第1章_X射线物理学基础

1、2022-4-292022-4-29本课程的作用本课程的作用教学基本要求教学基本要求考核方式考核方式课程主要内容课程主要内容2022-4-29本课程在材料研究领域中起着不同寻常的本课程在材料研究领域中起着不同寻常的作用，它们将材料各专业的核心问题作用，它们将材料各专业的核心问题“组组成成结构结构性能性能”有机地联系在一起，从有机地联系在一起，从而实现本专业人才培养的目标而实现本专业人才培养的目标。 2022-4-29掌掌 握握1. 各种测试技术的基本原理：各种测试技术的基本原理： X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；2. 技术的应用：技术

2、的应用：（1）仪器设备的基本构造与性能；）仪器设备的基本构造与性能；（2）对电子显微分析照片、）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分射线衍射图谱和热分析曲线等有分析处理能力；析处理能力；（3）具有进行物相初步鉴定的能力具有进行物相初步鉴定的能力（4）各种研究方法与测试技术优缺点。）各种研究方法与测试技术优缺点。2022-4-292022-4-29第一篇第一篇 X射线衍射分析射线衍射分析第二篇第二篇 电子显微分析电子显微分析第三篇第三篇 热分析热分析2022-4-29 1-1 X射线的产生及性质射线的产生及性质 1-2 X射线谱射线谱1-3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互

3、作用2022-4-29 1895年德国物理学家伦琴（年德国物理学家伦琴（1901年年获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时发现了发现了X射线，后人为了纪念发现者也称射线，后人为了纪念发现者也称它为它为“伦琴射线伦琴射线”。 X射线技术目前在射线技术目前在工业和科学技术中的应用十分广泛，在工业和科学技术中的应用十分广泛，在材料工业及材料科学中材料工业及材料科学中X射线物相分析是射线物相分析是一种重要分析方法。一种重要分析方法。2022-4-291912年，德国的年，德国的Laue第一次成功地进行第一次成功地进行X射射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的线通过晶体发

4、生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科埃方程式。从而形成了一门新的学科X射射线衍射晶体学。线衍射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）；年获得诺贝尔奖）；1913年，英国年，英国Bragg导出导出X射线晶体结构分析射线晶体结构分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定了了NaCl的晶体结构。（的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖)2022-4-29 此外，此外， 莫赛莱于莫赛莱于1914年发现标识年发现标识X射线的波长与原子射线的波长与原子序数的关

5、系，奠定了序数的关系，奠定了X射线光谱学的基础。射线光谱学的基础。 巴克拉（巴克拉（1917年，发现元素的特征年，发现元素的特征X射线）射线） 塞格巴恩（塞格巴恩（1924年，年，X射线光谱学）射线光谱学） 德拜（德拜（1936年）、马勒（年）、马勒（1946年）、柯马克年）、柯马克（1979年）等人由于在年）等人由于在X射线及其应用方面研究而射线及其应用方面研究而获得化学、生物获得化学、生物、物理诺贝尔奖。物理诺贝尔奖。 豪普物曼和卡尔勒在豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用年代后建立了应用X射射线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研

6、究大分子生物物质结构方面起了重要推进作别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 2022-4-29 X射线与无线电波、红外线、可见光、紫射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线外线射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或电磁辐射，它的波长为电磁辐射，它的波长为10-1210-8m ，在电磁，在电磁波谱中位于紫外线与波谱中位于紫外线与 射线之间并与它们部分射线之间并与它们部分相重叠。相重叠。一般波长短的一般波长短的X射线穿透能力强，称射线穿透能力强，称为硬为硬X射线，反之则称为软射线，反之则称为软X

7、射线。射线。用于晶体用于晶体衍射分析常用的衍射分析常用的X射线波长约在射线波长约在2.5到到0.5 之间。之间。2022-4-2910-6 10-3 1 103 106 109 1012X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio wavesWavelength(nm)可见光可见光微波微波无线电波无线电波2022-4-29 高能辐射区 射线 能量最高，来自于核能级跃迁 射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电

