《材料科学研究与测试方法》第二章 X射线的物理基础

第二章X射线的物理基础2．1X射线的发展史

1895年德国物理学家伦琴（WCRontgen）－真空管放电发现了一种看不见的射线即X射线。他获得了1901年度诺贝尔物理学奖。几个月后，X射线就应用到医学领域和金属零件的内部探伤，产生了X射线透射学。

1912年德国物理学家劳埃（MVLaue）发现了X射线在晶体中的衍射现象，建立了劳埃衍射方程组，从而揭示了X射线的本质是波长与原子间距同一量级的电磁波，并获得了1914年度诺贝尔物理学奖。劳埃方程组为研究晶体的衍射提供了有效方法，因此产生了X射线衍射学。

英国物理学家布拉格父子（WHBragg和WLBragg）首次利用X射线测定了NaCl和KCl的晶体结构，提出了晶面“反射”X射线的新假设，导出简单实用的布拉格方程。1915年布拉格获得了诺贝尔物理学奖。

1914年，物理学家莫塞莱（HGJMoseley）发现了特征X射线的波长与原子序数之间的定量关系，创立了莫塞莱方程。利用这一原理可对材料的成分进行快速无损检测，由此产生了X射线光谱学。X射线的发现，相继产生了：

X射线透射学（硬：一般为0.005～0.01nm）

X射线衍射学（软：一般为0.05～0.25nm）

X射线光谱学本书主要讨论X射线衍射学。2．2X射线的性质2．2．1X射线的产生

组成：阴极、阳极、真空室、窗口和电源等。阴极：又称灯丝，由钨丝制成，是电子的发射源。阳极：又称靶材，一般由纯金属（Cu、Co、Mo等）制成，是X射线的发射源。真空室：真空度高达10－3Pa，其目的是保证阴阳极不受污染；窗口：X射线从阳极靶材射出的地方，通常有两个或四个呈对称分布，窗口材料一般为铍金属，目的是对X射线的吸收尽可能少。电源：阴阳极间产生强电场，促使阴极发射电子。过程：当两极电压高达数万伏时，电子从阴极发射，射向阳极靶材，电子的运动受阻，与靶材作用后，电子的动能大部分转化为热能散发，仅有1％左右的动能转化为X射线能，产生的X射线通过铍窗口射出。2．2．2X射线的本质

是一种电磁波，波长较长的X射线称为软X射线，波长较短的X射线称为硬X射线。

X射线具有以下性质

1．波粒二象性

注意点：1）波粒二象性是X射线的客观属性，同时具有，不过在一定条件下，某种属性表现得更加突出，如X射线的散射、干涉和衍射，就突出表现了X

射线的波动性；而X射线与物质的相互作用，交换能量，则突出表现了它的微粒性。2）X射线的磁场分量H在与物质的相互作用中效应很弱，故在本书的讨论中仅考虑电场分量E。一束沿某一方向如y轴方向传播的X射线的波动方程为：

2．不可见波长在0.001～10nm3．折射率1（无法成像，故无形貌分析）4．穿透性强5．杀伤作用2．3X射线谱

1、X射线谱是指X射线的强度与波长的关系曲线。

2、X射线的强度是指单位时间内通过单位面积的X光子的能量总和，它不仅与单个X光子的能量有关，还与光子的数量有关。

图2-4Mo靶材的X射线谱2．3．1X射线连续谱（a）管压U（b）管流i（c）靶材序数Z图2-5管压、管流和靶材序数对连续谱的影响连续谱强度：效率：影响因素2．3．2X射线特征谱莫塞莱定律:

特征峰产生机理：

(a)经典模型(b)能级激发(c)亚能级激发特征峰强度：K系：m=1.5;L系：m=2(c)亚能级激发KKKKLLK系激发L系激发LMN空位空位EKELEMEN(b)能级激发ZNMLKKK自由电子KLL自由电子入射电子束K系激发L系激发空位空位(a)经典模型KL1L2L31s22s22p6K1K2M1M2M33s23p6M4M53d10n=1n=2n=3λKα2＞λKα1＞λKβIKα1≈2IKα2IKα≈（5～7）IKβ

