材料研究方法x射线物理基础
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X射线物理学基础(材料分析方法),技术资料
第一篇材料X射线衍射分析第一章X射线物理学基础§1.1 X射线性质一、X射线的发现：1895年，著名的德国物理学家伦琴（W. C. Rontgen）发现了X射线，因此X 射线又名伦琴射线。
当时，Rontgen在研究阴极射线（一束高速电子流）激发涂有荧光物质的玻璃壁而发生荧光时，偶然发现放在高真空的放电管附近的照相底片被感光了。
但照相底片是用黑纸严密包好的，而阴极射线是透不出玻璃管的，所以Rontgen认为这种使照相底片感光的东西来自阴极射线，但决不是阴极射线本身，一定还存在另一种看不见的射线。
他称这种穿透能力极强的射线为X射线。
Rontgen 还用X射线拍下了物理学历史上最著名、最温情脉脉的一张照片，照片上清楚地显示出Rontgen夫人的手骨结构及手上那枚金戒指的轮廓。
经过反复验证之后，伦琴于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》1901年Rontgen获首届诺贝尔物理学奖。
图1、老式X射线管图2、伦琴拍下的他夫人的手的X射线图1912年，德国物理学家劳厄（V on Laue）等发现了X射线在晶体小的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。
同年，英国物理学家布拉格父子（W. H. Bragg 和V. L. Bragg）利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。
二、X射线的性质：劳厄的实验已经指出，X射线是一种波长很短的电磁被，波长范围约0.01～10nm（1nm＝10－9m）。
在电磁波谱上它处于紫外线和γ射线之间（见图3）。
测量其波长通常应用的单位是，国际单依制中的nm（纳米）。
用于衍射分析的X射线波长为0.05～0.25nm。
作为电磁波的X射线，它与可见光和所有的其他基本粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二象性。
它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。
材料科学研究方法课件-2深大第二章 X射线物理基础
12
产生X射线的条件：
•产生自由电子的电子源（阴极） •自由电子撞击靶（阳极） •施加于阴极和阳极间的高压电场 •将阴阳极封闭于其中的高真空系统
13
1.3 X射线的性质
1. X射线本质上是一种电磁波，具有波粒二象性； 2. X射线的波长： 10－3 ~ 10 nm
X射线晶体结构分析0.05 ~ 0.25 nm，材料探伤0.005 ~ 0.1 nm.
非相干散射不能参与衍射，也无法避 免，会使衍射图像背景变黑，给衍射 工作带来不利影响。
35
1.5.2 X射线的真吸收
1.5.2.1 光电效应和二次特征辐射：
光电子、俄歇电 子和荧光X射线 过程示意图
36
如果以能量足够高的Ｘ射线作为激发手段，用 来照射样品物质，使物质原子中内层电子被激 发，光子激发出的电子产生光电效应，被击出 的电子成为光电子。
•这些波长反映了靶材料的 特征，故称之为特征Ｘ射 线，并构成特征Ｘ射线谱。
•继续增加管压时，各特征
Ｘ射线的强度不断增高，
但其波长不变。
23
Mo靶X光管发出X光谱
两个强度特别高的窄 峰为钼的Ｋ系Ｘ射线， 分别称为Kα和Kβ射 线， 强度比约为 5∶1。
Kα又可分为Kα1和 Kα2两条线，其波长 差约为0.0004nm， 强度比约为2∶1。
3. X射线的 λ（ Å）、振动频峰 υ 和传播速度
C（m·s-1）符合 λ = c / υ 14
4. X射线可看成具有一定能量E 、动量P、质
量m的X光量子
E = h υ 或 E = hc/ λ
P=h/λ
h 为普朗克常数，h = 6.626176×10-34J.s， 是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引 进，它是微观现象量子特性的表征。
产生X射线的条件：
•产生自由电子的电子源（阴极） •自由电子撞击靶（阳极） •施加于阴极和阳极间的高压电场 •将阴阳极封闭于其中的高真空系统
13
1.3 X射线的性质
1. X射线本质上是一种电磁波，具有波粒二象性； 2. X射线的波长： 10－3 ~ 10 nm
X射线晶体结构分析0.05 ~ 0.25 nm，材料探伤0.005 ~ 0.1 nm.
