x射线结构分析1课件

1、凝聚态物理实验方法（一） X射线结构分析崔宏滨物理楼320室，TEL：3607624hbcui/cui/参考书目王华馥，吴自勤固体物理实验方法，第二章 固体X射线学高等教学出版社，1990黄胜涛固体X射线学高等教学出版社B.E.Warren, , Addison-Wesley Pub.Co.Inc.Jens Als-Nielsen, Des McMorrow, , John Wiley&Sons Ltd，2000教学、考核方法教学：3月84月1，4月1日考试。讲课为主，阅读文献为辅。考核：开卷考试。主要内容x射线源及其发射谱x射线与物质的相互作用晶体的x射线衍射（重点）x射线吸收精细结构第一章

2、 X射线源及其发射谱 X射线管同步辐射x射线等离子体x射线放射源x射线自由电子激光x射线宇宙x射线威尔姆康拉德伦琴 in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after himWilhelm Conrad Rntgen18451923Germany Munich University Munich, Germany Wilhelm Rntgens work room.An X-ray picture

3、 (radiograph), taken by Wilhelm Rntgen, of Albert von Kllikers hand at a public lecture on 23 January 1896 . 发现x射线的巨大影响1895年12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了论文关于一种新的射线1896年1月5日，一家奥地利报纸报道了伦琴的新发现。x射线的发现为伦琴赢得了巨大的声誉，包括德国在内的不少国家将x射线命名为伦琴射线。X射线的发现引起了极大的轰动，科学家们立刻放下手头的工作开始研究X射线，社会公众也对这种射线兴趣盎然。受伦琴发现的启发，科学家很快发现了其它种种

4、不可见辐射，如物质的天然放射性、射线、射线、射线等，这些研究工作很快导致了原子结构的发现。伦琴在1895年的发现，揭开了近代物理学研究的序幕，标志着原子时代的开始。二、X射线管K：灯丝，阴极，发射电子A：对阴极，阳极，靶，受加速电子轰击而发出X射线Be窗真空二极管铜衬，散热，冷却管压105106Vfor his discovery of the characteristic Rntgen radiation of the elements查尔斯格洛弗巴克拉Charles Glover Barkla18771944Edinburgh UniversityEdinburgh, United Kin

5、gdomX射线衍射的发现1912年，根据慕尼黑大学 Laue的建议，W.Fredrich和Knipping发现了x射线在晶体中的衍射，证明了x射线是电磁波X射线的特性具有显著的波粒二象性波动性：干涉、衍射、散射、反射、折射粒子性：电离气体、光电效应、Compton效应、荧光效应、单光子记录0.10.0110-3nm110100nm5025eVMeV硬X-Ray软X-Ray-RayUVU100eV1keV10keV100keVESir William Henry Bragg 1862-1942 William Lawrence Bragg1890(in Adelaide, Australia)-

6、 1971 Max von Laue1879 -1960 London University London, United Kingdom 1915 Victoria University Manchester, United Kingdom1915 Frankfurt-on-the-Main University Frankfurt-on-the-Main, Germany 1914早期的x射线管就是阴极射线管。但在当时，真空度较差克鲁克斯、赫兹、希托夫（Johann Wilhelm Hittorf）、特斯拉（Nikola Tesla）以及勒纳德等物理学家都研制了不同种类真空放电管 This

7、 early X-ray tube late 19th century was developed by professor Herbert Jackson (1863-1936) in 1895, he worked at Kings College in London and did research on fluorescence and luminescence in vacuum tubes. Jackson developed the typical concave cathode as can be seen in the upper part of the tube. Duri

8、ng his research he accidentally discovered the X-Ray phenomena prior to Rntgen, though he was not aware of there significance. Jackson focus tubeTwo early Pressler demonstration X-Ray tubes.The large one has a regulator, a small glass compartment on the tube with a piece of charcoal which could be h

9、eated to correct the internal gas pressure.A small X-Ray tube early 1900(bulb diameter 7cm)Collection of English origin X-Ray tubes early 20th Century.Pictures courtesy of Alastair Wright.Early Villard X-Ray tube.Probably from around 1900 with an osmosis palladium regulator (the small metal tube on

10、the right). When this palladium tube was heated, hydrogen diffused through this small metal tube and regulated the pressure in the X-Ray tube. Siemens Reiniger-werke V150/1502pA huge 55cm X-Ray Kenotron for Greinacher/Villard circuit.Used in the first half of the 20th century.Kenotrons were rectifie

11、r tubes (valves) for the very high tensions needed for the X-Ray tubes. In German known as ventilrhre.改进后的x射线管高真空，x射线窗口，阴极加热，阳极冷却库利吉管 现在的x射线管 Triple cascade X-Ray tube in the lab of Dr. Coolidge 1928In this lab model every bulb is fed with 300KV, the tube was 2.4 meter long with bulb diameters of 30

12、cm!William David Coolidge 1873-1975Philips Kenotron type 281361400mA 125KVSiemens Kenotron HV X-Ray rectifying tube.125 KV 1400mA used for X-Ray power supply.Click on the tube to see the burning filament.转靶x射线管转靶x射线管结构示意图 Burning tube, only heaterMore modern rotating Anode X-Ray tubes.A Siemens and

