第一章射线物理学基础

第一章射线物理学基础第1页，共50页，2023年，2月20日，星期一考核方式最后考试形式平时考勤和作业记入成绩教学改革X射线衍射相关的科研实例实验课程第2页，共50页，2023年，2月20日，星期一绪论现代材料分析技术是一门试验方法课，采用：X射线衍射电子显微镜分析材料：微观组织结构显微成分

第3页，共50页，2023年，2月20日，星期一材料和材料科学材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。材料科学：是一门研究材料组成（成分）、结构和性能以及它们之间关系的科学。材料科学大厦由金属材料、高分子材料和陶瓷材料三个支柱支撑。第4页，共50页，2023年，2月20日，星期一贯穿一个主线：

工艺应用组成结构性能X射线衍射和电子显微镜表征微观组织结构第5页，共50页，2023年，2月20日，星期一材料组成、结构、工艺（合成与制备）、性能（性质与使用性能）

第6页，共50页，2023年，2月20日，星期一一.材料的组织结构和性能1.组织结构与性能的关系结构决定性能是自然界永恒的规律。材料的性能（包括力学性能和物理性能）是由其内部的微观组织结构所决定的。2.微观组织结构控制认识材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件和过程机理。控制显微组织组织结构性能第7页，共50页，2023年，2月20日，星期一二.微观组织结构的内容1.微观化学成分（不同相的成分，基体与析出相的成分，偏析等）2.晶体结构与晶体缺陷（面心立方、体心立方、位错、层错等）3.晶粒大小与形态（等轴晶、柱状晶、枝晶等）4.相的成分、结构、形态、含量及分布（球、片、棒、沿晶界聚集或均匀分布等）5.界面（表面、相界与晶界）6.位向关系（惯习面、孪生面、新相与母相）7.夹质物8.内应力（喷丸表面、焊缝热影响区等）第8页，共50页，2023年，2月20日，星期一三.传统的显微组织结构与成分分析测试方法1.光学显微镜最常用、最简单的观察材料显微组织的工具。直接观察微观组织形态。分辨率低（200nm）和放大倍数低（约1000倍）。不能观察更小的组织形态和单元。只能观察表面形态而不能观察材料内部组织结构，更不能进行微区成分分析。2.化学分析只能测平均成分，但不能给出所含元素的分布。光谱分析给出的结果也是平均成分。微观成分的不均匀性不能检测。

第9页，共50页，2023年，2月20日，星期一四.X射线衍射与电子显微镜1.X射线衍射（X-RayDiffraction，XRD）

XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构，晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。是建立在一定晶体架构模型基础上的间接方法，即根据与晶体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分析计算出样品的晶体结构和晶格参数。无法把形貌观察和晶体结构分析微观同位地结合起来。

X射线聚焦困难，最小区域在毫米数量级，不能对更小区域进行单独选择性分析。第10页，共50页，2023年，2月20日，星期一2.电子显微镜（ElectronMicroscope,EM)

EM是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨率和高放大倍数的电子光学显微镜。

1）透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM)。分辨率10－1nm，放大倍数106倍。组织形貌和晶体结构。

2）扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）。分辨率1nm，放大倍数2×105倍。表面形貌观察。

3）电子探针显微分析（EletronProbeMicro-Analysis,EPMA)。微区化学成分。

SEM和EPMA结合起来，表面形貌观察和微区化学成分分析。第11页，共50页，2023年，2月20日，星期一第一篇材料X射线衍射分析第一章X射线物理学基础第二章X射线衍射方向第三章X射线衍射强度第四章多晶体分析方法第五章物相分析及点阵参数精确测定第六章宏观残余应力的测定第七章多晶体织构的测定第12页，共50页，2023年，2月20日，星期一第一章X射线物理学基础第13页，共50页，2023年，2月20日，星期一内容X射线的性质（波粒二相性）X射线的产生及X射线谱（适用工作的特征谱）X射线与物质的相互作用（相干散射为X射线衍射分析的基础）X射线的安全防护第14页，共50页，2023年，2月20日，星期一引言1895年11月8日，德国物理学家伦琴（W.CRöntgen)在研究真空管高压放电现象时偶然发现了。镀氰亚铂酸钡的硬纸板发出荧光。由于当时尚不了解这种辐射的性质，故称其为X射线，后人也称之为伦琴射线。1901年伦琴获第一个诺贝尔物理学奖。1912年，德国物理学家劳埃（M.vonLaue）发现X射线在晶体上的衍射。证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。获1914年诺贝尔物理学奖。受劳埃启发，1913年，布拉格（SirWilliamHenryBragg，SirWilliamLawrenceBragg）父子提出了著名的布拉格方程：

2dsinθ＝nλ1915年，布拉格父子获诺贝尔物理学奖，小布拉格年仅25岁。科学研究，医疗和技术工程上应用。第15页，共50页，2023年，2月20日，星期一伦琴发现X射线劳埃发现X射线衍射亨利·布拉格劳伦斯·布拉格第16页，共50页，2023年，2月20日，星期一第一节X射线的性质X射线是一种波长很短的电磁波。

