《材料研究与测试方法》-X射线物理学基础

材料研究与测试方法DoctorHaoLi（李豪）lihao_2013@126.coutlineTheoryCourse(24h)QuantitativeMetallographicTechnique(2h)X-RayDiffraction(XRD)(8h)TransmissionElectronMicroscope(TEM)(6h)ScanningElectronMicroscope(SEM)(4h)AugerElectronSpectroscopy(AES)(2h)IonMicroprobeAnalysis(IMA)(2h)3.X射线物理学基础3.1X射线的发现3.2X射线的本质3.3X射线的产生3.4X射线谱3.5X射线与物质相互作用3.X射线物理学基础3.1X射线的发现WilhelmRöntgen(1845-1923)Nov.8,1895，德国物理学家伦琴(W.Röntgen)在研究真空管中的高压放电现象(阴极射线)时，发现有一种新射线从固体上发出来。进一步的研究发现：1、以直线方式传播；

2、有很高的穿透能力；

3、可使照相底片感光；

4、激发荧光，使空气电离。Dec.28,1895.W.Röntgen报道了这一现象。由于不清楚该射线的本质，所以命名“X”射线。X射线的发现，为材料科学与工程研究提供了全新的分析测试方法。1895年12月22日

3.X射线物理学基础1901年，WilhelmRöntgen获诺贝尔物理学奖；1914年，MaxvonLaue获诺贝尔物理学奖（discoveryofthediffractionofX-raysbycrystals）1915年，Bragg父子获诺贝尔物理学奖；

（theanalysisofcrystalstructurebymeansofXrays）

1921年，AlbertEinstein获诺贝尔物理学奖；

(TheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect)1927年，A.H.Compton获诺贝尔物理学奖

(discoveryoftheComptoneffect)

3.X射线物理学基础3.2X射线的本质X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。⑴波动性⑵粒子性3.X射线物理学基础⑴波动性X射线是波长在10-8~10-12m范围内，具有极强穿透能力的电磁波。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。X射线晶体劳厄斑晶体的三维光栅3.X射线物理学基础硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。X射线波长的度量单位常用埃（Å）,或者通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1Å=10-10m1nm=10-9m⑴波动性3.X射线物理学基础特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p之间存在如下关系：每个光子的动量为：每个光子的能量为：式中：h——普朗克常数，等于6.625×10-34J.s;c——X射线的速度，等于2.998×108m/s.⑵粒子性3.X射线物理学基础3.3X射线的产生

产生X射线的方式：

⑴

X-射线管

—重点

⑵同步辐射光源

—了解

⑶X-射线激光

⑷激光等离子体光源3.X射线物理学基础3.3.1X射线管—重点

产生原理

—重点

产生条件

—重点

X-射线管结构

过程演示3.X射线物理学基础X射线管产生X射线的原理

高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。3.X射线物理学基础X射线管产生X射线的条件1.产生自由电子的电子源，如加热钨丝产生热电子2.使电子作定向的高速运动施加在阳极和阴极（钨丝）间的电压3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。4.真空把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa的真空中，保持两极洁净并使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。常规的X射线产生装置3.X射线物理学基础X-射线管结构3.X射线物理学基础X射线管结构封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（10-5~10-7mmHg）二极管。基本组成包括：(1)阴极：阴极是发射电子的地方。(2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。3.X射线物理学基础X射线管结构(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。3.X射线物理学基础

过程演示3.X射线物理学基础3.3X射线的产生

产生X射线的方式：

⑴X-射线管

—重点

⑵同步辐射光源

—了解

⑶X-射线激光

⑷激光等离子体光源3.X射线物理学基础3.3.2同步辐射同步辐射产生X射线的原理

利用电子在作加速运动时能辐射电磁波的原理，辐射电磁波的光子能量在2479.7—0.0496keV范围的称为同步辐射X射线。3.X射线物理学基础3.3.2同步辐射同步辐射光源20世纪60年代末出现。是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时，沿切线方向发出电磁辐射—同步光（同步辐射）。电子同步加速器（1947美国通用电器）。同步辐射最初是作为电子同步加速器的有害物而加以研究的，后来成为一种从红外到硬X射线范围内有着广泛应用的高性能光源。3.X射线物理学基础3.3.2同步辐射同步辐射光的特点⑴波段宽：具有频谱宽且连续可调;⑵高亮度；⑶高准直度；⑷高偏振性；⑸高纯净性；⑹窄脉冲；⑺精确度高；⑻高稳定性；⑼高通量；⑽微束径；⑾准相干等独特的性能。3.X射线物理学基础3.3.2同步辐射同步辐射装置