13、a Nago mid 20th century.Burn marks on the target.医用x射线机四、X射线在晶体中的衍射测量晶体的晶格常数，确定晶体的结构标定x射线的波长1.2 X射线的光谱一、由带状的连续谱（白光）和细锐的线状谱（特征谱、标识谱）组成1、连续谱：存在一个由管压决定的短波限，随管压的升高而变短，与阳极靶的材料无关产生的机制是轫致辐射（刹车辐射）：高速电子由于突然减速而将其动能全部或部分转化为辐射（x射线）连续谱（轫致辐射谱）短波限由于减速是一个过程，所以同时产生较长波长的连续谱2、标识谱在管压达到一定值时产生，与阳极靶材料有关可以分为几个谱线系，按辐射硬度（波长的

14、长短）记为K，L，M，N，Moseley定律（1913年发现，26岁）可以推断由内壳层电子跃迁产生H.G.J.Moseley,1887-1915Moseley的实验装置Moseley的实验结果标识谱的特点莫塞莱绘制的K线系图线 从Al到Au，X射线标识谱的规律不同元素的相应谱线位置依次变化，没有周期性非价电子跃迁辐射；谱线系的结构与元素所处的化学环境无关因为内壳层电子受到外层电子的屏蔽可以推断由内壳层电子跃迁产生电离态能级基态或激发态能级三、标识谱的发射机理1、标识谱的激发与辐射K线系：n=1壳层的一个电子被电离，而产生一个空位，同时原子被激发到电离态的高能级；然后一个外壳层电子跃迁填补此空位

15、，多余的能量以x射线光子辐射。n=1共有2个电子，产生一个空位时，对于外壳层电子的有效核电荷数为Z-1L线系：n=2壳层一个电子被电离。对于L1系，有效电荷数为Z-7.42、电离态能级能级和谱线的标记n=1，2，3，4，5， K，L，M，N，O，跃迁的选择定则：电离态，只有一个电子被电离，能级是倒转次序L线系M线系K线系激发态吸收镉原子电离态能级图铀原子电离态能级图四、Auger（俄歇）效应电子跃迁补空时，不发射出x射线光子，而是使内壳层的另一个电子被电离。被电离出的电子称为Auger电子。由于只有表面处的Auger电子才能从材料中射出，所以该效应被用作材料表面成分的研究。从材料中逸出的电子A

16、uger电子1.3 X射线管与X射线机X射线管：阴极（电子枪）、阳极（靶），真空系统、聚焦系统（聚焦罩）、冷却系统、窗口X射线机X射线管高压发生器水冷系统控制电路转靶x光机自转动阳极靶X射线管的主要谱线L线系M线系K线系激发态吸收Cu靶管压标识谱强度谱线强度与电流电压关系的经验公式当 时标识谱比连续谱强2个数量级K线系三条谱线的强度比为X射线管的主要性能指标靶元素：确定特征谱，常用Mo、Cu、W、Ag功率：密封管 13kW 转靶 12kW 18kW 100kW焦斑：标准焦斑 1mm1cm 细聚焦管 0.4mm0.4cm1.5 其它X射线源同步辐射速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲

17、线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射称为同步辐射这种辐射是1947年首先在电子同步加速器上发现的。产生同步辐射的装置，即电子同步加速器或电子储存环就称为同步辐射光源。目前世界上已有几十个同步辐射光源在运行。代表性的光源有：第一代（兼用机） SSRL（美国） BSRF（北京）第二代（专用机） NSLS（美国） PF（日本） NSRL（合肥）SRRC（新竹）第三代 APS（美国）ESRF（欧洲） SSRF（上海） SPRING8（日本）同步辐射装置及发射元件 插入件二极弯转磁铁Bend Magnet扭摆磁铁Wiggler Magnet波荡器Undulator同步辐射装置：储存环与光束线插入件：波荡

18、器光束线与实验站同步辐射的优异特性一、广宽平滑的连续谱根据电子能量的不同，频谱范围可从红外直至真空紫外，软x射线，硬x射线，甚至射线。其特征波长 特征频率 R为电子的弯转半径，为电子能量与其静止能量（0.511Mev）之比在特征频率的两侧有相同的辐射功率二、高强度、高亮度三、方向性好辐射能量集中在电子运动方向上极小的立体角内，其立体角的大小约为 。例：1Gev的电子所发射的同步辐射集中在0.5mrd的立体角内 四、偏振性五、洁净六、脉冲时间结构七、高稳定性八、可由理论准确计算九、同步辐射实验室对全世界开放放射x射线源放射源：55Fe发生轨道电子俘获，即反衰变：pene 55Fee 55MneMn的K壳层产生一个空位发出Mn的K线实验室中常用于校准探测器等离子体x射线源等离子体源 激光等离子体光源， Z箝缩等离子体光源X射线激光飞秒脉冲强激光的高次谐波其他x射线源自由电子激光 同步辐射装置上产生宇宙中的x射线源X射线辐射损伤与防护实验中必须不让光源直接照射人体记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监测。通常X射线实验室（包括同步辐射）中辐射剂量远低于安全剂量。1.6 X射线的吸收一、X射线的衰减二、衰减的原因1、散射：，散射系数2、吸收（真吸收）：，吸收系数=+原子吸收系数NA:Avogadro常数A:原子量:质量密度质量吸收系数三、吸收系数透过厚度为