X射线的物理基础

会计学1X射线的物理基础B本课程特点原理性强：各种仪器、方法均基于一定的原理（物理、机械、电子等）。知识面广：多门基础知识作为，如物理学、材料学、晶体学、电子学、机械等。应用性强：医学、工业，如晶体结晶学、生物、化工、材料。第1页/共43页C学习方法课堂讲授为主，课前预习和课后复习,上课提问和回答问题习题加以巩固（每章后均布置习题），配有TA辅导及改作业

实验加深（实验操作和实验报告），共有6个应用性实验，每位同学必须操作仪器，同时有部分演示性实验第2页/共43页问题：为什么要学习本门课程？1、材料的基本三要素是什么？成分、组织、性能2、从结构性质来分，材料分为哪两类？晶体、非晶体（化学组成、性质用途、形态）3、本课程主要解决的问题？课本前言第3页/共43页高岭土的矿物结构第4页/共43页高岭土显微形貌第5页/共43页湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑此剑锋芒犀利，寒光闪闪，出土时插于漆木鞘里，保存如新，至今犹能断发。经分析测定，剑脊含锡低（10%），韧性好而不易折断；刃部含锡高（20%），刚而锋利。这种复合金属制造技术其他国家直到近代才掌握。第6页/共43页湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄中国古代铁器的金相组织第7页/共43页第一章X射线的物理学基础

及晶体衍射的几何基础本章要点：绪论X射线的本质X射线的产生X射线谱X射线与物质的相互作用第8页/共43页材料三要素成分组织性能工艺调控设计第9页/共43页与X射线有关的Nobel物理奖获得者1901年W.C.伦琴（德国人）：发现X射线1914年M.V.劳厄（德国人）：发现晶体中的X射线衍射现象1915年W.H.布拉格、W.L.布拉格（英国人）：借助X射线，对晶体结构进行分析1917年C.G.巴克拉（英国人）：发现元素的次级X辐射的特征

1937年C.J.戴维森（美国人）、G.P.汤姆森（英国人）：发现晶体对电子的衍射现象

第10页/共43页X射线在材料研究方面的应用1、单晶材料：晶体结构、对称性和取向方位、缺陷观察（完整性）2、物相鉴定（定性分析）3、定量分析、测定相图或固溶度4、晶粒大小、应力应变第11页/共43页1X射线的性质X射线一方面具有波动的性质，有一定的频率和波长，反映物质运动的连续性；另一方面具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子流，反映物质运动的分立性。这种波动性与粒子性相互并存的性质称为X射线的波-粒二象性。X射线具有很强的穿透物质的能力，经过电场和磁场时不发生偏转，当穿过物质时X射线可被偏振化，可被吸收而使强度衰减，它能够使空气或其它气体电离，能激发荧光效应，使照相底片感光，并能杀死生物细胞与组织等。是一种能量载体。§1.1X射线的物理基础第12页/共43页电磁波谱及其产生图第13页/共43页2X射线的产生条件

X射线产生示意图第14页/共43页1.产生并发射自由电子（例如加热钨灯丝发射热电子）；2.在真空中（一般为10-6毫米汞柱）迫使自由电子朝一定方向加速运动，以获得尽可能高的速度；3.在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。产生条件第15页/共43页X射线管的工作条件工作参数：35～50KV，10～35mA，功率密度100W/mm2；通常用旋转阳极散热X射线焦点：阳极靶上被电子束轰击的区域为焦点，影响衍射图像的形状、清晰度额分辨率1×10mm；0.1×10mm第16页/共43页3X射线谱3.1连续X射线谱产生：

连续X射线是高速运动的电子被阳极靶突然阻止而产生的。右图是钨阳极X射线管所发出的连续X射线谱的示意图。

第17页/共43页实验规律

当逐步增加X射线管的管电压时，图中的强度曲线I（λ）有下列变化：A.各种波长射线的相对强度一致增高；B.最高强度的射线波长逐渐变短（曲线峰值向左方移动）；C.短波限λ0