X射线波长介于紫外线与γ射线之间。波长0.01~10nm。过去通常用单位埃（Å）。用于晶体衍射的X射线的波长在0.05~0.25nm。X射线具有波粒二相性波动性：以一定的频率ν和波长λ在空间传播；具有干涉、衍射和偏振等现象。粒子性：以大量光速运动的粒子组成的不连续粒子流。具有一定的质量m、能量E和动量P。与原子和电子相互作用，产生光电效应和荧光辐射等现象，与物质相互作用和交换能量。

第17页，共50页，2023年，2月20日，星期一X射线的这些粒子称为光量子。每个光量子的E和P分别为：式中，h为普朗克常数，6.626×10-34J·s，c为光速，2.998×108m/s。电磁波谱第18页，共50页，2023年，2月20日，星期一第二节X射线产生及X射线谱X射线是由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相作用而产生的。X射线产生要有几个基本条件：

1）产生自由电子；

2）使电子做高速运动；

3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。第19页，共50页，2023年，2月20日，星期一X射线管主要由阴极、阳极和窗口组成：（1）阴极：阴极的功能是发射电子。它由钨丝制成，在通过一定的电流加热后便能释放出热辐射电子。（2）阳极：阳极又称之为靶，是使电子突然减速并发射X射线的地方。主要的靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等。在软X射线装置中常用Al靶。（3）窗口：是X射线射出的通道，通常窗口有两个或四个，窗口材料既要求有足够的强度以维持管内的高真空度，又要求对X射线的吸收较小。金属铍，也有用硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。

第20页，共50页，2023年，2月20日，星期一X射线管剖面图由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：连续X射线谱和特征X射线谱（或标识X射线谱）。第21页，共50页，2023年，2月20日，星期一产生X射线的基本电气线路第22页，共50页，2023年，2月20日，星期一

其特点是X射线波长从一个最小值λswl向长波方向伸展，强度在λm处有一最大值。这种强度随着波长连续变化的谱线称连续X射线谱。λswl称该管电压的短波限。一.连续X射线谱管电压、管电流和阳极靶的原子序对连续谱的影响第23页，共50页，2023年，2月20日，星期一

连续谱受管电压U、管电流i和阳极靶材的原子序Z的作用，其相互关系的实验规律如下：

1）当提高管电压U时（i、Z不变），各波长X射线的强度都提高，短波限λswl和强度最大值对应的λm减小。

2）当保持管电压一定，提高管电流i，各波长X射线的强度一致提高，但λswl和λm不变。

3）在相同的管电压和管电流下，阳极靶材的原子序数Z越高，连续谱的强度越大，但λswl和λm不变。连续谱的总强度为：

式中，K1为常数。第24页，共50页，2023年，2月20日，星期一

当X射线管仅产生连续谱时，其效率为：

效率很低，大部分能量都耗费在使阳极靶发热。量子力学观点解释连续谱和短波限：电子动能eU，全部给予一个光量子，则，此光量子的波长即为短波限λswl

绝大多数到达阳极靶面的电子经过多次碰撞消耗其能量，每次碰撞产生一个光量子，故其能量均小于短波限，而产生的波长大于λswl的不同波长的辐射，构成连续谱。第25页，共50页，2023年，2月20日，星期一二.特征X射线谱当加于X射线管两端的电压增高到阳极靶材相应的某一特定值Uk时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一些列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可以作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只取决于阳极靶材元素的原子序。特征谱第26页，共50页，2023年，2月20日，星期一布拉格（W.H.Bragg)发现了特征谱。莫塞莱（H.G.J.Moseley)对其进行了系统的研究，得出莫塞莱定律：

式中，K2和σ都是常数。该定律表明：阳极靶材的原子序数越大，相应的同一系的特征谱波长越短。依据经典原子模型，各层上电子能量的表达式：

En为主量子数为n的壳层上电子的能量；n为主量子数。

第27页，共50页，2023年，2月20日，星期一

量子力学观点解释特征谱：当冲向阳极靶的电子将内层电子击出成为自由电子，原子处于高能的不稳定状态，自发向稳态过渡。K层出现空位，原子处于K激发态，若L层电子跃迁到K层，原子转变到L激发态，其能量差以X射线光量子的形式辐射出来，这就是特征X射线。L层电子跃迁到K层，发射Kα射线。

