第一章X射线的性质

第一章X射线的性质第1页，共57页，2023年，2月20日，星期一材料的分析方法主讲教师:胡锦莲

2016安徽工业大学本科生课程第2页，共57页，2023年，2月20日，星期一自查书目：(1)学校数字图书馆，“超星”里搜索有关材料分析类书(2)互联网网站搜索，小木虫论坛网站参考书目：

1)卢利平等著，《材料现代分析与测试技术》，，国防工业出版社，2010年1月第一版，（X射线衍射分析中引入了计算机程序对衍射数据分析）2）齐海群，《材料分析测试技术》，北京大学出版社，2011年10月

第一版3）谷亦杰等，《材料分析检测技术》，中南大学出版社，

2009年02月第一版教材：周玉，武高辉，材料分析测试技术----材料X射线衍射与电子显微分析，哈尔滨工业大学出版社，2007年8月第2版第3页，共57页，2023年，2月20日，星期一基本要求：掌握基本原理，了解常用实验方法，在实际工作中能正确选用本课程中介绍的实验方法，并能与专门从事X射线与电子显微分析的人员共同制定实验方案与分析实验结果1)知识2)技术3）高端设备4）思维素质培养：怎样学：认真+思考（利用好课堂，某些同学作业要独立）考察：平时成绩（出勤+听课回答问题状态+作业）30%期末成绩70%

课堂课后深入透彻理解+期末熟练掌握和记忆＝好成绩第4页，共57页，2023年，2月20日，星期一材料内部的成份、结构直接决定着材料的性能和应用。如何判定材料的成份和结构是材料学领域的关键问题。绪论问题1：假如你有一块黄橙橙的矿石，你能判断是否含有黄金吗？阿基米德方法？第5页，共57页，2023年，2月20日，星期一碳结构的变化问题2：你能区分不同结构的相同成分物质？锅烟灰---C60金刚石炭纳米管第6页，共57页，2023年，2月20日，星期一

在本次课程学习的主要材料分析方法：

(1)X射线衍射仪（XRD，X-Raydiffraction）

用于物相(或说结构）分析及其他[dɪ'frækʃn]透射电镜（TEM，TransmissionElectronMicroscope）

物相分析，和微观形貌[ˈmaɪkrəskəʊp]

(3)扫描电镜（SEM，ScanningElectronMicroscope）

表面形貌(4）电子探针显微分析（EPMA,ElectronProbeMicro-Analysis)：

微区成分分析,可作为两电镜的附件。[əˈnæləsɪs]

它分两类：

波长分散谱仪—波谱仪WDS,WavelengthDispersiveSpectrometer

能量分散谱仪—能谱仪EDS,EnergyDispersiveSpectrometer[spekˈtrɒmɪtə(r)]

第7页，共57页，2023年，2月20日，星期一光电子荧光（二次特征X射线

扫描电镜SEM样品1特征X射线二次电子高能电子入射透射电子（TEM）背散射电子衍射XRDXPSEDS/WDS

高能电子束与固体样品作用时产生的信号和6大材料分析手段X射线荧光谱分析样品2X射线样品2样品2第8页，共57页，2023年，2月20日，星期一X射线衍射仪(XRD)第9页，共57页，2023年，2月20日，星期一透射电镜（TEM）多晶体衍射花样单晶体衍射花样可进行物相分析第10页，共57页，2023年，2月20日，星期一50nm2nmTEM:

(2)可成像图a,b可形成衍射花样,进行物相分析,图c第11页，共57页，2023年，2月20日，星期一苍蝇的复眼扫描电镜图像扫描电微镜（SEM）第12页，共57页，2023年，2月20日，星期一第一部分材料X射线衍射分析常用来分析物相、晶格参数，应力等X-rayDiffraction第13页，共57页，2023年，2月20日，星期一

第一章X射线的性质

本章要点：1.X射线的本质2.X射线管的主要构造3.