8、波 来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱的本质：电磁波谱的本质：电磁辐射按波长顺序排列电磁辐射按波长顺序排列 2022-4-29电电磁原理：磁原理： 当带电当带电粒子在加速或粒子在加速或减减速速过过程中程中，会释会释放出放出电电磁波，在巨大加速或磁波，在巨大加速或减减速速过过程中程中，所所释释放放的电的电磁波具有高能量磁波具有高能量，当当其波其波长长在在10-1210-8m则则成成X光。光。2022-4-29 用用高速加速高速加速的电的电子束撞子束撞击击阳极靶时阳极靶时，高速，高速电子电子受到靶受到靶原子原子的阻的阻挡挡，急急速速停下停下来来，其部分其部分动动能能则则以以X光的光的形式释形式释放放

9、出來出來。高速高速电电子撞子撞击时减击时减少的能量少的能量E 、所所转转化出化出来的来的X光波光波长长，根根据爱据爱因斯坦公式因斯坦公式Ehhc/可表示可表示为为：2022-4-29 量子原理：量子原理：高速高速电电子在撞子在撞击击到原子到原子时时，很容，很容易易将将能量能量传送传送給原子中的給原子中的电电子子，而使原子而使原子离离子子化化。当。当原子內原子內层轨道的电层轨道的电子被激子被激发后发后，其其空空位位很快很快会会被外被外层电层电子的子的跃跃入入填满填满，在此在此电电子子跃迁跃迁的的过过程中程中，由由于于不同不同轨道间轨道间的能量的能量差差，X光光会会随着随着放出。放出。 此此过过程

10、所程所产产生的生的X光光与与原子中原子中电子电子轨道的轨道的能量有能量有关关。2022-4-29X-射线：波长射线：波长0.001-10nm的电磁波的电磁波高速电子撞击使阳极元素的内层电子激高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发，产生发，产生X射线辐射。射线辐射。2022-4-29X光管工作情形2022-4-29封闭式X射线管2022-4-29高功率旋转阳极电子束电子束X射线射线2022-4-29加速器中可以引出加速器中可以引出X X射线射线2022-4-29X射线产生必须具备的三个基本条件：射线产生必须具备的三个基本条件： () 产生自由电子产生自由电子; () 使电子作定向高速运动使电子作定

11、向高速运动; () 有障碍物使其突然减速有障碍物使其突然减速;2022-4-294. X射线的性质射线的性质 是电磁波，具有波粒二象性。是电磁波，具有波粒二象性。 =h=h(c/) ， P=h/； 能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长和频率。和频率。 具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收使其强度减弱，能杀伤生物细胞。使其强度减弱，能杀伤生物细胞。 沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使其发生偏转。其发生

12、偏转。2022-4-29一、一、X射线的产生射线的产生: 三个基本条件三个基本条件;经典理论和量子理论经典理论和量子理论解释；解释；二、二、X射线的性质射线的性质: : 10-12-10-8m、 波动性、波动性、 穿透能穿透能力、力、 沿直线传播沿直线传播;三、三、X射线的应用射线的应用: 晶体结构测定，软、硬晶体结构测定，软、硬X射线。射线。2022-4-29如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为相干的相干的(coherent). 不相干的光波不相干的光波(noncoherent)相互相互干扰，导致强度的减弱干扰，导致强度的减弱. 在同一方向

13、的射线称为在同一方向的射线称为准直的准直的（平行的）（平行的）collimated beam. 电灯泡的光线是发散的电灯泡的光线是发散的, 射向地球的太阳光基射向地球的太阳光基本是本是 collimated 。如果所有光波的频率相同（即波长一致），就之为如果所有光波的频率相同（即波长一致），就之为单色的单色的，反之为多色的。灯泡是，反之为多色的。灯泡是多色的多色的，激光是单，激光是单色的。色的。关于电磁波的三个术语关于电磁波的三个术语2022-4-291-2 X射线谱射线谱1、连续、连续X射线谱射线谱2、X射线特征光谱射线特征光谱2022-4-29（1）定义：）定义：是具有连续变化波长的是具有