逐渐变小，即λ0

向左方移动，与此同时波谱变宽。

当X射线管中高速运动着的电子到达阳极靶表面突然受阻时，产生了极大的附加速度.根据经典物理学的电动力学理论，一个电子在受到这样一个加速度时，必然产生一个电磁波或者最少一个电磁脉冲。极大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间是不可能一样的，因而电磁脉冲也各不相同，形成了具有各种波长的连续Ｘ射线谱。第18页/共43页量子理论的观点当电子被阳极靶突然制止时，其动能的一部分将转化为一个或几个Ｘ射线光子，其余部分将转化为热能。当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个Ｘ射线光子时，光子的能量：

ξ＝1/2mv2=eV=hv最大＝hc/λ0

光子达到了最高的能量，最大的频率和最短的波长。但是绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，它的部分能量p要消耗于高速电子的全部内能上，所以转化为Ｘ射线光子的能量小于高速电子的全部能，即：

ξ＝hυ＝eV-p

另外，一个电子的能量也可能转化为几个光子或分几次转化，这都说明大部分辐射波长λ〉λ0，即λ0〉12.4/λ并呈连续的分布，也就是构成了连续Ｘ射线谱。第19页/共43页3.2特征X射线谱原子结构：原子核、电子（K、L、M、N……）；每层2n2个电子能量分布：K、L、M、N……层能量最低，电子总是先占满最低层能量最低原理：K层电子激发，L、M、N上的电子往K层跃迁，多余的能量以X射线光子的形式释放第20页/共43页特征X射线产生示意图第21页/共43页产生：

当管电压超过某一临界值V激后（如对钼靶超过20千伏），强度分布曲线I（λ）将产生显著的变化，即在连续X射线谱的某几个特定波长的地方，强度突然显著的增大，如图所示。由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为特征X射线谱。第22页/共43页图中两个强度特别高的窄峰称为钼的K系X射线，波长为0.63埃的是Kβ射线，波长为0.71埃的是Kα射线。Kα射线又可以细分为Kα1及Kα2

两条线。当用原子序数较高的金属做阳极靶时，除去K系射线外，还可得到L、M等系的特征X射线。在通常X射线衍射工作中，一般均采用强而窄的Kα

谱线。

当继续提高管电压时，图中所示各特征X射线的强度不断提高，但其波长不变。第23页/共43页实验规律A.产生特征X射线所需的最低管电压（称为激发电压V激），对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定的B.阳极靶不同，所产生的特征X射线谱的波长也不同．C.当管电压超过V激而进一步升高时，K系特征X射线的波长不变，而强度按N次方的规律增大：

I特征=ci(V-V激）n

式中I为管电流；V为管电压；V激为激发电压，由阳极靶所决定；n为常数，约为1.5～2；c为比例常数，与特征X射线的波长有关。D.特征X射线和连续X射线强度的比率，在X射线管的工作电压V为激发电压V激的3-5倍时最大．第24页/共43页莫塞莱定律莫塞莱发现：同系特征X射线的波长,随阳极靶的原子序数的增加而变短,在射线频率V的平方根和原子序数Z之间存在线性关系,即:

这个关系称为莫塞莱定律,式中的C和σ都是常数.应用：K系标识X射线（Kα、Kβ、Kγ），其他的波长很长，强度很弱，易被吸收；实验测定：I（谱线）Kα是Kβ的两倍，取λα＝2/3λα1+1/3λα2第25页/共43页3.4X射线与物质的相互作用

1.经典散射

X射线是一种电磁波,当它通过物质时,在入射束电场的作用下,物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置发生震动,并在运动期间被连续地加速和减速.同时向其四周辐射出与入射线同频率的电磁波,即入射波将自身的能量传给了电子,而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线.