世界上有近40台同步辐射光源正在运行，还有几十台在设计建造中。北京同步辐射装置（BSRF）合肥中国科技大学同步辐射装置（NSRL）上海光源（SSRF）属第三代光源。台湾新竹的同步辐射装置（SRRC）3.X射线物理学基础3.X射线物理学基础同步辐射装置3.X射线物理学基础3.3.2同步辐射同步辐射的特殊应用——利用高的空间分辨率：1、同步辐射X衍射技术在三维结构生物学中的应用2、细胞膜通道的研究3、光合作用机制的研究4、能量转换的研究5、信号转导的研究6、基因转录的研究7、病毒生物大分子结构的研究3.X射线物理学基础3.4X射线谱Mo的X射线谱(示意图)定义：X射线强度随波长变化的曲线。

其强度大小由单位面积上的光量子数决定。由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：（1）连续的X射线谱（2）特征的X射线谱3.X射线物理学基础3.4.1连续X射线谱

具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。产生机理演示过程短波限X射线的强度3.X射线物理学基础

连续X射线谱的产生机理

能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。

单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的能力，即产生多次辐射，由于多次辐射中光子的能量不同，因此出现连续X射线谱。3.X射线物理学基础

连续X射线谱产生演示3.X射线物理学基础

连续X射线谱短波限

连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。3.X射线物理学基础X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子数目（能量）的总和。常用单位是J/(cm2·s).X射线的强度I是由光子能量hν和它的数目n两个因素决定的，即I=nhν，因此连续谱中强度极值不在短波限，而在约1.5λ0处。

连续X射线谱的强度3.X射线物理学基础连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：I连=KiZV2K：1.1×10-9~1.4×10-9；Z：靶材原子序数；V：管电压；i：管电流且X射线管效率η为电子流能量中用于产生X射线的百分数，即

连续X射线谱的强度3.X射线物理学基础

连续X射线谱随管电压、管电流、原子序数的变化强度、峰值强度对应的波长、短波限、线谱宽度3.X射线物理学基础3.4.2特征X射线谱

含义——由一定波长的若干X射线叠加在连续谱上构成，也称单色X射线和标识X射线。当管电压超过某临界值时才能激发出特征谱，如Mo靶，当U管高于20Kv时才出现特征峰，如右图所示。U管=35Kv时，波长0.63Å和0.71Å处出现特征峰。这种谱线的波长与X射线管电压、管电流等工作条件无关，只决定于阳极材料，不同元素的阳极材料发出不同波长的X射线。因此叫特征X射线。钼阳极管发射的X射线谱3.X射线物理学基础3.4.2特征X射线谱1.特征X射线的特性管电压特征强度特征特征波长取决于原子序数---

Mosley定律2.产生机理3.X射线物理学基础

特征X射线的特性

激发管电压特征：每一条谱线对应一定的激发电压，只有当管电压超过激发电压时才能产生相应的特征谱线，且靶材原子序数越大其激发电压越高。当电压达到临界电压时，特征谱线的波长不再变，强度随电压增加。强度特征：每个特征射线都对应一个特定的波长，不同靶材的特征谱波长不同。如管电流和管电压V的增加只能增强特征X射线的强度，而不改变波长。K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关系为：当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3~5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。3.X射线物理学基础特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，是物质的固有特性。1913～1914年Mosley发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系：

根据Mosley定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据。

对于特定物质的两个特定能级之间的能量差一定，辐射出的特征X射线的波长一定。

特征X射线的特性---Mosley定律3.X射线物理学基础

特征X射线的特性---Mosley定律3.X射线物理学基础

特征X射线谱产生机理

特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。

阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。

3.X射线物理学基础如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。

产生K激发的能量为WK＝hνK，阴极电子的能量必须满足eV≥WK＝hνK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK，VK称之临界激发电压。

处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。

特征X射线谱产生机理3.X射线物理学基础当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量；但因L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大五倍左右。

特征X射线谱产生机理3.X射线物理学基础显然，当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。

LK1K2IIIIIIMKα双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的8个电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。Kα双线系电子分别由LⅢ和LⅡ两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而由LI亚层到K层因不符合选择定则（此时Δl＝0），因此没有辐射。

特征X射线谱产生机理3.X射线物理学基础3.X射线物理学基础X射线谱小结X射线产生机制谱图特征应用连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波强度随波长连续变化是衍射分析的背底：医学采用特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用3.X射线物理学基础3.5X射线与物质相互作用

X射线与物质相互作用是一个复杂物理过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。一束X射线通过物体后，其强度将发生衰减，这是被吸收和散射的结果，且吸收是主要原因。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3.X射线物理学基础3.5X射线与物质相互作用X射线衍射成分分析无损检测3.X射线物理学基础X射线的散射分相干散射和非相干散射两类。（1）相干散射

