材料分析技术

X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？

X射线的本质是一种波长很短的电磁波。伦琴首先发现了X射线，劳厄揭示了X 射线的本质。

X射线的本质是（电磁波），其波长为（0.01~10nm）。它既具有（波动性），又具有（粒子性），X射线衍射分析是利用了它的（波动性）。X射线的核心部件是（X 射线发射器）。

X射线一方面具有波动性，表现为具有一定的（频率和波长），另一方面又具有粒子性，体现为具有一定的（质量能量和动量）。

特征X射线和连续X射线

(1)连续X射线：在X射线管两端加以高压，并维持一定的电流，所得到的的X 射线强度随波长连续变化的X射线称作连续X射线。

(2)特征X射线：高速电子撞击材料后，材料原子内层电子被击出而在内层留下空位，外层电子向空位跃迁时会辐射X射线。不同材料X射线波长不同，此X

射线称为特征X射线。

为什么特征X射线的产生存在一个临界激发电压？X射线管的工作电压与其靶材的临界激发电压有什么关系？为什么？

答：要使内层电子受激发，必须给予施加大于或等于其结合能的能量，才能使其脱离轨道，从而产生特征X射线，而要施加的最低能量，就存在一个临界激发电压。X射线管的工作电压一般是其靶材的临界激发电压的3-5倍，这时特征X射线对连续X射线比例最大，背底较低。

光电效应、俄歇效应

（1）光电效应：当入射光子的能量等于或大于碰撞体原子某壳层电子的结合能时，光子被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，即光电子，高能量层电子填补空位，能量差以波长严格一定的特征X射线形式辐射，该现象称为光电效应。

（2）俄歇效应：当原子中K层电子被打出后，就处于激发状态，其能量为Ek。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成了L电离，其能量由Ek变成El，此时将释放Ek-El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层的两个空位所替代，这种现象称俄歇效应。

特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等于它的K系特征X射线波长？

（1）特征X射线与荧光X射线都是由激发态原子中的高能级电子向低能级跃迁

时，多余能量以X 射线的形式放出而形成的。不同的是，以高能电子轰击，使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是特征X 射线；以X 射线轰击，高能级电子回迁释放的是荧光X 射线。

（2）某物质的K 系特征X 射线与其K 系荧光X 射线具有相同波长。

吸收限

吸收限是指对一定的吸收体，X 射线的波长越短，穿透能力越强，表现为质量吸收系数的下降，但随着波长的降低，质量吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列吸收限。

分别从吸收限波长和原子序数两个方面表达滤波片和靶材的选择规程（表达式）

（1）滤波片的选择规程

①k k αβλλλ>>光源光源滤波片；②当Z 靶 < 40时，Z 靶 = Z 滤片+ 1；当Z 靶 > 40

时，Z 靶 = Z 滤片+ 2。

（2）靶材的选择规程

① k k αλλ>光源样品；②Z 靶 <= Z 样品 + 1。

实验中选择X 射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品元素的原子序数大2的材料作靶材的X 射线管。

选择滤波片的原则是X 射线分析中，在X 射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉K β线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。

分析以铁为主的样品，应该选用Co 或Fe 靶的X 射线管，它们的分别相应选择Fe 和Mn 为滤波片。

相干散射与非相干散射

（1）相干散射：X 射线光子与原子内的紧束缚电子相碰撞时，光子的能量可认为不受损失，而只改变方向。因此这种散射线的波长与入射线相同，并且具有一定的位相关系，可以相互干涉，形成衍射图样。

（2）非相干散射：当X 射线光子与自由电子或束缚很弱的电子碰撞时，光子的部分能量传递给电子，损失了部分能量，因而波长变长了，称为非相干散射。 其中（相干散射）是X 射线衍射分析方法的技术基础。

衍射线在空间的方位取决于什么？而衍射线的强度又取决于什么？

衍射线在空间的方位主要取决于晶体的面网间距，或者晶胞的大小，入射角。 衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对位置。

下面是某立方晶系物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序重新排列：（12），（100），（200），（11），（121），（111），（10），（220），（130），（030），（21），（110）。 222d h k l =++，它们的面间距从大到小按次序是：（100）、（110）、（111）、（200）、

（10）、（121）、（220）、（21）、（030）、（130）、（11）、（12）。

布拉格方程的证明

当波长为λ的X 射线照射到晶体并出现衍射线时，相邻两个（hkl ）反射线的波程差为（n λ），相邻两个（HKL ）反射线的波程差为（λ）。

产生衍射的必要条件（满足布拉格方程），充分条件（衍射强度不等于0）

一方面是用已知波长的特征X 射线去照射未知结构的晶体，通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d ，从而揭示晶体的结构，这就是结构分析——X 射线衍射学。主要用于测定晶体结构或进行物相分析。

另一方面是用一种已知面间距的晶体来反射从试样发射出来的X 射线，通过衍射角的测量求得X 射线的波长，这就是X 射线光谱学。该法除可进行光谱结构的研究外，从X 射线的波长还可确定试样的组成元素。这主要应用于X 射线荧光光谱仪和电子探针中。

试述X 射线衍射的三种基本方法及其用途。

X 射线衍射的三种基本方法为劳埃法、周转晶体法和粉末法。劳埃法主要用于单晶体取向测定及晶体对称性研究，测定未知晶体形状；周转晶体法主要用于测定未知晶体的晶格常数；粉末法主要用于测定晶体结构，进行物相定性、定量分析，精确测定晶体的点阵参数以及材料的应力、织构、晶粒大小的测定等。

试述常见几种晶体的消光规律。

（1）简单立方：h kl F 恒不等于零，无消光现象

（2）面心立方：h 、k 、l 为异性数时，h kl F =0；h 、k 、l 为同性数时，h kl F ≠0

（3）体心立方：h+k+l=奇数时，h kl F =0；h+k+l=偶数时，h kl F ≠0