X射线衍射分析原理实用教案

1、 物质的性质、材料的性能决定于它们的组成(z chn)和微观结构。 如果你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！ X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异极大. X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。第1页/共37页第一页，共38页。22.1 X射线物理学基础(jch)2.1.1 X射线的产生X射线的发现(fxin) X射线的发现(fxin)及其本质的确定在物理学上具有划时代的意义。代表着经典物理学与近代物理学的转折点。1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电现象时，偶然(u rn)发现凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出

2、荧光。第2页/共37页第二页，共38页。3性质性质(xngzh) （Properties）：）：具有具有(jyu)很强的穿透能力，能使照片感光，空气电离。很强的穿透能力，能使照片感光，空气电离。阴级阴级阳级阳级+-第3页/共37页第三页，共38页。4 伦琴夫人(f rn)的手 X照片 戒指第4页/共37页第四页，共38页。5NaCl晶体的三维空间点阵1912年英国(yn u)物理学家布拉格父子X射线的应用射线的应用(yngyng)第5页/共37页第五页，共38页。6劳厄斑劳厄斑Laue spotsX射线射线X-ray晶体晶体(jngt)crystal劳厄斑劳厄斑Laue spots晶体的三维光

3、栅晶体的三维光栅Three-dimensional “diffraction grating” 2 X射线的本质射线的本质 1914年获诺贝尔物理学奖第6页/共37页第六页，共38页。7 由此，X射线被证实是一种频率很高（波长很短）的电磁波。 X射线的本质是电磁辐射(din c f sh)，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。 (1)波动性; (2)粒子性。第7页/共37页第七页，共38页。8波动性波动性 X射线的波长(bchng)范围： 0.01100 表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。第8页/共37页第八页，共38页。9粒子(lz

4、)性 具有的一定的质量、能量和动量。 X射线的频率(pnl)、波长以及其光子的能量E、动量p之间存在如下关系： h普朗克常数，等于6.62510-34 Js; cX射线的速度，等于2.9981010 cm/s. hchEhp 第9页/共37页第九页，共38页。10介于(ji y)紫外线和射线之间第10页/共37页第十页，共38页。11X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio waves10-6 10-3 1 103 106 109 1012Wavelength(nm)可见光微波(wib)无线电波(wxin dinb)在电磁波谱中，X射线的波长(bc

5、hng)范围约为 0.001 nm 到 10 nm，相当于可见光波长(bchng)的 10万分之一 到 50 分之一 。第11页/共37页第十一页，共38页。12X射线的产生射线的产生(chnshng)高速运动高速运动(yndng)的电子流的电子流 射线射线X 射线射线中子流中子流高能高能(gonng)辐射流辐射流在突然被减速时在突然被减速时均能产生均能产生X射线射线一、X射线的产生与性质第12页/共37页第十二页，共38页。13 X射线管射线管X射线管示意图射线管示意图第13页/共37页第十三页，共38页。14第14页/共37页第十四页，共38页。15 X射线机射线机图图3 X射线机的主要射

6、线机的主要(zhyo)线路线路图图第15页/共37页第十五页，共38页。16 X射线管的工作(gngzu)原理X射线管射线管电子电子(dinz)枪：产生电子枪：产生电子(dinz)并将电子并将电子(dinz)束聚焦，钨丝绕束聚焦，钨丝绕成螺旋式，通以电流钨丝烧热放成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子出自由电子(dinz)。金属靶：发射金属靶：发射X射线，阳极靶通常射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钴、镍、铁、铝等。制成，如铜、钴、镍、铁、铝等。第16页/共37页第十六页，共38页。17 X射线管的工作(gngzu)原理 整个整个X射线光管处于

7、真空状态。当阴极射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，这些射线，这些X射射线通过用金属铍（厚度约为线通过用金属铍（厚度约为0.2mm）做成）做成的的X射线管窗口射出，即可提供给实验射线管窗口射出，即可提供给实验(shyn)所用。所用。第17页/共37页第十七页，共38页。181. X射线是一种(y zhn)电磁波，具有波粒二象性；2. X射

8、线的波长： 102 102 3. X射线的 （ ）、振动频峰 和传播速度C（ms-1）符合 = c / (1) X射线的性质射线的性质(xngzh)第18页/共37页第十八页，共38页。194. X射线可看成具有一定能量E、动量(dngling)P、质量m的X光流子 E = hv （2） P = h / （3） 由公式（1）和（2）可得到X射线波长与X光子的关系为：X射线的性质射线的性质(xngzh)/4 .12ChE（4）第19页/共37页第十九页，共38页。20X射线的性质射线的性质(xngzh) 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射线沿直线传播，即使

9、存在电场和磁场，也不能使其传播方向发生偏转； 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(ydng)的反应。第20页/共37页第二十页，共38页。21连续谱：强度随波长连续变化的连续谱。连续谱：强度随波长连续变化的连续谱。（见图（见图6）特征谱：波长一定、强度很大的特征谱。特征谱：波长一定、强度很大的特征谱。只有当管电压超过一定值只有当管电压超过一定值Vk（激发电（激发电压）时才会产生，只取决于光管的阳极压）时才会产生，只取决于光管的阳极靶材料，不同的靶材