当X射线通过物质时，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。

由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称相干散射。

相干散射并未损失X射线的能量（频率或者波长没变），而只是改变了它的传播方向。因此相干散射又称为弹性散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础3.5.1X射线的散射3.X射线物理学基础相干散射强度一个电子的散射强度3.5.1X射线的散射讨论：1、由一个电子散射到相距R的P点的散射波强度只是入射波的强度的极小一部分。2、散射强度与距离的平方成反比。3、各个方向上散射强度不同。3.X射线物理学基础（2）非相干散射

X射线光子与束缚力不大的外层电子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。也称为康普顿散射。

散射线波长比入射线波长要长。3.5.1X射线的散射3.X射线物理学基础λλ′Compton-Wu散射---X射线粒子性的证明

入射X射线光子与原子中受核束缚较弱的电子发生碰撞。散布于各个方向的散射波波长互不相同，与入射波的相位不存在确定关系，不能互相干涉。形成连续背底，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。3.X射线物理学基础X射线散射小结X射线散射作用机制特点作用结果相干散射与原子内紧束缚电子刚性碰撞波长与入射波相同有一定的位相关系相互干涉产生衍射条纹非相干散射与自由电子或原子内紧束缚电子非刚性碰撞波长与入射波不同不互相干涉由于散射于各个方向，强度很低，形成连续的背景3.X射线物理学基础

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。当X射线的波长足够短时，光子能量可把原子中处于某一能级上的电子打出来，而它本射被吸收。因此，Ｘ射线的强度被衰减。有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。3.5.2X射线的吸收3.X射线物理学基础光电效应——物质在光子作用下放出电子的过程。

当一个具有足够能量的光子从原子内部击出一个K层电子时，会发生象电子激发原子时类似的辐射过程，即产生特征X射线。这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的电子称为光电子。

伴随光电效应而发生的有荧光效应和俄歇效应。

光电效应3.X射线物理学基础激发k系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功ωk，即将激发限波长λk和激发电压Vk联系起，即式中VK以V为单位。教材（1－3）式和（1－12）式形式上非常相似，但物理意义完全不同。前者说明连续谱的短波限λ0随管电压的增高而减小，而后者说明每种物质的K激发限波长都有它自己特定的值。从X射线激发光电效应的角度，称λK为激发限；然而，从X射线被物质吸收的角度，则称λK为吸收限。3.X射线物理学基础由法国物理学家俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现。原理：俄歇效应是外层电子跃迁到空位时将多余的能量ΔE激发另一个核外电子，使之脱离原子。例如，当K层上电子被打出后，L2层电子会跃入K层，而将多余的能量传递给L3、M、N等层电子，使之脱离原子，这样脱离的电子称为俄歇电子，俄歇电子常用参与俄歇过程的三个能线来命名，如KL1L2表示K层电子被打出后，L1层电子跃入K层，将多余的能量ΔE传递给L2层电子，使L2层电子脱离原子。

俄歇效应3.X射线物理学基础俄歇效应原理图

3.X射线物理学基础俄歇效应应用

对于特定材料其俄歇电子具有特定的能量，测定其能量（俄歇电子能谱）可以确定原子的种类。因此，利用俄歇电子能谱可以进行元素成分分析。

不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。3.X射线物理学基础荧光效应即X射线光致发光现象。外层电子填补空位时将多余的能量ΔE用来辐射次级特征X射线，这种由X射线激发出的次级X射线称为荧光X射线。在一般的衍射工作中，荧光X射线增加衍射花样的背影，是有害因素。但荧光X射线的波长只取决于物质中原子的种类(由Moseley定律决定)，利用荧光X射线的波长和强度，可确定物质元素的组分及含量，这时X射线荧光分析的基本原理。

荧光效应3.X射线物理学基础荧光效应原理图

3.X射线物理学基础X射线吸收小结光电子被X射线击出壳层的电子即光电子，它带有壳层的特征能量，所以可用来进行成分分析(XPS)俄歇电子高能级的电子回跳，多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)二次荧光高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量3.X射线物理学基础X射线散射、吸收小结散射散射无能量损失或损失相对较小相干散射是X射线衍射基础，只有相干散射才能产生衍射。散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上进行，从而带有壳层的特征能量，因此是揭示材料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具可以在分析成分的同时告诉你元素价态3.X射线物理学基础3.5.3X射线的衰减xdx当X射线穿过物质时，因受到散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。衰减的程度与物质的厚度和密度有关。:线衰减系数:穿透系数:质量衰减系数3.X射线物理学基础X射线的质量衰减系数X射线的质量衰减系数表示单位质量物质对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：其中，K为常数。随λ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。当波长减小到λK时，质量吸收系数产生一个突变，这是由于入射光子能量