材料研究方法x射线物理基础
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具有波粒二象性 波动性：以一定频率、波长在空间传播； 微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一
定的质量、能量和动量。
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5
x射线的本质
波长λ、振动频率ν、传播速度c间的关系： λ= c c = 3×108m/s
E = hν =
hc
P=h
h= 6.63×10-34J·S
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14
连续x-ray谱的构成
电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转 化为热能，一部分以x-ray释放。
撞向阳极的电子目数很多，时间、条件 不同，或多次碰撞逐步减少其能量。
动能转换为x-ray的能量有多有少，射出 x-ray的频率有大有小，形成不同波长的 x-ray，构成连续的谱线。
(1845-1923)
1995
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3
1.1 x射线的本质
x-ray的性质： 使底片感光、荧光板发光、气体电离。 具有极强的穿透能力。 沿直线传播。 杀死（伤）生物细胞。
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4
x射线的本质
波长很短的电磁波 0.01~100Å 用于晶体分析的 λ= 0.5~2.5Å
K 32K113K2
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24
激发电压VK
开始产生标识谱线的临界电压。 电子具足够能量把靶中原子某一能级上
的电子打掉产生特征x-ray所必须达到的 最低电压。 同一靶材料 VK> VL > VM 不同靶材料的原子结构不同，各自的激 发电压不同，辐射的波长也不同。
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18
x射线强度
x-ray连续谱的总强度I与i、v、z之间存在经 验公式：
I连续＝kiZVm
式中：k—常数 k≈1.1~1.4×10－9（V－1） m—常数 m≈2 z—阳极靶的原子序数 i—管电流（mA） v—管电压（kv）
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19
连续谱变化规律
I I 管流i3 >i2> i1
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17
x射线强度
是指垂直于x-ray传播方向的单位面积上 在单位时间内的光量子数目的能量总和。
I = n hν J/m2.s
是由光子数目和光子能量两因素决定。
连续谱中的强度最大值不在光子能量最 大处，而是在大约1.5处。
曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。
I连续＝ I() d 0
x-射线衍射分析
X-ray Diffraction
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1
1. x射线物理基础
1895年伦琴发现X射线 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 1901年伦琴获诺贝尔奖 1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验
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2
(1879-1960)
i —管电流 V—工作电压 VK—K系激发电压
管电压增加到一定数值，电子脱离原轨 道，体系处于不稳定的激发态。
电子从高能级向低能级的跃迁将以光子 的形式辐射出标识x-ray谱。
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22
标识x射线谱
hK W K W L hK hL
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23
标识x射线谱
k层电子被迁出的过程 叫k系激发，随之的电子 跃迁所引起的辐射为k系 辐射。 Kα是由Kα1和Kα2两条 谱线组成，与原子能级 的精细结构有关。
i3 i2 i1
I 不同阳极
W Ag Mo
λ
λ
λ
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20
（2） 标识x射线谱
特点： ① 具有特定的波长。 ② 当管电压超过某一特定值Vk时产生。 ③ 叠加在连续x-ray谱上的。 产生原因：
与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。
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21
标识x射线谱
原子系统内的电子按包利不相容原理和 能量最低原理分布于各个能级，能级是 不连续的，K层靠近原子核，能量最低。
25
标识x射线谱的波长
标识x-ray谱的波长只取决阳极靶材料的 原子序数，是物质的固有特性。（莫塞 莱定律）： 1 K(z )
式中：K—常数（与靶材物质总量子数有关） σ—常数（与电子所在壳层位置有关） z—靶材料的原子序数
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26
标识x射来自百度文库谱的强度
IK = B i(V-VK)n 式中：B、n—常数，n=1.5~1.7
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9
x射线管
阴极：发射电子。 由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由
电子，奔向阳极 。 阳极：使电子突然减速和发射x-ray。
良好的循环水冷却，防止靶熔化。 窗口： x-ray从阳极靶向外射出的地方。
2个或4个专门材料（Be）制成。
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10
x射线管
焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方。 其形状与大小是x-ray管的重要质量指标，
由灯丝的形状及聚焦罩所决定。 1mm×10mm的长方形
表观焦点：接受方向上x-ray的截面积。 点光源 1×1 正方形 线光源 0.1×10 线状焦点
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11
x射线管
较小的焦点和较强的x-ray强度，对x-ray 衍射图可提高分辨本领和缩短曝光时间。
① 接受x-ray时使窗口 处于与靶面成一定角 度的位置。出射角3°~6° ② 窗口开设在与焦点 的长边和短边相对应的位置。
6
1.2 x射线的产生
凡是高速运动的电子流或其它高能辐射 流被突然减速时均能产生x-ray。
获得x射线必须具备的基本条件： ① 产生自由电子 ② 使电子作定向高速运动 ③ 突然止住电子
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7
x射线仪
x射线管 高压变压器 低压稳压电源 自动控制、指示装置
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8
x射线管
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12
1.3 x射线谱
施加不同的电压， 连
得到波长和强度的度 相
续 X
I
关系曲线，称为 对 射
x-ray谱。
强线
特征X射线
λmin
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λ
13
（1）连续x射线谱 I
特点：
① 强度随波长连续变化。
λ
② 每条曲线都有一个强度最大值和波长极
限——短波限λº。 产生原因：
高速运动的电子被靶面骤然阻止。
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15
短波限λº的形成
量子理论解释
e
V
hmax
hc
0
式中：e — 电子电荷
=4.803×10－10 静电单位
=1.602×10－19c
v — 管电压
1V=
1 300
静电单位。