14、连续变化波长的X射射线，也称线，也称白色白色X射线射线。2022-4-29（2）产生机理：）产生机理：主要有两种解释。主要有两种解释。u 经典物理学理论认为是高速运动热电子的动能变经典物理学理论认为是高速运动热电子的动能变成电磁波辐射能。数量极大的电子流射到阳极靶成电磁波辐射能。数量极大的电子流射到阳极靶上时，上时，由于到达靶面上的时间和被减速的情况各由于到达靶面上的时间和被减速的情况各不相同不相同，因此产生的电磁波具有连续的各种波长。，因此产生的电磁波具有连续的各种波长。u 近代量子理论认为是近代量子理论认为是多次碰撞多次碰撞 、多次辐射、多次辐射的结的结果。由于碰撞次数不同，所以能量不同，

15、表现出果。由于碰撞次数不同，所以能量不同，表现出波长不同。波长不同。2022-4-29X射线强度：射线强度：在单位时间内通过垂直于在单位时间内通过垂直于X射线射线传播方向的单位面积上的光子数目的能量总传播方向的单位面积上的光子数目的能量总和。和。dII0)(连连续续 连续连续X X射线的总强度：射线的总强度：强度是由单个光子的能量和数目两个因素决定的，强度是由单个光子的能量和数目两个因素决定的，所以连续所以连续X射线的总强度极大值不在光子能量最大射线的总强度极大值不在光子能量最大的的0处，而在处，而在1.5 0 处。2022-4-29u有：有：实验证明：实验证明：2kiZUI连连续续kZUiU

16、kiZUI2射射线线管管输输入入功功率率连连续续X计算表明，效率往往只有计算表明，效率往往只有1%，很低，能量绝大部分生成热能损失。，很低，能量绝大部分生成热能损失。2022-4-29 在阳极靶所辐射的全部在阳极靶所辐射的全部X光子中，光子能量的最光子中，光子能量的最大值不能大于电子的能量，具有极大能量的光子波大值不能大于电子的能量，具有极大能量的光子波长，即为短波极限长，即为短波极限0 。 当：当：E=1/2m2=eU=hmax=hc/0 有短波极限有短波极限：0=1.24/U m位于位于1.50处。处。2022-4-292022-4-29I 固定，固定，U变化变化(升高升高), 在连在连续

17、续X射线谱上可看出：射线谱上可看出： 各种波长射线的相对强各种波长射线的相对强度都相应地增高；度都相应地增高； 各曲线上都有短波极限，各曲线上都有短波极限，且短波极限值（且短波极限值（。）。）逐渐逐渐变小；变小； 各曲线的最高强度值各曲线的最高强度值(m)的波长逐渐变小。的波长逐渐变小。2022-4-292022-4-29（1）定）定义义（2）产生机理）产生机理（3）作）作用用2022-4-29（1）特征）特征X射线谱定义：射线谱定义： 是具有特定波长的是具有特定波长的X射线，射线， 也称也称单色单色X射线射线。2022-4-29（2）X射线特征谱的产生射线特征谱的产生uX射线特征谱涉及核内层

18、电子能级的改变。射线特征谱涉及核内层电子能级的改变。 当高能粒子（如电子、质子或当高能粒子（如电子、质子或X射线光子）射线光子）撞击原子时，会使原子内层的一个电子被撞出，撞击原子时，会使原子内层的一个电子被撞出，而使该原子处于受激态。被撞出电子的空位将而使该原子处于受激态。被撞出电子的空位将立即被较高能量电子层上的一个电子所填充，立即被较高能量电子层上的一个电子所填充，在此电子层上又形成新的空位，该新的空位又在此电子层上又形成新的空位，该新的空位又能由能量更高的电子层上的电子所填充，如此能由能量更高的电子层上的电子所填充，如此通过一系列的跃迁（通过一系列的跃迁（LK，ML，NM），），直至受激

19、原子回到基态。直至受激原子回到基态。 2022-4-29特征光谱产生：特征光谱产生：碰撞碰撞跃迁跃迁(高高) ) 空穴空穴跃迁跃迁(低低) )2022-4-29特征谱线的特征谱线的频率频率：uR =1.097107 m-1,Rydberg常数；常数；u 核外电子对核电荷的屏蔽常数；核外电子对核电荷的屏蔽常数；un 电子壳层数；电子壳层数；uc 光速；光速；uZ 原子序数，原子序数，不同元素具有自己的特征谱线不同元素具有自己的特征谱线定性基础定性基础1212222211()nnnnEEcR Zhnn2022-4-292022-4-29 跃迁定则：跃迁定则：(1)主量子数主量子数 n0 (2)角量