X射线连续谱的特征、产生原因4.X射线特征谱产生过程，产生条件(难点)，命名,莫塞莱定律5.X射线与物质相互作用:散射(相干与非相干),

真吸收(光电子，荧光X射线,俄歇效应)6.X射线透过的强度公式，质量吸收系数7.二次特征辐射概念，吸收限(或称激发限)的概念及对应吸收曲线8.吸收限的应用----怎样滤波，一般怎样选耙第14页，共57页，2023年，2月20日，星期一电子束W.K.Rontgen伦琴于1901年获首届诺贝尔物理奖第一张X光照片伦琴1895年，伦琴发现了一种穿透力很强的射线——Ｘ射线

§１－１引言第15页，共57页，2023年，2月20日，星期一

X射线准直缝晶体····劳厄斑２.1912年劳厄（M.vonLaue）发现通过晶体时产生衍射现象,劳厄证实了X射线的波动性第16页，共57页，2023年，2月20日，星期一X射线的本质:波长很短的电磁波

§１－２X射线的本质●具有波粒二象性(实际上任何物质具波粒二象性）

波动性：以一定频率、波长在空间传播；

微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的●波长很短的电磁波0.01~100Å

用于晶体分析的λ=0.5~2.5Å质量、能量和动量。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期一其中：h为普朗克常数，c为X射线的速度，例：求200nm的一个光子所具有的能量第18页，共57页，2023年，2月20日，星期一（了解）附：电磁波谱

γ射线核能级跃迁

X射线原子内层电子的能级跃迁紫外光原子或分子外层电子的能级跃迁可见光原子或分子外层电子的能级跃迁红外光分子振动和转动能级的跃迁微波无线电波能量无线电波→微波→红外光→可见光→紫外光→X射线→γ射线第19页，共57页，2023年，2月20日，星期一（1）

X射线管的作用：

§

1-３X射线的产生及X射线管

（２）X射线管产生Ｘ射线的３条件：以高能电子打在靶材上产生X射线1）产生自由电子；2）电子作定向高速运动;3）使电子止住或突然减速的障碍物第20页，共57页，2023年，2月20日，星期一（3）X射线管的结构：

阴极：发射电子。由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由电子，奔向阳极。

阳极：亦称靶，是使电子突然减速并发射X射线。

通常的靶材有:Cu、Mo、Co等良好的循环水冷却，防止靶熔化

窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。通常用金属铍，第21页，共57页，2023年，2月20日，星期一X射线谱定义：X射线的强度--波长的关系曲线X射线管发射出来的X射线分为两种类型：一．连续X射线谱

二．特征X射线谱

强度（任意单位）波长（Å）35KV的管压下，钼靶的X射线

§1-４X射线谱连续X射线特征X射线第22页，共57页，2023年，2月20日，星期一一．连续X射线谱●特点：①波长连续变化。②有一个波长极限——短波限λmin。●产生原因：高速运动的电子受阻而减速时产生的电磁辐射，也叫轫致辐射。

电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转化为热能，一部分以x-ray释放。撞向阳极的电子目数很多，时间、条件不同，或多次碰撞逐步减少其能量。动能转换为x-ray的能量有多有少，射出x-ray的频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期一短波极限波长λmina.对应着极少数电子只经过一次碰撞，并且将全部能量eU转化为一个光量子。b.

短波限只与管电压有关，不受其它因素影响。I不同阳极WAgMo连续谱第24页，共57页，2023年，2月20日，星期一（了解）推导：设管电压为V，电子电量e，电场力做功，则电子获得动能为eV，当这一能量完全转化为光子的能量时得：第25页，共57页，2023年，2月20日，星期一连续X射线谱的强度----两种计算方法：1）光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光子数n和每个光子的能量2）或者：I-曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。第26页，共57页，2023年，2月20日，星期一●特点：①具有特定的波长。②当管电压超过某一特定值Vk时产生。③叠加在连续x-ray谱上的。二．特征X射线谱原子系统内的电子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级，能级是不连续的，K层靠近原子核，能量最低。管电压增加到一定数值，电子脱离出来，体系处于不稳定的激发态。电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识x-ray谱。●产生原因：与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。第27页，共57页，2023年，2月20日，星期一K壳层L壳层M壳层

内壳层电子被击出时，在内壳空位产生空位。外层电子向内壳空位填充时产生一个X射线光子特征X射线谱：第28页，共57页，2023年，2月20日，星期一第一步：高能电子把靶原子的内壳层电子打出，使原子电离，在内壳层上出现空位。第二步：原子中外电子向内壳层空位跃迁，跃迁的能量差转化成一个X射线光子。●特征X射线的产生过程：高能电子击出靶的内层电子，出现内层空位外层电子跃入填充，发射X光子即：第29页，共57页，2023年，2月20日，星期一K系辐射：