非相干散射不能参与衍射，也无法避 免，会使衍射图像背景变黑，给衍射 工作带来不利影响。
35
1.5.2 X射线的真吸收
1.5.2.1 光电效应和二次特征辐射：
光电子、俄歇电 子和荧光X射线 过程示意图
36
如果以能量足够高的Ｘ射线作为激发手段，用 来照射样品物质，使物质原子中内层电子被激 发，光子激发出的电子产生光电效应，被击出 的电子成为光电子。
•这些波长反映了靶材料的 特征，故称之为特征Ｘ射 线，并构成特征Ｘ射线谱。
•继续增加管压时，各特征
Ｘ射线的强度不断增高，
但其波长不变。
23
Mo靶X光管发出X光谱
两个强度特别高的窄 峰为钼的Ｋ系Ｘ射线， 分别称为Kα和Kβ射 线， 强度比约为 5∶1。
Kα又可分为Kα1和 Kα2两条线，其波长 差约为0.0004nm， 强度比约为2∶1。
3. X射线的 λ（ Å）、振动频峰 υ 和传播速度
C（m·s-1）符合 λ = c / υ 14
4. X射线可看成具有一定能量E 、动量P、质
量m的X光量子
E = h υ 或 E = hc/ λ
P=h/λ
h 为普朗克常数，h = 6.626176×10-34J.s， 是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引 进，它是微观现象量子特性的表征。
武汉理工大学 材料测试方法 X射线衍射 1-物理基础
● X 射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织 在受到 X 射线的辐射时，生理上会产生一 定的反应。
X 射线的性质 — 波的性质
（１）X 射线和其它电磁波一样，能产生 散射、干涉、 衍射、偏振、吸收 等现象。
由于 波长短,能量大,穿透力强，在通常实验条件 下，很难观察到 X 射线的反射。只有在其掠射角极小 ( 不超过20‘－30’ ) 时，X 射线能产生全反射。
伦琴于 1895 年 12 月 28 日向德国维尔茨堡 物理学医学会递交了一篇轰动世界的论文：《一 种新的射线 -- 初步报告》1901年RÖntgen获 首 届诺贝尔物理学奖。
X 射线的历史
1895 年，著名的德国物理学家伦琴发现了 X 射线；
1912 年，德国物理学家劳厄等人发现了 X 射线在晶体中的衍射现象，确证了 X 射线是一 种 电磁波。
X 射线机
电压、电流 的调节稳定系统
X 射线的物理基础
电压、电流
的调节稳定系 统
X 射线机的主要线路图
X 射线管
用一定的材料制作的板状阳极和阴极密封在一个玻璃－金属管壳 内，给阴极通电加热至炽热，使它放射出热辐射电子。在阳极和 阴极间加直流高压（数千伏至数十千伏），则阴极产生的大量热 电子在高压电场的作用下奔向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产
crystal
X 射线波动性的证明
X 射线衍射示意图
多晶
X 射线波动性的证明：劳厄试验的意义
（1）证明了 X 射线是电磁波
（2）也第一次从实验上 证实了晶体内部 质点的规则而对称的排列。
X 射线的性质
● X 射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑 纸及许多对于可见光不透明的物质；
● X 射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片 感光。在通过一些物质时，使物质原子中的 外层电子发生跃迁发出可见光；
X 射线的性质 — 波的性质
（１）X 射线和其它电磁波一样，能产生 散射、干涉、 衍射、偏振、吸收 等现象。
由于 波长短,能量大,穿透力强，在通常实验条件 下，很难观察到 X 射线的反射。只有在其掠射角极小 ( 不超过20‘－30’ ) 时，X 射线能产生全反射。
伦琴于 1895 年 12 月 28 日向德国维尔茨堡 物理学医学会递交了一篇轰动世界的论文：《一 种新的射线 -- 初步报告》1901年RÖntgen获 首 届诺贝尔物理学奖。
X 射线的历史
1895 年，著名的德国物理学家伦琴发现了 X 射线；
1912 年，德国物理学家劳厄等人发现了 X 射线在晶体中的衍射现象，确证了 X 射线是一 种 电磁波。
X 射线机
电压、电流 的调节稳定系统
X 射线的物理基础
电压、电流
的调节稳定系 统
