X射线衍射分析原理

会计学1X射线衍射分析原理物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。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32.1X射线物理学基础2.1.1X射线的产生X射线的发现X射线的发现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，偶然发现凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。第2页/共37页4性质（Properties）：具有很强的穿透能力，能使照片感光，空气电离。阴级阳级+-第3页/共37页5伦琴夫人的手X照片戒指第4页/共37页6NaCl晶体的三维空间点阵1912年英国物理学家布拉格父子X射线的应用第5页/共37页7劳厄斑LauespotsX射线X--ray晶体crystal劳厄斑Lauespots晶体的三维光栅Three-dimensional“diffractiongrating”2X射线的本质1914年获诺贝尔物理学奖第6页/共37页8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，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9波动性X射线的波长范围：0.01~100Å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10粒子性具有的一定的质量、能量和动量。X射线的频率ν、波长λ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6.62510-34Js;c——X射线的速度，等于2.9981010cm/s.

第9页/共37页11介于紫外线和射线之间第10页/共37页12X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可见光微波无线电波在电磁波谱中，X射线的波长范围约为0.001nm到10nm，相当于可见光波长的10万分之一到50分之一。第11页/共37页13X射线的产生高速运动的电子流

射线X射线中子流高能辐射流在突然被减速时均能产生X射线一、X射线的产生与性质第12页/共37页14

X射线管X射线管示意图第13页/共37页15第14页/共37页16

X射线机图3X射线机的主要线路图第15页/共37页17

X射线管的工作原理X射线管电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝绕成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。金属靶：发射X射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钴、镍、铁、铝等。第16页/共37页18

X射线管的工作原理

整个X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，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，这些X射线通过用金属铍（厚度约为0.2mm）做成的X射线管窗口射出，即可提供给实验所用。第17页/共37页191.X射线是一种电磁波，具有波粒二象性；2.X射线的波长：10－2~102

Å3.X射线的（Å）、振动频峰和传播速度C（m·s-1）符合

=c/

(1)

X射线的性质第18页/共37页204.X射线可看成具有一定能量E、动量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（4）第19页/共37页21X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射线沿直线传播，即使存在电场和磁场，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，生理上会产生一定的反应。第20页/共37页22连续谱：强度随波长连续变化的连续谱。 （见图6）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Vk（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。（见图7）X射线谱2.1.2连续X射线谱第21页/共37页23X射线的物理基础连续X射线谱图6各管电压下W的连续谱第22页/共37页24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最短的波长（短波限0）和一个强度的最大值。最大值一般在1.50地方。2）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25X射线的物理基础连续X射线产生机理

在X射线光管中，由阴极灯丝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26连续谱的经验公式可表达为：C为常数，Z为阳极材料的原子序数。X射线连续谱的强度随着X射线管的管电压增加而增大，最大强度所对应的波长max变小，最短波长界限0减小；

连续谱中接近最短波长处的辐射较多。第25页/共37页27X射线的物理基础特征X射线Mo靶X光管发出X光谱强度（35kV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28X射线的物理基础原子结构壳层理论

高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中K层电子撞出电子壳层，在K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态，按能量最低原理，L、M、N一层中的电子会跃入K层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多余的能量以X射线光量子的形式释放。第27页/共37页29特征X射线产生原理图第28页/共37页30X射线的物理基础

K系标识X射线：

对于从L，M，N…壳层中的电子跃入K壳层空位时所释放的X射线，分别称之为K

、

K

、

K…谱线，共同构成K系标识X射线。第29页/共37页31K波长比K长，K与K强度比约为5:1。放大看，K

还分为K1和K2两条线。K1和K2强度比约为2:1由于K1和K2波长相差很小。一般将它们视为同一条线K。其波长用二者的加权平均。第30页/共37页32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33不同靶材料具有不同波长的特征X射线和激发电压第32页/共37页34

Moseley1914年总结了特征X射线与靶材原子结构之间的关系：C为常数，与原子的主量子数有关为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关

反过来，如果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35说明：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。