度量单位常用埃（Å），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 ： 1 nm=10 Å
13
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。
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。
16
X射线管的结构
封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。 (3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积 上发射出X射线。
X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动 量p之间存在如下关系：
式中h—普朗克常数，c—X射线的速度。
14
15
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。 产生条件 1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.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。
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。
19
20
21
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。
1913-1914年，英国，布拉格父子(Henry Bragg, Lawrence Bragg)，布拉格方程，晶体结构分析，1915年诺物奖；
1916年，德拜、谢乐，粉末法，多晶体结构分析，1936年诺化 奖；
1917年，巴克拉（C.G.Barkla),元素特征X射线，1917年诺物奖； 1928年，盖格，弥勒，计数管，X射线衍射线强度，衍射仪。
3
2.1 X射线简介
4
1836年，英国科学家迈克尔.法拉第 (Michael Faraday)，阴极射线；
1861年，英国科学家威廉.克鲁克斯 （William Crookes，1832-1919）发现通电 的阴极射线管在放电时会产生亮光；胶卷 曝光；
1890年美国科学家古德斯柏德，偶然洗出 了一张X射线的透视底片；