K层电子被打出，任意层上的电子向K层空位跃迁，产生光子。Kα：邻层向K层空位跃迁（LK）Kβ：隔层向K层空位跃迁（MK）Kγ：N层向K层空位跃迁（NK）L系辐射：L层电子被打出，其他层向L层空位跃迁，产生光子。M系辐射：M层电子被打出，其他层跃入填充，产生光子。●特征X射线谱的命名第30页，共57页，2023年，2月20日，星期一k层电子被迁出的过程叫k系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射为k系辐射。Kα是由Kα1和Kα2两条谱线组成，与原子能级的精细结构（亚能级）有关。

第31页，共57页，2023年，2月20日，星期一产生某系激发要阴极电子的能量eU

至少等于击出一个某层电子所作的功（将某层电子变成自由电子所需要的能量）。

临界激发电压：电子具足够能量把靶原子某一能级上的电子打掉，从而产生特征x-ray所必须达到的最低电压。对于同种原子：临界激发电压Vk>VL>VM>VN对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。●特征X射线谱产生条件：第32页，共57页，2023年，2月20日，星期一En(

eV)氢原子能级图-13.6-1.51-3.390n=1n=2n=3n=4n=5n=6选读

：氢原子能级图(稳态）第33页，共57页，2023年，2月20日，星期一

特征X射线的频率由靶原子能级的差值决定,只取决阳极靶材料的原子序数，是元素的固有特性。

莫塞莱定律描述了它与原子序数Z的关系。●特征X射线的波长：式中：z—靶材料的原子序数K—常数（与靶材物质总量子数有关）(看书P9-10)

σ—常数（与电子所在壳层位置有关）

第34页，共57页，2023年，2月20日，星期一连续谱的只能增加衍射花样的背底。V=（3～5）VK时，I标/I连最大，VK为临界激发电压●辐射源选择：在X射线的多晶体衍射中，主要利用Kα线做辐射源，L系或M系由于波长太长，容易被物质吸收，所以不利用●X射线管最佳工作电压：V=（3～5）VK看书:P10,表1-1第35页，共57页，2023年，2月20日，星期一一．连续X射线谱特点产生原因(减速辐射)

二．特征X射线谱特点产生原因(能级跃迁,或激发辐射)产生过程产生条件特征X射线命名

特征X射线的波长X射线谱的小结：三.在X射线的多晶体衍射中，主要利用Kα线做辐射源X射线管最佳工作电压：

V=（3～5）VK第36页，共57页，2023年，2月20日，星期一一束X射线通过物质时，它的能量可以分为三部分：

§1-5X射线与物质相互作用

散射

相干

非相干真吸收1.产生（普通）光电子、X射线的强度衰减的原因：“吸收”=真吸收+散射；

产生Auger电子（即俄歇效应）3.热透过的强度X射线作用于物质2.产生X射线荧光，或叫二次特征X射线第37页，共57页，2023年，2月20日，星期一X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程一束X射线通过物体后，其强度被衰减，是其散射和真吸收的结果，真吸收是造成强度衰减的主要原因。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期一一.X射线的散射可分为相干散射和不相干散射相干散射:X射线波长不变

在入射束电场的作用下，物质原子中的电子被迫围绕其平衡位置振动，向四周辐射与入射x-ray波长相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干条件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花样。相干散射是x-ray在晶体中产生衍射现象的基础。2.不相干散射:X射线波长变大第39页，共57页，2023年，2月20日，星期一二.物质对X射线的真吸收1.发出（普通）光电子发出俄歇电子（俄歇效应）2.X射线荧光（或二次特征X射线辐射，即以X射线照射3.热真吸收物体产生X射线）真吸收时产生电离效应，荧光效应，热效应等第40页，共57页，2023年，2月20日，星期一相关概念：光电子，X射线荧光当入射x光的能量足够大时，可以电离出被照物质原子中的电子，电离出的电子称为光电子,同时，较外层电子向空位层跃迁辐射出的次级特征X射线称为X射线荧光（二次特征X射线）。第41页，共57页，2023年，2月20日，星期一X射线荧光（二次特征X射线）产生条件:如果要产生K系X射线荧光,入射X射线的能量至少等于击出K层电子所作的功。为产生K系荧光辐射，入射光能量式中：VK—