UC-特征谱的激发电压，m为指数（K系m=1.5，L系m=2）。在晶体衍射中，总希望获得以特征谱为主的单色光源，即尽可能高的I特/I连.对K系谱线，在U=4UC时，I特/I连获得最大值，管压通常取(3~5)Uc。

2．4X射线与物质的相互作用试样K=(2K1+K2)K1<K2作用于固体物质透射发热特征X射线俄歇电子－俄歇效应荧光X射线－荧光效应非相干散射-反冲电子－康普顿效应相干散射-X射线衍射-X射线衍射学X射线透射学散射吸收-光电效应光电子-X光电子能谱仪2．4．1X射线的散射1．相干散射-X射线衍射的基础（束缚紧的内层电子激发后产生）2．非相干散射-是衍射花样的噪音、背底（束缚松的外层电子激发后产生）。＝-0＝0.0243（1-cos2）0、分别为X射线散射前后的波长，2为散射角，即入射线与散射线之间的夹角。图2-8康普顿－吴有训效应示意图

2．4．2X射线的吸收1．光电效应

入射X射线（入射光子）激发原子产生辐射的过程，称为光电效应。由于被击出的电子和辐射均是入射X射线（光子）所为，故称被击出的电子为光电子，所辐射出的X射线称二次特征X射线，或荧光X射线。

当产生K系激发时，入射X射线的能量必须大于或等于将K层电子移出成为自由电子的外部做功WK，临界态时，K系激发的激发频率和激发限波长的关系如下：K、K

、Uk分别称为K系的激发频率、激发限波长和激发电压。注意：发生二次特征时，吸收很强，难以再衍射。衍射的作用内层电子，并未打飞，而仅是原位振动，产生与入射X射线一样的波长，从而发生相干，形成衍射。注意点：1）激发限波长K与前面讨论的连续特征谱的波长限0形式相似。K是能产生二次特征X射线所需的入射X射线的临界波长，是与物质一一对应的常数。而0是连续X射线谱的最小波长，是随管压的增加而减小的变量。二次特征X射线是由一次特征X射线作用物质（试样）后产生的，而连续X射线是由电子束作用物质（靶材）后产生的。2）激发限波长K是X射线激发物质（试样）产生光电效应的特定值，入射X射线的部分能量转化为光电子的能量，即X射线被吸收。从X射线被吸收的角度而言，K又可称为吸收限，即当X射线的波长小于K时，X射线的能量能激发物质产生光电子，使物质处于激发态，入射X射线的能量被转化为光电子的动能。3）二次特征X射线的波长与物质（试样）一一对应，也具有特征值，可用于试样的成分分析，其强度愈高愈好。但在运用X射线进行晶体衍射分析时，则应尽量避免物质试样）产生二次特征X射线，否则会增强衍射花样的背底，增加分析难度。4）光电子不同于反冲电子。光电子是X射线（光量子）作用物质后，激发束缚紧的内层电子使之成为自由电子，该电子称为光电子，具有特征能量，而反冲电子是束缚较松的外层电子或自由电子吸收了部分X射线（光量子）的能量而产生的，使X射线的能量降低波长增加。

2．俄歇效应与荧光效应3．X射线强度衰减规律透射系数

l为物质的线吸收系数，反映了单位体积的物质对X射线的衰减程度。

为质量吸收系数，反映了单位质量的物质量对X射线的衰减程度。

<<

<吸收谱：L1L2L3mOKKL2L3L12．4．3吸收限的作用吸收限的作用主要有两个：选靶材和滤片。

1．选靶材

2．选滤片目的：保证靶材产生的特征X射线不被样品大量吸收，从而产生衍射花样。故依样品而定。目的：保证靶材产生单一的特征X射线，否则会产生多套衍射花样。故依靶材而定。阳极靶材原子序数ZK系特征波长/nmK吸收限K/nmUk/kV滤波片原子序数ZK吸收限K/nm厚度/mmIK/I0KKCr240.2291000.2084870.207025.43,5.98V230.2269100.0160.5Fe260.1937360.1756610.1743466.4,7.10Mn250.1896430.0160.46Co270.1790260.1620790.1608156.93,7.71Fe260.1743460.0180.44Ni280.1659190.1500140.1488077.47,8.29Co270.1608150.0180.53Cu290.1541840.1392220.1380578.04,8.86Ni280.1488070.0210.40Mo420.0710