L层存在亚能级，不同亚能级上的电子跃迁到K层，所辐射的能量小有差别而形成波长较短的Kα1谱线和波长稍长的Kα2谱线。若M层电子跃迁到K层，则辐射波长更短的Kβ谱线。第28页，共50页，2023年，2月20日，星期一特征谱发射过程示意图第29页，共50页，2023年，2月20日，星期一所辐射的特征频谱频率计算公式：若n2=1(即K层），n1＝2（即L层），发射的Kα谱波长λkα为：式中，wn1、wn2分别为电子跃迁前后原子激发态的能量。第30页，共50页，2023年，2月20日，星期一进一步得到：K激发态下，L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的几率，所以Kα谱线的强度约为Kβ谱线的5倍。L层内不同亚能级电子向K层跃迁所发射的Kα1谱线和Kα2谱线的关系是：（I表示辐射强度）。特征谱的强度随管电压（U）和管电流（i）的提高而增大，其关系的实验公式为：

式中，K3为常数，Un为特征谱的激发电压，对于K系，Un＝Uk；m为常数（K系m＝1.5,L系m＝2）。第31页，共50页，2023年，2月20日，星期一多晶材料的衍射分析中总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即尽可能高的I特/I连。当U/Uk＝4时，I特/I连获最大值。X射线管适宜的工作电压U＝（3～5）Uk。第32页，共50页，2023年，2月20日，星期一靶材ZK系列特征谱波长/0.1nmK吸收限K/0.1nmUK/kVU适宜/kVK1K2KKCr242.289702.293612.291002.084872.070205.4320~25Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.4025~30Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.4730~35Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.0435~40Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4450~55表1-1几种阳极靶材及其特征谱参数注：K=(2K1+K2)/3第33页，共50页，2023年，2月20日，星期一第三节X射线与物质的相互作用X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这是X射线应用的基础。德国物理学家伦琴发现X射线时，就观察到它的穿透力，可使荧光物质发光，可使气体或其它物质电离等。入射到物质的X射线分为穿透，散射和吸收。第34页，共50页，2023年，2月20日，星期一一.X射线的透射系数和吸收系数X射线通过物质后的衰减X射线通过深度为x处的dx厚度物质其强度的衰减dIx/dx成正比µl为常数，成为吸收系数。经过积分得（积分限0～t）：称透射系数。第35页，共50页，2023年，2月20日，星期一线吸收系数µl表明物质对X射线的吸收特征。µl是X射线通过单位厚度（即单位体积）物质的相对衰减量。

X射线强度随投透入深度呈指数衰减。第36页，共50页，2023年，2月20日，星期一质量吸收系数µm，表示为:

式中，ρ为吸收体的密度。

式中，m为单位面积厚度t的体积中的物质的质量（m＝ρt）。µm的物理意义指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的衰减。这样就摆脱了密度的影响，成为反应物质本身对X射线吸收性质的物理量。第37页，共50页，2023年，2月20日，星期一质量吸收系数取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ，其关系的经验公式为：式中，K4是常数。原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数下降。随波长降低，µm在某些波长位置上突然升高，出现吸收限。

质量吸收系数随入射波长的变化第38页，共50页，2023年，2月20日，星期一二.X射线的真吸收光电效应解释吸收系数突变的现象。当入射光量子的能能量等于或略但与吸收体原子某壳层电子的结合能（即该层电子激发态能量）时，此光量子很容易被电子吸收，成为自由电子，称为光电子，原子则处于相应的激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应。此效应消耗大量的入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射波长即为吸收限。K层电子变成自由电子需要的能量时Wk，即引起激发态的入射光量子能量须达到此值。式中，νk和λk分别为K吸收限的频率和波长。第39页，共50页，2023年，2月20日，星期一对于同一元素,X射线发射谱与其吸收谱的关系：入射X射线所激发出来的特征X射线称为荧光辐射（荧光X射线，二次X射线）。用来进行较重元素的成分分析。K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位替代的过程称为俄歇效应。跃出的L层电子称为俄歇电子。用来进行表层轻元素的分析。光电效应所造成的入射能量消耗和X射线穿过物质时所引起的热效应，称为真吸收。第40页，共50页，2023年，2月20日，星期一光电效应、荧光效应和俄歇效应过程示意图第41页，共50页，2023年，2月20日，星期一

吸收限的应用可选择一种合适的材料，使其吸收限恰好位于特征谱的K和K波长之间，且尽可能靠近K线波长。把这种材料制成薄片—滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸收K线，而对K线吸收很少，可以获得基本上为单色的辐射。这种材料的K吸收限介于光源的λK和λK之间。滤波片原理示意图第42页，共50页，2023年，2月20日，星期一滤波片原子序数比靶元素的原子序数小1～2。第43页，共50页，2023年，2月20日，星期一在衍射分析时，希望试样对X射线的吸收尽可能少，以获得高的衍射强度和低的背底。靶的K谱(T)略大于或远小于试样的K

X射线管靶材的选择第44页，共50页，2023年，2月20日，星期一三.X射线的散射X射线穿过物质后强度产生衰减，强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应。强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散射。X射线的散射包括：与原波长相同的相干散射和与原波长不同的不相干散射。第45页，共50页，2023年，2月20日，星期一1.相干散射当入射X射线与受原子核束缚较紧的电子相遇，使电子在X射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与入射X射线波长相同的辐射。