无机材料测试技术期末复习资料

第一章 x射线物理学基础

1.X射线的性质,本质和X射线的产生

X射线的产生：

X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。

X射线的本质：

X射线也是电磁波的一种，波长在10－8cm左右

X射线的发生必需具备的基本条件

1) 产生自由电子

(2) 使电子作定向高速运动

(3) 有障碍物使其突然减速

X射线的性质

①是电磁波，具有波粒二象性：

ε=hν= 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、磁场不能使其发生偏转。

2.连续X射线谱的特点及产生机理，

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。

产生机理：主要有两个原因。

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。

根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。

特点：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（λ0）逐渐变小；

③各曲线的最高强度值(λm)的波长逐渐变小。

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。注意：

强度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。

当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压

特征X射线谱

定义：具有特定波长的X射线，也称单色X射线。

特征X射线的产生机理：原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K、L、M、N等不同能级的壳层上，而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，于是在原来的位置出现空位，原子系统的能量升高，处于激发态，这时原子系统就要向低能态转化，即向低能级上的空位跃迁，在跃迁时会有一能量产生，这一能量以光子的形式辐射出来，即特征X射线。

X射线特征光谱的产生

X射线光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（L K，M L，N M），直至受激原子回到基态。

相干散射：如果散射波的波长和频率与入射波相同，这些新的散射波之间可以发生干涉作用，故把这种散射波称为相干散射

非相干散射：当X射线光子与束缚不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相撞时的散射过程。

X射线吸收：物质对x射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁尔引起的。在这个过程中发生x射线的光电效应和俄歇效应，使部分x射线能量转变成光电子，荧光x射线及俄歇电子的能量。因此x射线的强度被减弱。

6．解释X射线的光电效应、俄歇效应与吸收限；吸收限的应用有哪些？

光电效应：当具有一定能量hv的入射光子与样品的原子互相作用时，单个光子把全部能量交换给原子某壳层上一个受束缚的电子，这个电子就获得能量。如果该能量大于该电子的结合能Eb，该电子就将脱离原来受束缚的能级；若还有多余的能量可以使电子克服功函数W，则电子就成为自由电子、并获得一定的动能Ek并且hv=Eb+Ek+W。该过程为光电效应。

俄歇效应：原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL 的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应.

吸收限：物质的K激发限波长都有它自己特定的值。从X射线激发光电效应的角度，称λK 为激发限；然而，从X射线被物质吸收的角度，则称λK为吸收限

光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析(XPS)

俄歇电子高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)

二次荧光高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量

获得单色光的方法:

在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。

吸收限(吸收边)：一个特征X射线谱系的临界激发波长；

吸收限的应用:1) 阳极靶的选择

选择原则：尽可能少地激发样品的荧光辐射

Z滤≤ Z试+1

⑵滤波片的选择

选择原则：λKβ﹤λK滤﹤λKα

Z滤= Z靶－1 （Z靶＜40)

Z滤= Z靶－2 （Z靶＞40）

18．布拉格方程式中各符号的物理意义是什么？该公式有哪些应用？

布拉格方程：满足衍射的条件为： 2dsinθ=nλ

d为面间距，θ为入射线、反射线与反射晶面之间的交角，称掠射角或布拉格角，而2θ为