由于经典电动力学理论可以圆满的地解释这种电子散射现象及其定量关系,所以将这中散射称为经典散射.第26页/共43页2非相干散射

当X射线冲击束缚力不大的电子或自由电子时，可以产生另一种散射电子将被撞出原来轨道，成为反冲电子，而入射光子自身亦被撞偏了一个角度α（如图）。散射线能量因部分转化为反冲电子的动能而降低，波长变大，其变化量可由下式求得：Δλ＝λ’－λ＝0.0243(1－cosα）(埃）

这种波长改变的散射现象和它的定量关系遵守量子理论的规律，因此称为量子散射。

量子散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关系，因此不能产生任何干涉效应，自然也不能参与衍射，所以这种散射也称为不相干散射。第27页/共43页3.二次特征辐射当X射线光子具有足够高的能量时，将同X射线管中的高速电子一样，可以将被照射物资原子中的内层电子打击出来，使原子处于激发状态，从而成为一个特征X射线的辐射源。这种利用X射线的激发作用而产生的新特征辐射称为二次特征辐射。二次特征辐射在本质上属于光致发光的荧光现象，因此也称为荧光辐射。产生条件为了使被照射原子处于能发射二次特征K系X射线的激发状态，入射的一次X射线光子的能量必须等于或大于将此原子的K层电子击出所需的能量。

λ激k≤12.4/V激k

式中λ激k=12.4/V激k

为产生K系激发的最长波长，称为K系特征辐射的激发限。第28页/共43页光电效应

当激发二次特征辐射时，原入射X射线光子的能量被击出的电子所吸收，转变为电子的动能而使电子逸出原子之外，这种电子称为光电子，此时的吸收称为真吸收。因这一过程与紫外光谱的光电效应相似，所以也称为光电作用或光电效应。第29页/共43页4.X射线的衰减

X射线穿过物质时，由于经典散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射X射线的能量，因此入射线的强度将显著地衰减下来。衰减规律

实验归纳出了如下的衰减规律：

通过厚度为dx的无穷小薄层物质时,X射线强度衰减量dI正比于入射强度I和厚度dx（如图所示）,即:第30页/共43页X射线仪第31页/共43页3.5X射线滤波片及射线安全防护X射线滤波片作用（filter）：是Kβ谱线及连续光谱的强度尽量减弱，提高分析精度滤波片厚度控制原则：太厚吸收太多，太薄作用不明显。一般使Kα与Kβ的比为600：1，此时Kα的强度将降低30～50%材料选择：①filter片：Ztarget<40,Zf=Zt-1②Zt≤Zsample+1如：分析Fe用Co或Fe靶而不用Ni安全：重金属吸收常用Pb第32页/共43页§1.2X射线的方向和强度一、晶体衍射的几何基础1、空间点阵（spacelattice）节点、空间点阵、单位点阵（晶胞）、晶轴、晶格常数2、晶系空间点阵（七种）立方（cubic）正方（tetragonal）斜方（orthorhombic）菱方（rhombohedral）六方（hexagonal）单斜（monoclinic）三斜（triclinic）第33页/共43页十四种点阵

1848年法国晶体学家Bravais，称为布拉菲点阵，是晶体学分类的重要依据。晶胞中的结点数（原子数）可用下述表示（计算典型晶胞中的原子数？）第34页/共43页3、常见晶体结构体心立方（bcc）：K、Na、W、V、α－Fe

密排六方（hcp）：Cd、Mg、Zn、α－Ti

面心立方（fcc）：Ag、Cu、Ni、Au4、晶面与晶向晶面：空间点阵中结点组成平面，表示：（）{}

回忆其基本问步骤：1、2、3、化成最小公倍数晶向：结点连线，表示：[]<>

回忆其三个基本步骤第35页/共43页例子：晶面族：{}{100}表示（100）（010）（001）晶向族：<><111>表示对角线第36页/共43页六方晶系的晶面指数和晶向四坐标方法（hkil）i＝-（h+k）六柱面指数：晶向：[uvtw]:通常先确定晶面→再求晶向三坐标晶向与四坐标晶向转换：[UVW]U=u-tu=2/3U-1/3VV=v-tv=2/3V-1/3UW=wt=-1/3(U+V)w=W第37页/共43页5、晶带、晶面间距与晶面夹角a、晶带：平行于同一晶向的所有晶面，成为晶带面（planeofzone），此晶向称为晶带轴（zoneaxis）b、晶带定律：对任意晶向[uvw]和晶面（hkl），如果满足关系式：

hu+kv+lw＝0

称为晶带定律第38页/共43页已知（h1