固体物理实验方法简单题13页

1.说明X射线谱的分类及产生物理机制？

一种是连续X射线谱，与靶材料无关，是高速电子受到靶的抑制作用，速度骤减，小于1%的电子动能转化为X射线光能，电子所减少的能量ε∆就作为一个X射线光量子辐射出来，其频率υ由爱因斯坦方程给出：数量极大的电子射向阳极靶受到减速的条件不可能相同，电子损失的能量也不同，因而出现了不同波长及不同数量的光量子，形成了连续分布的X射线谱。

另一种是特征X射线线标识谱，与加速电压无关，而与靶材料有关。不同靶元素的X射线标识谱具有相似的结构，随着靶原子的原子序数 Z的增加，只是单调变化，而不是周期性变化。标识谱的这一特征表明它是原子内层电子跃迁所产生的。当高速电子轰击靶原子，将原子内层电子电离，内层产生一个电子的空位，外层电子跃迁到内层空位所发出的辐射谱线就是标识谱。

当管电压比较小时，只有连续X射线产生。当管电压上升到超过某一临界激发电压时，在某一特定的波长处，将会有强度极强的特征X射线叠加在连续X射线谱上，此即为特征X射线，又名标识X射线。特征X射线谱的产生机理起源于电子的跃迁。某些高速射向阳极靶的电子能量足够大，可能将靶元素原子的内层电子击出，电子从能量较高的态迁到能量较低的态时发出辐射。

2.什么是俄歇效应，什么是厄瓦尔德球？

俄歇效应是原子发射的一个电子导致另一个或多个电子（俄歇电子）

被发射出来而非辐射X射线（不能用光电效应解释），使原子、分子成为高阶离子的物理现象，是伴随一个电子能量降低的同时，另一个（或多个）电子能量增高的跃迁过程。

当X射线或γ射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上的束缚电子发射出来。当一个处于内层电子被移除后，在内壳层上出现空位，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量。一定的内原子壳空位可以引起一个或多个俄歇电子跃迁。跃迁时释放的能量将以辐射的形式向外发射。通常能量以发射光子的形式释放，但也可以通过发射原子中的一个电子来释放，被发射的电子叫做俄歇电子。被发射时，俄歇电子的动能等于第一次电子跃迁的能量与俄歇电子的离子能之间的能差。这些能级的大小取决于原子类型和原子所处的化学环境。

以波长大小的倒数（1/λ）为半径,作一个球面，从球心向球面与倒易点阵的交点的射线为波的衍射线，这个球面称为反射球，也称厄瓦尔德球。

厄瓦尔德反射球——图解衍射原理

倒易点阵最重要的应用就是用厄瓦尔德反射球图解并阐述了衍射原理，由一级布拉格公式2d sinθ= λ知，sinθ=(1/d)/(2/λ)，即与θ成正弦关系的1/d和2/λ分别成为一个直角三角形θ角的对边和斜边。

图1是著名的Ewald反射球。以样品位置C为中心，1/λ为半径作圆球，入射X射线ACO（直径）的A、O两点均在球赤道圆上，设想晶体内与X射线AC成θ角的晶面（hkl）形成衍射线CG交赤道园于G，则AG⊥OG。

∠OAG=θ，OG=1/d。G点就是符合布拉格方

程的（hkl）晶面的衍射斑点，G点必在这个球面上。此球称为厄瓦尔德反射球。CG是衍射线方向，∠OCG=2θ是衍射角。G点还可以看成是以O点为原点的衍射面（hkl）的法线方向上的一点，该法线长度等于衍射面（hkl）系列的晶面间距d（hkl）的倒数！这样就把厄瓦尔德反射球的元素与实际晶胞的大小联系起来。至于把厄瓦尔德反射球与实际晶胞的形状的联系请继续阅读下面的叙述。请注意这里的点O、点G及OG旋转衍射面等组成的以晶体晶格为正点阵的倒易点阵诸元素是不同于真实晶体的是虚幻的。O 点是这个倒易点阵的原点，OG是倒易矢量Hhkl 【H是黑体字，黑体字表示向量；hkl是下标，下同】。