X 射线机的主要线路图
X 射线管
用一定的材料制作的板状阳极和阴极密封在一个玻璃－金属管壳 内，给阴极通电加热至炽热，使它放射出热辐射电子。在阳极和 阴极间加直流高压（数千伏至数十千伏），则阴极产生的大量热 电子在高压电场的作用下奔向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产
crystal
X 射线波动性的证明
X 射线衍射示意图
多晶
X 射线波动性的证明：劳厄试验的意义
（1）证明了 X 射线是电磁波
（2）也第一次从实验上 证实了晶体内部 质点的规则而对称的排列。
X 射线的性质
● X 射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑 纸及许多对于可见光不透明的物质；
● X 射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片 感光。在通过一些物质时，使物质原子中的 外层电子发生跃迁发出可见光；
材料研究方法x射线物理基础
1.3 x射线谱
• 施加不同的电压， 得到波长和强度的 关系曲线，称为 x-ray谱。
I
连 续 相X 对射 强线 度
特征X射线
λmin
λ
连续x射线谱 I λ
特点：
一． 强度随波长连续变化。 二． 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。
连续x-ray 谱的构成
激发限与吸收限λK
讨论光电效应产生的条件时，λK 称K系激发限；讨论x-ray被物质 吸收时，λK称吸收限。
荧光x-ray增加衍射花样的背影； x-ray荧光光谱分析中，利用它进 行分析。掌握荧光x-ray产生机理 和条件，可合理利用。
ehVKc1V.2K4K(nm )
俄歇效应
1个空位被2个空位所代替的无辐射跃迁过程称俄歇效应。 光子与物质中原子相撞，多余能量不以x-ray形式放出，传递给其它外层电子， 使之脱离原子，形成二次电子，即俄歇电子（Auger Electron ） 。
小结：
光电子(XPS) ：被X射线击出壳层的 电子。它带有壳层的特征能量,可用 来进行成分分析。
二次荧光：高能级电子回跳,多 余能量以X射线形式发出，是 二次荧光。带有壳层的特征能 量。
俄歇电子(AES) ：高能级电子回 跳,多余能量将另一电子送出,被 送出的电子是俄歇电子。带有壳 层的特征能量
小结：
宏观效应--X射线强度衰减 微观机制--X射线被散射,吸收 散射：无能量损失或损失相对较小
○ 只有相干散射才能产生衍射 ○ 散射是进行材料晶体结构分析的工具
吸收：能量大幅度转换, 带有壳层的特征能量,是揭示材料成分的因素。
○ 吸收是进行材料成分分析的工具
01-XRD-基础与原理(1-X射线物理基础)
X射线衍射分析
（X-Ray Diffraction ，XRD）
1
概述
1895年，德国物理学家伦琴
1901
发现X射线
1912年，德国物理学家劳厄等人 发现X射线在晶体中的衍射现象 劳厄方程组
1912年，英国物理学家布·拉格父子 布拉格方程 开创X射线分析晶体结构的历史
1914 1915
2
1916年：德拜、谢乐 多晶体试样的“粉末照相法”
15
1、连续X射线谱
包含从某个短波极限开始 的各种波长的X射线谱。
(1)产生原理 ➢ 轫致辐射：高速电子骤然减
速产生辐射 ➢ 到达阳极的电子数目很多，
并且由于绝大多数电子都要经历多次碰撞产能到达阳极。因此撞 向阳极的时间、条件各不相同。 ➢ 电子动能转化为x-ray的能量也有多有少，从而导致产生的xray频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
产生强度特别高的X-ray
电动力学：带电粒子作加速运 动时会辐射光波
上海同步辐射光源
13
上海同步辐射光源演示场景
以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动，改变运动方向时所产生的电磁辐射
14
三、X射线谱
X射线强度与波长的关系曲线， 称之X射线谱,图（a）
从X-ray管中发出的X射线可以 分为：连续X射线谱,图（b） 特征X射线谱,图（c）
晶粒尺寸的计算
晶胞参数的确定……
4
X 射线衍射分析（XRD）
需 分析未知物的物相组成所使用的检测方法？