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16
短波限λº
短波限只与管电压有关，不受其它因素 影响。
hc12.4 eV V
A
1.24 nm V
定的质量、能量和动量。
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5
x射线的本质
波长λ、振动频率ν、传播速度c间的关系： λ= c c = 3×108m/s
E = hν =
hc
P=h
h= 6.63×10-34J·S
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连续x-ray谱的构成
电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转 化为热能，一部分以x-ray释放。
撞向阳极的电子目数很多，时间、条件 不同，或多次碰撞逐步减少其能量。
动能转换为x-ray的能量有多有少，射出 x-ray的频率有大有小，形成不同波长的 x-ray，构成连续的谱线。
(1845-1923)
1995
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1.1 x射线的本质
x-ray的性质： 使底片感光、荧光板发光、气体电离。 具有极强的穿透能力。 沿直线传播。 杀死（伤）生物细胞。
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x射线的本质
波长很短的电磁波 0.01~100Å 用于晶体分析的 λ= 0.5~2.5Å
K 32K113K2
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24
激发电压VK
开始产生标识谱线的临界电压。 电子具足够能量把靶中原子某一能级上
的电子打掉产生特征x-ray所必须达到的 最低电压。 同一靶材料 VK> VL > VM 不同靶材料的原子结构不同，各自的激 发电压不同，辐射的波长也不同。
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x射线强度
x-ray连续谱的总强度I与i、v、z之间存在经 验公式：
I连续＝kiZVm
式中：k—常数 k≈1.1~1.4×10－9（V－1） m—常数 m≈2 z—阳极靶的原子序数 i—管电流（mA） v—管电压（kv）
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连续谱变化规律
I I 管流i3 >i2> i1
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x射线强度
是指垂直于x-ray传播方向的单位面积上 在单位时间内的光量子数目的能量总和。
I = n hν J/m2.s
是由光子数目和光子能量两因素决定。
连续谱中的强度最大值不在光子能量最 大处，而是在大约1.5处。
曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。
I连续＝ I() d 0
x-射线衍射分析
X-ray Diffraction
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1
1. x射线物理基础
1895年伦琴发现X射线 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 1901年伦琴获诺贝尔奖 1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验
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(1879-1960)
i —管电流 V—工作电压 VK—K系激发电压
管电压增加到一定数值，电子脱离原轨 道，体系处于不稳定的激发态。
电子从高能级向低能级的跃迁将以光子 的形式辐射出标识x-ray谱。
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22
标识x射线谱
hK W K W L hK hL
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23
标识x射线谱
k层电子被迁出的过程 叫k系激发，随之的电子 跃迁所引起的辐射为k系 辐射。 Kα是由Kα1和Kα2两条 谱线组成，与原子能级 的精细结构有关。
i3 i2 i1
I 不同阳极
W Ag Mo
λ
λ
λ
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20
（2） 标识x射线谱
特点： ① 具有特定的波长。 ② 当管电压超过某一特定值Vk时产生。 ③ 叠加在连续x-ray谱上的。 产生原因：
与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。
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21
标识x射线谱
原子系统内的电子按包利不相容原理和 能量最低原理分布于各个能级，能级是 不连续的，K层靠近原子核，能量最低。
25
标识x射线谱的波长
标识x-ray谱的波长只取决阳极靶材料的 原子序数，是物质的固有特性。（莫塞 莱定律）： 1 K(z )
式中：K—常数（与靶材物质总量子数有关） σ—常数（与电子所在壳层位置有关） z—靶材料的原子序数
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标识x射来自百度文库谱的强度
IK = B i(V-VK)n 式中：B、n—常数，n=1.5~1.7
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9
x射线管
阴极：发射电子。 由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由
电子，奔向阳极 。 阳极：使电子突然减速和发射x-ray。
良好的循环水冷却，防止靶熔化。 窗口： x-ray从阳极靶向外射出的地方。
2个或4个专门材料（Be）制成。
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10
x射线管
焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方。 其形状与大小是x-ray管的重要质量指标，
由灯丝的形状及聚焦罩所决定。 1mm×10mm的长方形
表观焦点：接受方向上x-ray的截面积。 点光源 1×1 正方形 线光源 0.1×10 线状焦点
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11
x射线管
较小的焦点和较强的x-ray强度，对x-ray 衍射图可提高分辨本领和缩短曝光时间。
① 接受x-ray时使窗口 处于与靶面成一定角 度的位置。出射角3°~6° ② 窗口开设在与焦点 的长边和短边相对应的位置。
6
1.2 x射线的产生
凡是高速运动的电子流或其它高能辐射 流被突然减速时均能产生x-ray。
获得x射线必须具备的基本条件： ① 产生自由电子 ② 使电子作定向高速运动 ③ 突然止住电子
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x射线仪
x射线管 高压变压器 低压稳压电源 自动控制、指示装置
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8
x射线管
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12
1.3 x射线谱
施加不同的电压， 连
得到波长和强度的度 相
续 X
I
关系曲线，称为 对 射
x-ray谱。
强线
特征X射线
λmin
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λ
13
（1）连续x射线谱 I
特点：
① 强度随波长连续变化。
λ
② 每条曲线都有一个强度最大值和波长极
限——短波限λº。 产生原因：
高速运动的电子被靶面骤然阻止。
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15
短波限λº的形成
量子理论解释
e
V
hmax
hc
0
式中：e — 电子电荷
=4.803×10－10 静电单位
=1.602×10－19c
v — 管电压
1V=
1 300
静电单位。
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短波限λº
短波限只与管电压有关，不受其它因素 影响。
hc12.4 eV V
A
1.24 nm V