X射线衍射技术1课件

1、X射线衍射技术X射线基础4X 射线应用技术X 射线形貌技术（Radiography）医学诊断、治疗、工业探伤X 射线光谱技术（Spectrum）元素分析X 射线衍射技术（X ray Diffraction-XRD）相分析、结构分析等 立方结构 六方结构 32面体结构 单或多层碳管结构材料的相结构分析X射线衍射技术 以C的同素异形体体为例85年发现 91年发现结构决定性能 7X射线的发现History retrospection1895年，德国物理学家Rntgen（伦琴）(Born in 1845 in Gernmany)在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）X射线的发现和广

2、泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一围绕X射线发现、发展和应用而进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多1901年 伦琴(英) 获诺贝尔物理奖1914年 劳埃(德) 获诺贝尔物理奖1915年 布拉格父子(英)获诺贝尔物理奖1936年 德拜(英/荷) 获诺贝尔化学奖1962年 奥森等3人 获诺贝尔生物奖1964年 霍奇金(英/埃) 获诺贝尔化学奖1985年 豪普特曼等2人 获诺贝尔化学奖 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射线肉眼不可见，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

3、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。112. Production of X RaysX射线源X 射线源X射线管发出的X射线X ray tube-Thermal cathode synchronization acceleration同步辐射源（最多）122.1 X射线管(X ray tube)加速电压14153. X射线谱加速电压min相对强度I连续X射线特征X射线施加不同的电压，得到波长和强度的关系曲线，称为X射线谱。3.1 X射线谱特征X射线谱由连续谱和特征谱组成.连续谱：具有从某个最短波长min开始的连续波长谱。特征谱：特征波长值是固定的，仅与阳极靶材有关。m

4、in相对强度I连续X射线特征X射线3.2 连续X射线谱各管电压下W的连续谱加速电压(1)连续X-ray谱为什么是“连续的”？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。(2) 连续X射线谱的特点 强度随波长连续变化。 每条曲线都有一个强度最大值和波长极限短波限0。 产生原因：高速运动的电子被靶面骤然阻止，并且其能量全部转化为X-ray能量。连续X射线谱(3) 短波限0的形成因为，根据量子理论解释，电

5、子的能量为：而由电子被阻挡而激发产生的X-ray，其最大的能量也就是电子的动能。所以在电子被阻挡后一次性发射出来的X-ray的波长最短，此即短波限0 。当增加X射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高；当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高；当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加3.3 特征X射线谱Mo靶X光管发出的X射线光谱（35kV时）(2) 标识X射线谱的产生机理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

6、能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识X-ray谱。28高能电子撞击出靶材料原子的内层一个电子，被逐出电子的空位很快被外层的一个电子填占。而这个电子空位又被更外层来的电子占有，如此一系列步骤使该电离原子恢复正常状态。每一步的电子跃迁产生特征X射线。 根本原因：原子内层电子的跃迁29(3) 标识X射线的 标识线分别为相邻电子层、隔层电子层、隔两层跃迁产生的特征线 K系x射线：其它电子层跃迁到K层产生 等 问题：K线系和L线系相比，谁的波长短？波长最短的称为K线系，次短的为L线系，再次短的为M线系，依次类推K线和K线相比，谁的波长短？谁的强度高？K线比K波长短而强度低(4) 标识X射线谱的波长标识X-

7、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）：式中：K常数（与靶材物质总量子数有关）常数（与电子所在壳层位置有关）z靶材料的原子序数常用阳极靶材料的特征谱参数 阳极靶元素 原子序数Z K系特征谱波长（埃） U(KV)(3-5)UK K1K2K KCr 24 2.28970 2.29306 2.29100 2.08487 20_25 Fe 26 1.936042 1.939980 1.937355 1.75661 25_30 Co 27 1.788965 1.792850 1.790262 1.62079 30 Ni 28 1.657910 1.661747 1.6

8、59189 1.500135 30_35 Cu 29 1.540542 1.544390 1.541838 1.392218 35_40 Mo 42 0.709300 0.713590 0.710730 0.632288 50_55 3.4 X-ray谱知识小结比较内容连续谱特征谱谱线特征谱线形态I沿连续分布 有0、m、I不连续分布有K、K电压变化V ：I 0、m 不变电流变化i ：I 0、m不变不变靶材料原子序数变化Z：同上变机理减速辐射激发辐射4. X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。 一束X射线通过物体后，其强度被衰减，是其散射和吸收的结果，吸收是造成

9、强度衰减的主要原因。X射线与物质的相互作用H热能入射X射线强度为I0透过X射线强度为I=I0e-uH荧光X射线电子X射线散射X射线散射由特征X射线激发的次级特征X射线称为荧光X射线3637X射线与物质的相互作用X射线的散射 ；X射线的吸收 ；X射线的衰减规律； 吸收限的应用； 384.1 X射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射；非相干散射。39(1) 相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。X射线衍射 技术的基础40(2) 非相干散射 X射线光子与束缚力不大的外层电子

10、 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。能量与波长反比非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。414.2 X射线的吸收 物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。（自学）42(1) X射线的吸收及其应用当一束X射线通

11、过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。43边界条件： X=0, I = I0线吸收系数 1 单位厚度的物体对X射线的吸收。与吸收体密度成正比。 质量吸收系数 m 1/密度44质量衰减系数m 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： K为常数x射线的波长愈长，或吸收体的原子序数愈大，x射线越容易被吸收(减函数IH越小）；亦即x射线的波长越短，或者穿过原子序数越小的物质时，其穿透力越大45计算举例：试问Cu靶Ka线经过10-3厘米厚的铜薄片和铅薄片，强度各减弱多少？已知对于x=10-3厘米的铜薄

12、片：对于x=10-3厘米的铅薄片：强度减弱 1-0.623=37.7%强度减弱 1-0.065=93.5%47Compound and solid solution元素吸收系数与其质量分数乘积之和物相定量分析的基础SiO2对Cu Ka线质量吸收系数计算举例：原子量：Si 28.09， O 16.0；质量吸收系数：Si 60.6， O 11.5（查表）已知则 SiO2质量吸收系数=(28.09*60.6 + 16*11.5)/(28.09 + 16.0) = 34.45 cm2/g48 (2)吸收限 m随的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为K吸收限。吸收限主要是由光电效应引起的

13、：当X射线的波长等于或小于时光子的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。49滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的K和K之间，且尽量靠近K 。强烈吸收K ，K吸收很小；(2)滤波片的以将K强度降低一半最佳。 Z靶40时 Z滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。 Z靶Z试样+1。50514.3 X射线与物质相互作用总结热能透射X射线衰减后的强度I0散射X射线电子荧光X射线相干的非相干 的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应 光电效应525 X射线的探测与防护 （1) X射线的探测；（2）X射线的安全防护。 535.1 X射线的探测荧光屏法； 照相法； 辐射探测器法：X射线光子对气体和某些固态物质的电离作用可以用来检查X射线的存在与否和测量它和强度。按照这种原理制成的探测X射线的仪器电离室和各种计数器。545.2 X射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