解 决
XRD物相分析原理？仪器主要结构？样品要求？
的 XRD实验结果如何分析？
问 题 XRD除物相分析外，还能获得材料的哪些信息？
5
（X-Ray Diffraction ，XRD）
1
概述
1895年，德国物理学家伦琴
1901
发现X射线
1912年，德国物理学家劳厄等人 发现X射线在晶体中的衍射现象 劳厄方程组
1912年，英国物理学家布·拉格父子 布拉格方程 开创X射线分析晶体结构的历史
1914 1915
2
1916年：德拜、谢乐 多晶体试样的“粉末照相法”
15
1、连续X射线谱
包含从某个短波极限开始 的各种波长的X射线谱。
(1)产生原理 ➢ 轫致辐射：高速电子骤然减
速产生辐射 ➢ 到达阳极的电子数目很多，
并且由于绝大多数电子都要经历多次碰撞产能到达阳极。因此撞 向阳极的时间、条件各不相同。 ➢ 电子动能转化为x-ray的能量也有多有少，从而导致产生的xray频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
产生强度特别高的X-ray
电动力学：带电粒子作加速运 动时会辐射光波
上海同步辐射光源
13
上海同步辐射光源演示场景
以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动，改变运动方向时所产生的电磁辐射
14
三、X射线谱
X射线强度与波长的关系曲线， 称之X射线谱,图（a）
从X-ray管中发出的X射线可以 分为：连续X射线谱,图（b） 特征X射线谱,图（c）
晶粒尺寸的计算
晶胞参数的确定……
4
X 射线衍射分析（XRD）
需 分析未知物的物相组成所使用的检测方法？
解 决
XRD物相分析原理？仪器主要结构？样品要求？
的 XRD实验结果如何分析？
问 题 XRD除物相分析外，还能获得材料的哪些信息？
5
材料研究方法1
连续谱的产生机理
其中少数电子在一次碰撞中就将能量全 部转化为光子，因此它产生的光子能量最 大，波长最小。其短波限λ0取决于能量最 大电子，这与管压有关。大多数的电子经 过次碰撞，能量逐步地释放，产生的光 子能量也相应减小，波长大于λ0 。由于X 射线的强度取决于光子的数目。所以连续X 射线谱的最大值不在λ0的位置。
X射线与物质相互作用时(过程复 杂)。但就其能量转换而言，一束X射 线通过物质时，它的能量可分为三部 分：散射、吸收、透过(透过物质后的 射线束强度被衰减)。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用
6.1 散射
相干散射――X射线衍射的理论基础。 不相干散射(Compton－Wu效应)
我国著名的物 理学家吴有训 与美国物理学 家康普顿一起 在1924年发现 的此效应。故 亦称康普顿－ 吴有训效应。
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
电子衍射
1954 化学 鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
特征谱的产生机理
原子内部电子的分布： 原子内部的电子分布在不
同的壳层上K、L… 每个壳层上的电子具有不
同的能量εk、εL… 光谱学定义，电子跃迁到K
层产生的幅射称为K系幅射，依 次还有L系、M系幅射等。 并按电子跃迁时所跨跃的能级 数目不同，进行进一步的标识。 跨跃1个能级的标记为α，2个能 级的标记为β等。
第1章 X射线物理学基础
1. X射线的发现 X射线 2. X射线的本质 3. X射线的产生
《材料科学研究与测试方法》第二章 X射线的物理基础
m 为质量吸收系数，反映了单位质量的物质量对X射线的衰减程度。
m K43Z3
m K
L1 L2 L3
O
K
L1
L3
L2
<
吸收谱：
k < k < k
2．4．3吸收限的作用
吸收限的作用主要有两个：选靶材和滤片。
1．选靶材
目的：保证靶材产生的特征X射线不被样品大量吸 收，从而产生衍射花样。故依样品而定。
0.165919
0.150014
0.154184
0.139222
0.071073
0.063228
K吸收 限
K/nm
0.20702
0.17434 6
0.16081 5
0.14880 7
0.13805 7
0.06197 8
Uk /kV 5.43,5.98 6.4,7.10