20、子数角量子数 L=1(3)内量子数内量子数 J=1, 0 ,J为为L与磁量子数矢量和与磁量子数矢量和S n=1, 2, 3，可分为可分为 线系线系, 线系线系, g g 线系；线系；u LK层层K ： K 1 、K 2 ; MK层层K ： K 1 、 K 2 ；NK层层Kg g ： Kg g 1 、 Kg g 2 u M L 层层L ： L 1 、 L 2; NL层层L ： L 1 、 L 2 NM层层M ； M 1 、M 2 2022-4-29（3）特征）特征X射线的强度：射线的强度：(a). 经验公式经验公式: 如如K系谱线强度系谱线强度(b). 特征特征X射线与连续射线与连续X射线的射线

21、的强度比：强度比： U=35Uk 有最大比值。有最大比值。系谱线的临界激发电压系谱线的临界激发电压为为为常数；为常数；KUknAUUAiInKK,)(c). 2125KKKKIIII2022-4-29（4）特征光谱应用）特征光谱应用不同元素具有自己的特征谱线不同元素具有自己的特征谱线 定性定性依据依据例如：例如：LK层；层；K 线系；线系；n1 =2，n2 =1；1212222211()nnnnEEcR Zhnn23( )()4KcR Z243 ()KKcR Z2022-4-29莫塞莱定律：莫塞莱定律：式中：式中： 是波长；是波长；K 、：常数；：常数； Z：原子序数：原子序数这个公式表明：这

22、个公式表明：只要是同种原子，不论它只要是同种原子，不论它所处的物理状态和化学状态如何，它发出所处的物理状态和化学状态如何，它发出的特征的特征X X射线均具有相同波长。射线均具有相同波长。谱线强度谱线强度定量定量；)(/1ZK2022-4-29特征特征X射线小结射线小结1） 具有特定波长的具有特定波长的X射线，也称单色射线，也称单色X射线；射线；2） 机理：入射电子能量等于或大于物质机理：入射电子能量等于或大于物质原子中内层电子的结合能，将内层电子激原子中内层电子的结合能，将内层电子激发掉，外层电子会跃迁到内层空位，因外发掉，外层电子会跃迁到内层空位，因外层电子能量高，多余的能量就会以层电子能量

23、高，多余的能量就会以X射线射线的形式辐射出来，两个能级之间的能量差的形式辐射出来，两个能级之间的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波是固定的，所以此能量也是固定，即其波长也是固定。长也是固定。2022-4-293）特征谱结构）特征谱结构 K系特征谱系特征谱 ： K、K、K, K(K1、K2) 4）与与Z的关系的关系荧光荧光X射线光谱分析（射线光谱分析（XRF、XFS）5) 特征特征X X射线的强度射线的强度)(/1ZK2022-4-29相干的相干的散射散射X射线射线电子电子非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子荧光荧光x射线射线康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应光

24、电效应光电效应透射透射X射线射线I=I0e-ut热能热能t入射入射X射线射线I02022-4-292022-4-29 X射线的强度衰减：射线的强度衰减： 吸收吸收+散射散射；u X射线的射线的 ，物质的，物质的 Z ，越易吸收，越易吸收（吸收吸收散射散射），吸收吸收为主；为主； u ，物质的，物质的 Z，穿透力越强；，穿透力越强； 对轻元对轻元素素N、C、O （Z小）而言，小）而言，散射散射为主。为主。2022-4-29(1)(1)相干散射相干散射( (经典经典散射，散射，弹性散射弹性散射，汤姆逊散射汤姆逊散射) )新的新的X射线与原射线与原X射线的周期、频率相同，射线的周期、频率相同，方向可

25、能不同。实验可观察到该现象，这方向可能不同。实验可观察到该现象，这是是X射线在晶体中产生衍射的基础，也即射线在晶体中产生衍射的基础，也即测量晶体结构的物理基础。测量晶体结构的物理基础。X射线射线碰撞碰撞新振动波源群新振动波源群相干散射相干散射内层内层电子电子2022-4-29 上述考虑没有考虑上述考虑没有考虑X X射线的强度问题，射线的强度问题，但实际上，被电子散射的但实际上，被电子散射的X X射线强度在不同射线强度在不同方向上是完全不同的。方向上是完全不同的。2022-4-29（2）非相干散射）非相干散射Comptom 散射、非弹性散射；散射、非弹性散射；Comptom-吴吴有训效应；有训效