把K层电子击出的最小电压

λK—把K层电子击出入射光最长波长

只有入射X射线的λ≤λK时才能产生K系荧光辐射。第42页，共57页，2023年，2月20日，星期一相关概念：俄歇(Auger)效应当激发源的能量足够大时，可以击出被照物质原子中的电子，击出的电子称为光电子,同时，较外层电子向空位层跃迁时产生的能量并没有以X射线的形式辐射出,而是打出某层的一个电子，该电子较电子叫俄歇电子，该效应俄歇(Auger)效应。俄歇(Auger)效应示意图引申：第43页，共57页，2023年，2月20日，星期一2）俄歇(Auger)效应：激发源打出电子较外层电子向空位跃迁的能量不产生X射线而是打出某层电子（俄歇电子）1）二次特征X射线：激发源（X射线)打出电子较外层电子向空位跃迁的能量产生X射线俄歇(Auger)效应示意图二次特征X射线与俄歇电子两者比较引申：第44页，共57页，2023年，2月20日，星期一每种物质的俄歇电子的能量大小只取决于该原子的三个能级（参与过程的三个能级能量），是元素的固有特征。每种元素都有自己的俄歇电子能谱（固有特征）。俄歇电子能谱可进行元素的成分分析及试样表面状态分析等。这种特征电子的能量较低，只有几百电子伏特，在固体表面以内深处即使有这种电子也跑不出来，仪器测量不到，所以利用俄歇效应设计的俄歇谱仪便成了对固体表面2-3层原子成分分析最适宜的仪器俄歇电子通常用参与过程的三能级来命名。即：初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、出射电子原在能级。（空位所在能级/跃迁电子原在能级/出射电子原在能级）例：K层电子被击出，L2层电子跳入K层空位，多余能量将L3层电子击出，俄歇电子表示为：KL2L3。俄歇电子特点俄歇电子命名引申：第45页，共57页，2023年，2月20日，星期一小结与引申:X射线光电子能谱(XPS)：被X射线击出壳层的电子。它带有壳层的特征能量,可用来进行成分分析。

俄歇电子能谱(AES)：俄歇电子带有三壳层的特征能量，仅由三壳层的能量决定。可用来进行成分分析X射线荧光：带有壳层的特征能量。可用来进行成分分析。

第46页，共57页，2023年，2月20日，星期一散射：无能量损失或损失相对较小只有相干散射才能产生衍射相干散射是进行材料晶体结构分析的工具真吸收：能量大幅度转换真吸收（产生光电子、X射线荧光、俄歇电子、热等，光电子、X射线荧光和俄歇电子这些信号带有元素的能级特征是进行材料成分分析的工具小结与引申：第47页，共57页，2023年，2月20日，星期一三.X射线的透过强度1.X射线的透过强度X射线通过物质时的衰减，是真吸收和散射造成的，主要是真吸收强度的衰减率与X射线在均匀物质内通过的距离dx成正比2.线吸收系数物理意义：X射线沿传播方向穿过单位长度物质时强度的衰减程度3.质量吸收系数：可用生物透视或工业产品探伤X射线沿传播方向穿过单位质量单位长度物质时强度的衰减程度ρ—吸收体密度第48页，共57页，2023年，2月20日，星期一加权平均与吸收体的疏密程度（密度）和物质状态无关，与X射线的λ及吸收体Z有关。μm随λ的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为吸收限，如K吸收线。

4.质量吸收系数大小：与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此a.b.c.d.第49页，共57页，2023年，2月20日，星期一四.吸收限及其应用定义:在吸收体质量吸收系数随x射线波长变化的图谱上，出现一些吸收极大值，此时对应着入射x射线刚好把吸收体元素的某内层电离。K吸收限波长：对应着对应着入射x射线刚好能把吸收体元素的K层电子电离。注意：（1）不管入射x射线的波长是等于、大于还是小于，吸收体对X射线都有吸收，吸收后可能转化为热能或X射线荧光等。在吸收限波长时，物质对X射线的吸收达到极值。（2）但若是要使得吸收体产生X射线荧光（二次特征射线），入射高能粒子的能量必须大于等于被照射体的某内层电子的电离能。例如：入射X射线的波长必须等于和小于才能产生K系荧光。１．吸收限第50页，共57页，2023年，2月20日，星期一曲线产生突变。不连续处极值称为吸收限。相应的波长为吸收限波长。单质的－λ曲线质量吸收系数与入射X射线波长的关系图第51页，共57页，2023年，2月20日，星期一2.吸收限的应用之一：滤波片利用特征x-ray进行物相分析时，只用单色Kα谱线，将Kβ等滤掉，需使用滤波片。滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点。滤波片材料根据靶元素而定，满足下列关系：

λKα(靶)＞λK(滤片)＞λKβ(靶)看书P10,表1-1很据靶材滤波片的选择方法:Z滤=Z靶－1（Z靶＜40)

Z滤=Z靶－2（Z靶＞=40）即靶元素的周期表前两位每种靶的滤波片是唯一的第52页，共57页，2023年，2月20日，星