6.93,7.71 7.47,8.29
注意：发生二次特征时，吸 收很强，难以再衍射。衍 射的作用内层电子，并未 打飞，而仅是原位振动， 产生与入射X射线一样的 波长，从而发生相干，形 成衍射。
c
h K h W K K
K
hc eU K
1240 UK
K、K 、Uk分别称为K系 的激发频率、激发限波长
和激发电压。
注意点：
1）激发限波长K与前面讨论的连续特征谱的波长限0形式相似。K是能产生二次特 征X射线所需的入射X射线的临界波长，是与物质一一对应的常数。而0是连续X射线谱 的最小波长，是随管压的增加而减小的变量。二次特征X射线是由一次特征X射线作用物 质（试样）后产生的，而连续X射线是由电子束作用物质（靶材）后产生的。
8.04,8.86 17.44,20.0
材料分析测试技术 第1章 X射线物理学基础-1
特征X射线
V ³ VK
才能出现特征X射线谱（即图中 尖峰）。VK称为激发电压。
改变管流、管压只改变强度， 对峰位无影响。 即特征波长λ只与靶原子序数Z 有关，而与电压等无关，故称 特征X射线。
实验规律
26
激发电压：取决于阳极靶的原子序数Z。 同时，阳极靶（Z）不同，所产生的特征X射线的波长也不同。 特征X射线强度变化公式：
Ph
ν－X射线频率； h－普朗克常数（6.626×10-34 J· ） s c－ X射线传播速度（2.998×108m/s）
X射线在与物质（原子或电子）相互作用时，光子能量能被原 子或电子吸收或被散射。
X射线的强度
19
用波动性观点描述：强度为单位时间内通过垂直于传播方向 的单位截面上的能量大小，强度与波振幅 A2 成正比。
E E L E K
3. 这多余能量以一个X射线光量子 的形式辐射出来：
EKL h hc /
4. 对 Z 物质，各原子能级的能量是 固有的，ΔEKL为固有值，λ也是 固有的。
内层电子跃迁辐射X射线示意图
28
L→ K Kα谱线 (跨越 1个能级 ) M→ K Kβ谱线 (跨越 2个能级 ) N→ K Kγ谱线 (跨越 3个能级 )
三. X射线与物质的相互作用
31
X射线与物质相互作用：一束X射线通过物体后，其强度将被 衰减，这是被散射和吸收的结果，吸收是衰减的主要原因。
X射线的散射
X射线的散射：X射线照射物质上，偏离原来方向的现象。主 要是核外电子与X射线的相互作用，会产生两种散射效应。 1、相干散射（coherent scattering） 入射X射线与原子的内层电子作用，且其能量不足以使电子逃 逸时，只能使电子则绕其平衡位置发生受迫振动，成为发射 源向四周辐射与入射X射线波长相同电磁波（散射波）。此时 各电子散射波振动频率相同、位相差恒定，符合干涉条件， 所以发生的散射称为相干散射。 英国物理学家J.J.汤姆逊研究了此现象，推导出相干散射强 度的汤姆逊散射公式，也称汤姆逊散射。当入射X射线为非 偏振时，在空间一点P的相干散射强度：
第一章1.1 X射线物理基础
⑶且波长取决于阳极靶元素的原子序数
• 不同阳极材料，有不同的标识谱波长，即对某一特定材料，具有波长恒定 的标识谱。遵循莫塞来定律（X-ray成分分析基础）
• 莫塞莱定律 • 莫塞莱发现同系特征X射线的波长,随阳极靶的原子序数 的增加而变短,在射线频率V的平方根和原子序数Z之间 存在线性关系,即:
1
Compton-Wu散射 ---X射线粒子性的证明 λ′ 入射X射线光子
与原子中受核束 缚较弱的电子发 生碰撞。
2）非相干散射
λ
散布于各个方向 的散射波波长互 不相同，与入射 波的相位不存在 确定关系，不能 互相干涉。 形成连续背底， 不利于衍射分析
• 非相干散射
• 当X射线冲击束缚力不大的电子或自由电子时，可以产生另一种散
+W衰减
1、X射线的散射
散射：x-ray光子与物质中的电子相遇时改 变了原来传播方向，造成了在原来传播方向 上强度减弱的现象称为散射 可分为：相干散射 非相干散射
1）.相干散射
产生：
• X射线是一种电磁波,当它通过物质时,在入射束电
场的作用下,物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置
发生震动,并在运动期间被连续地加速和减速.同时向其 四周辐射出与入射线同频率的电磁波,即入射波将自身 的能量传给了电子,而电子又将该能量转化为与入射波 长相同的散射X射线.