26、应； X射线非弹性碰撞波/，方向改变反冲电子 波长变长、波长变长、周相不同，周相不同， 不相干不相干外层外层电子电子2022-4-29u = - = K (1-cos2 ) K 与散射体和入射线波长有关的常数；与散射体和入射线波长有关的常数； 作用物质作用物质Z，非相干散射，非相干散射，衍射图上衍射图上出现连续背景。出现连续背景。2022-4-29 (a) 光电效应光电效应当入射当入射X射线能量做够大，射线能量做够大，将将内层电子内层电子击出，产生光电子，被打掉内层击出，产生光电子，被打掉内层电子的原子发生外层电子想内层跃迁，辐射电子的原子发生外层电子想内层跃迁，辐射出一定波长的特征出一定波长

27、的特征X射线的过程。是以射线的过程。是以X射线射线产生产生X射线射线(荧光辐射、二次荧光辐射、二次特征特征辐射辐射) 的过程，的过程，区 别 于 电 子 入 射 产 生 的 特 征区 别 于 电 子 入 射 产 生 的 特 征 X 射 线 。射 线 。 2022-4-29发射出的光电子发射出的光电子hv hv 发射出的荧光发射出的荧光x x射线射线u 重元素易产生荧光重元素易产生荧光X X射线。射线。2022-4-29 如：激发如：激发k层上的电子，产生层上的电子，产生k线系的荧光辐射，线系的荧光辐射，入射入射x射线的能量必须大于等于射线的能量必须大于等于Ek , 理想状态下理想状态下可以等于

28、靶材的临界激发电压可以等于靶材的临界激发电压U: Ek=hk =hc/=eU U=1.24/ 激发电压：激发电压：2022-4-29 光 电 子 能 谱 分 析 （光 电 子 能 谱 分 析 （ E S C A ） X射线光电子能谱分析（射线光电子能谱分析（XPS）,紫外光电紫外光电子能谱分析（子能谱分析（UPS）2022-4-29(b) 俄歇效应俄歇效应以以X射线产生射线产生X射线，但该射线，但该射线不辐射出而是再激发其它电子的过程。射线不辐射出而是再激发其它电子的过程。发射出的光电子发射出的光电子能量被邻近的能量被邻近的L层电子吸收，层电子吸收，发射出的发射出的俄歇电子俄歇电子KL2L22

29、022-4-29（c）光电效应与俄歇效应关系：u俄歇电子与荧光俄歇电子与荧光X射线在同一过程中产生，几射线在同一过程中产生，几率之和为一；率之和为一；u 真吸收；真吸收；u轻元素易产生俄歇电子，重元素易产生荧光轻元素易产生俄歇电子，重元素易产生荧光X射线。射线。2022-4-292022-4-295004003002001000OPb Pb150145140135130PbO2Pb3O4PbNCaCNaClOPb Pb2022-4-29 吸收限吸收限(吸收边吸收边)：一个特一个特征征X射线谱系的临界激发波长射线谱系的临界激发波长，即，即m突变点对应的波长。突变点对应的波长。 在元素的在元素的X射线吸收光谱中，射线吸收光谱中，m 发生突变；呈现非连续性发生突变；呈现非连续性；上一个谱系的吸收结束，；上一个谱系的吸收结束，下一个谱系的吸收开始。下一个谱系的吸收开始。能级能级(MK), 吸收限吸收限(波长波长)，激发需要的能量激发需要的能量。2022-4-29由于存在由于存在x射线激发电压射线激发电压k12.4/uk uk称称 K系激发电压，系激发电压，k称为激发称为激发限，限，从从X射线吸收的角度讲又可称射线吸收的角度讲又可称吸收限吸收限。2022-4-29（a） 线吸收系数与质量吸收系数线吸收系数与质量吸收系数 由于散射与真吸收，透射方向