10、具有其特有的特征靶材料，不同的靶材具有其特有的特征谱线。谱线。特征谱线又称为特征谱线又称为(chn wi)标识谱，即标识谱，即可以来标识物质元素。（见图可以来标识物质元素。（见图7）X射射线线谱谱2.1.2 连续(linx)X射线谱第21页/共37页第二十一页，共38页。22X射线的物理射线的物理(wl)基础基础连续连续(linx)X射射线谱线谱图图6 各管电压各管电压(diny)下下W的的连续谱连续谱第22页/共37页第二十二页，共38页。23连续X射线谱特点1）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个(y )最短的波长（短波限0）和一个(y )强度的最大值。最大值一般在1.5 0地方。2

11、） 0与管流和靶的材料无关，只与管压有关，二者之间的关系： 0 =1.24/U(nm)随着管压的增大，0向短波方向移动。3）强度不仅与管压有关，还与管流和靶材有关。 I连=K1IZUm 强度随管流、管压和靶材的原子序数的增大而增大。当需要连续X射线时，采用重元素的靶能得到较强的连续X射线。第23页/共37页第二十三页，共38页。24X射线的物理射线的物理(wl)基础基础连续连续X射线产生射线产生(chnshng)机理机理 在X射线光管中，由阴极灯丝(dn s)所发射的能量巨大电子经电场加速后以极高的速度撞向阳极靶，加速电子的大部分能量转化为热量而损耗，而部分动能则以电磁辐射即X射线释放。由于阴

12、极所产生的电子数量巨大，这些能量巨大的电子撞向阳极靶上的条件和碰撞时间不可能一致，因而所产生的电磁辐射也各不相同，从而就形成了各种波长的连续X射线。第24页/共37页第二十四页，共38页。25连续谱的经验公式连续谱的经验公式(gngsh)可可表达为：表达为：C为常数为常数(chngsh)，Z为阳极材料的原子序数。为阳极材料的原子序数。)11(102CZI X射线连续谱的强度随着射线连续谱的强度随着X射线管的管电压射线管的管电压(diny)增增加而增大，最大强度所对应的波长加而增大，最大强度所对应的波长max变小，最短变小，最短波长界限波长界限0减小；减小； 连续谱中接近最短波长处的辐射较多。连

13、续谱中接近最短波长处的辐射较多。第25页/共37页第二十五页，共38页。26X射线的物理射线的物理(wl)基础基础特征特征(tzhng)X射射线线Mo靶靶X光管发光管发出出(fch)X光谱光谱强度（强度（35kV时）时）波长一定、强度很大。只有当管电压超过一定值Uk（激发电压）时才会产生，只取决于光管的阳极靶材料，不同的靶材具有其特有的特征谱线。特征谱线又称为标识谱，即可以来标识物质元素。第26页/共37页第二十六页，共38页。27X射线的物理射线的物理(wl)基础基础原子结构壳层理论原子结构壳层理论(lln) 高能电子高能电子(dinz)撞击阳极靶时，会将撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中阳极

14、物质原子中K层电子层电子(dinz)撞出电子撞出电子(dinz)壳层，在壳层，在K壳层中形成空位，原子壳层中形成空位，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，态，按能量最低原理，L、M、N一层中的一层中的电子电子(dinz)会跃入会跃入K层的空位，为保持体层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子(dinz)会将多余的能量以会将多余的能量以X射线光量子的射线光量子的形式释放。形式释放。第27页/共37页第二十七页，共38页。28特征特征(tzhng)X射线产射线产生原理图生原理图第28页/共37

15、页第二十八页，共38页。29X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 K系标识系标识X射线：射线： 对于从对于从L，M，N 壳层中的电子跃壳层中的电子跃入入K壳层空位时所释放的壳层空位时所释放的X射线，分射线，分别称之为别称之为K 、 K 、 K谱线，谱线，共同共同(gngtng)构成构成K系标识系标识X射线。射线。第29页/共37页第二十九页，共38页。30K波长比K长，K与K强度(qingd)比约为5:1。放大看，K 还分为K1和K2两条线。K1 和 K2 强 度(qingd)比约为2:1 由于K1和K2波长相差很小。一般将它们(t men)视为同一条线K。其波长用二者的加权平均。21313

16、2KKK第30页/共37页第三十页，共38页。31特征X射线谱线的波长与管压和管流无关，只与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征X射线谱或标识(biozh)X射线谱。产生特征X射线的最低电压称激发电压。第31页/共37页第三十一页，共38页。32不同(b tn)靶材料具有不同(b tn)波长的特征X射线和激发电压 第32页/共37页第三十二页，共38页。33 Moseley1914年总结(zngji)了特征X射线与靶材原子结构之间的关系： )(gZC)(1ZCC 为常数(chngsh)，与原子的主量子数有关 为屏蔽(pngb)常数，与电子所在的壳层有关 反过来，如果

17、能测到材料中元素发射的特征X射线的波长，就能知道产生这些特征X射线元素是什么。这就是X射线荧光光谱和电子探针分析的理论基础。 第33页/共37页第三十三页，共38页。34说明(shumng)：1) 激发电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定。2) 阳极靶不同产生的特征X射线的波长不同。3）工作电压一般是激发电压的3-5倍。因为当工作电压激发电压的3-5倍时，I特/I连最大。4）实验(shyn)中最常用的特征X射线是K 。最常用的靶材是Cu和Fe。5） ,有时需要注意区分K1和K2。 213132KKK第34页/共37页第三十四页，共38页。35思考题1. X射线的基本性质；2. X射线的产生(chnshng)；3. 特征X射线；4. X射线连续谱是如何产生(chnshng)的，其短波限与某物质的吸收限有何不同？第35页/共37页第三十五页，共38页。36 第36页/共37页第三