材料测试方法第一章1

第一章X射线衍射分析§1.1X射线物理基础§1.1X射线物理基础1.X射线的发现X射线又名伦琴射线,是德国物理学家:RÖntgenWilhelmConrad(1845.03.27-1923.2.10)于1895年发现的。伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：《一种新的射线--初步报告》1901年RÖntgen获首届诺贝尔物理学奖。

伦琴像

W.K.Röntgen（1845-1923）X射线的衍射（1885年伦琴发现X射线冷却水<铅板单晶片照像底片

单晶片的衍射1912年劳厄实验X射线的产生

老式X射线管伦琴拍下的他夫人的手的X射线图X射线波动性的证明X射线衍射示意图铝箔的X射线衍射图像X射线波动性的证明1912年,德国物理学家冯.劳厄：VonLaue,MaxTheodoreFelix（1879.10.9-1960.4.24）认为：晶体是X射线衍射实验的理想光棚（1）证明了X射线是电磁波，（2）也第一次从实验上证实了晶体内部质点的规则而对称的排列。

X射线管

X射线管玻璃X射线管X射线管单极金属陶瓷x射线管X射线管医疗诊断射线管

X射线的特点

波动性:

以一定的频率ν和波长λ在空间传播;具有干涉、衍射、偏振等现象微粒性:

具有一定的质量m、能量E和动量p.X射线的波粒两重性

ν、λ与E、p之间也有如下的关系:

E=hν=hc/λP=h/λ式中，h-Planck常数,等于6.625×10-27尔格.秒;

c-X射线的速度,等于2.998×1010cm/s.X射线是波长为:0.001～10nm做晶体结构分析用的X射线的波长为:0.05～0.25nm

X射线谱

连续谱(白色射线)----波长连续变化特征谱(标识射线)----线状谱X射线谱连续谱

1）最短波长λ0

hν0=hc/λ0=eV；λ0=eV/hc=1239.81/V(nm)式中eV是电子达到靶子的动能，如果电子被停止，其全部能量转成辐射能，发射光子的能量等于电子的动能。是所发光子的最大能量。上式是早年这是测定Planck常数很好的方法

连续谱2）连续谱强度：强度是指单位时间内通过的光子数连续X射线的总强度是曲线下的面积，即:

连续X射线的总强度与管电压V、管电流i及阳极材料的原子序数Ｚ有如下关系（经验公式）：

连续谱特征谱特征谱是英国物理学家巴克拉：

BarklaCharlesGlover（1877.6.27-1944.10.23）于1911年发现的。Barkla还设计了原子结构的壳层模型，利用这种原子结构的壳层模型，可以解释特征X射线的产生机理。原子结构模型——壳层结构（1）主量子数n：决定电子的主要能量当n=1，2，3，4……时用K，L，M，N……符号表示具有相同n值的电子处于相同的电子壳层；n值大，则电子离核就远。（2）角量子数（l）决定电子绕核运动的角动量；确定电子的运动轨迹——轨道形状。当l=0，1，2……(n-1)进用s，p，d，f……表示相同n值时，随l值的增加，电子的能量稍有增加。（3）磁量子数（ml）决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。决定电子云在空间的伸展方向。ml=0，±1，±2，±3……±l，

数目为2l+1个当两个电子的n，l值相同时，ml不同时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时，能量不同。(4)自旋量子数ms决定自旋角动量沿磁场方向的分量ms=1/2，顺磁场ms=-1/2，反磁场当两个电子的n，l，ml值相同时，ms

不同时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时，能量不同。（5）原子核外电子的排布1保里原理：同一原子中不能有四个量子数

n，l，ml，ms完全相同的电子。2能量最低原理：应尽可能使体系的能量为最低。3洪特规则：在角动量量子数l值相同的轨道排布的电子，应尽可能分占不同的轨道，且旋平行。由此由得出原子核外电子的排布（一）角动量的偶合

（1）轨道角动量的偶合两个电子角动量的偶合规则：

L=l1+l2,l1+l2-1,l1+l2-2……│l1-l2│总轨道角动量在任意z方向的分量的本征值为ML(h/2π),量子数ML=-L,-L+1,-L+2……,+L多电子的偶合由按此规则依次偶合（2）自旋角动量的偶合与轨道角动量的偶合规则相似两个电子自旋角动量的偶合规则：

S=s1+s2,│s1-s2│多电子的偶合由按此规则依次偶合。当电子数为偶数时，S取0和正整数；当电子数为奇数时，S取正的半整数。总自旋S与总自旋量子数Ms之间有如下关系：量子数Ms=-S,-S+1,-S+2……,+S。（3）总角动量的偶合总角动量（J）的偶合规则：

J=L+S，L+S-1，L+S-2……│L-S│当L≥S时，J可取（2S+1）个数值；当L＜S时，J可取（2L+1）个数值总角动量为(J(J+1))]1/2(h/2π）量子数MJ=-J,-J+1,……,+J：数目为2J+1个核外电子的排布特征谱的产生机理

若X射线管的管电压超过某一临界值Vk时，电子的动能可以将阳极物质原子中的最内层电子轰击出来，就一过程称为激发。原子被激发后，在原子的最内层就形成空位，这样次外层及其它外层电子就会跃入此空位，同时将它们多余的能量(ΔE)以X射线光子的形式释放出来。原子核K系激发L系激发kLMN?特征谱的产生特征谱产生包括的两个过程a)激发----产生空位b)跃迁----填补空位跃迁必须满足选择定则

Δn≠0

Δi＝±1

Δj=±1或0

特征谱的产生跃迁种类：K系跃迁L,M,N,...─→K

L系跃迁

M,N,O,...─→L

M系跃迁N,O,.....─→MKα线和Kβ线Kα线：

L─→KKβ线：M─→K

特征X射线的相对强度主要是由(电子在各能级之间的)跃迁几率决定的。L层与K层较近，所以L层上的电子回跳几率大：

IKα＞IKβ

Kα线和

Kβ线Kα线和

Kβ线电子从L2和L3子壳层跳入K层空位的几率是的，但因处在L3子壳层上的电子数是四个，而处在L2壳层上的电子数只有二个，所以