单晶体的倒易点阵是在三维空间有规律排列的阵点，根据厄瓦尔德图

解可以领悟到单晶体的衍射斑点组成。粉末多晶体由无数个任意取向的晶粒组成，所以其某一确定值晶面（hkl）的倒易点如晶面（110）在三维空间是均匀分布的，所有晶粒这些晶面（hkl）倒易点的集合构成了一个以O 为球心、半径为1/d(hkl)（=Hhkl）的倒易球壳，显然这个倒易球壳来源于那个｛hkl｝晶面族的衍射。不同晶面间距d的晶面系列的衍射对应不同半径的同心倒易球壳，它们与反射球相交,得到一个个圆。以该圆为底面、以反射球心为顶点的旋转圆锥称为衍射圆锥或衍射锥，圆锥的顶角夹角等于4θ。因为，当样品单晶旋转时或样品是多晶体时，满足布拉格方程的倒易点阵点不仅是标出的一个G点，而是以C为顶点、以CO为对称轴、以CG为母线的旋转圆锥面都是样品中一个（hkl）晶面系列的衍射方向，该旋转圆锥面的顶角为4θ，其与反射球交点轨迹就是G点所在的垂直于直径ACO的圆。

图2 是一个旋转晶体在其转轴[001]方向获得的倒易点阵。

这是（hkl）晶面等于某一组特定值时的情况。当（hkl）值换为另一组值，衍射面自然也变为另一组值，布拉格角θ(hkl)随hkl值变换而不同于前一个θ角，衍射角2θ(hkl)也随之改变，衍射斑点的位置也相应改变。晶面指数hkl不是连续变化，衍射园锥面也相应地断续出现。旋转晶体在其转轴[001]方向获得如图2的倒易点阵结构：以转轴为轴的以晶体处即反射球心为顶点的以2θ为半顶角的一系列不连续的圆锥面再与反射球相交成为交线圆。这些圆平面垂直于纸面，故在纸面上的投影被画为直线。从中心向两侧分别标以l【这里的l是大写为L的l】=0、±1、±2、……，用感光胶片在垂直于l轴或C*轴方向接收，会得到一系列同

心圆环（或称为德拜园环）。放感光胶片到平行于l轴方向，接收到的由衍射锥留下的交线的图案就是一系列类双曲线极限球。

在厄瓦尔德图解中，当晶体绕ACO轴旋转时或让入射线沿任意方向入射时，凡处在以2/λ为半径的球O内的倒易点阵点都有可能与反射球相交，即这些倒易点所反映的衍射晶面才有发生衍射的可能，而那些倒易点处于球O之外的对应晶面则不能发生衍射（因为与反射球无交点，不符合布拉格方程）；故半径为2/λ的球O称为极限球。它给出了一定入射波长下可以发生衍射晶面的范围，即Hhkl≤2/λ，显然结论与布拉格方程一致。另外，可看出，选用的X射线源的波长λ越小，极限球越大，能够产生衍射的晶体越多。图3显示了厄瓦尔德反射球、极限球和晶体倒易点阵之间的相互关系，其中空心小圈表示可能发生衍射的倒易点阵区域。各种X 射线衍射的基本方法原理都是根据反射球和倒易点阵的关系设计的。

3.什么是标识X射线和荧光X射线？

特征X射线：指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。特征X射线的波长和原子序数间的关系服从莫塞莱定律。

荧光X射线就是被分析样品在X射线照射下发出的X射线，不同元素的荧光X射线具有各自的特定波长，因此根据荧光X射线的波长可以确定元素的组成，也就是它包含了被分析样品化学组成的信息。

4.什么是俄歇电子、背散射电子？

背散射电子：被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子，又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子。