2、X射线的吸收
物质对x-ray的吸收，指的是x-ray能量在通过物质时转变为 其它形式的能量，对x-ray而言，也就是发生了能量损耗。
物质对x-ray的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。
发生x-ray的光电效应和俄歇效应，使x-ray的部分能量转变 成为光电子、荧光x-ray及俄歇电子的能量，故x-ray的强度 被衰减。
X射线物理学基础PPT课件
m K 43Z 3
μm
01—X射线物理学基础
μm
LІ LⅢ
LⅡ K
λ 理想μm随入射波长的变化
（Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化
（Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收 系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
敦德励学 知行相长
μm
LІ LⅢ
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
敦 知材料研德究方法 第一行章 X射励线的物理特性 相学 长
敦德励行 知行相长
01—X射线物理学基础
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C） 在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺 贝尔物理学奖授予伦琴， 以表彰他发现了对物理 学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和 电子被称为世纪之交的三大发现。
1917 年 ， 英 国 巴 克 拉，发现了标识X射 线。
1921年，爱因斯坦， 光电效应。
1924年，瑞典卡尔·西 格班，X射线光谱学。
1937 年 ， 美 国 戴 维 森 和 英 国 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进 行衍射。
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
劳埃在1912年进行的晶体衍射实验 结果证明：X射线是一种波长很短的电磁 波，也揭示了物质内部原子规则排列的 特性。
卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、 沉睡了一百年的手稿。
大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最 后的实验时，已年近七十。
敦德励学 知行相长
A eC
U
X射线
i
kV 220V
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
第一章 X射线物理基础
相干散射
当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子） 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， 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， 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， 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， 光子的前进方向发生改变， 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， 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， 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。 成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的 根源。 根源。
X射线光管
获得高强度X射线的方法 获得高强度 射线的方法——同步辐射 射线的方法 同步辐射 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧 形轨道运动时放出的电磁辐射， 形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同 观察到的，便被称为“同步辐射” 步加速器上 观察到的，便被称为“同步辐射”。同 步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱 光范围内的连续光谱、 步辐射是具有从远红外到 光范围内的连续光谱、 高强度、高度准直、高度极化、 高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等 优异性能的脉冲光源， 优异性能的脉冲光源， 它的强度是X射线管发出的 射线强度的100000倍， 射线管发出的X射线强度的 它的强度是 射线管发出的 射线强度的 倍 有些工作要用X射线管进行几十小时甚至几星期 射线管进行几十小时甚至几星期， 有些工作要用 射线管进行几十小时甚至几星期， 用同步辐射只需几分钟。 用同步辐射只需几分钟。
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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
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)
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射线谱的强度
IK = B i(V-VK)n 式中：B、n—常数，n=1.5~1.7
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。
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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i —管电流 V—工作电压 VK—K系激发电压
(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
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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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
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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。
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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，
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。
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。
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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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。