第一章 X射线物理学基础

主要内容第一篇X射线衍射分析技术第一章X射线物理学基础

1.1X射线的发生及性质1.2X射线谱1.3X射线与物质的相互作用2023/10/141.1X射线的发生及性质1895年，德国物理学家伦琴(Röntgen,W.C.)在研究阴极射线时发现了X射线，后人为了纪念发现者也称它为“伦琴射线”。X射线技术目前在工业和科学技术中的应用十分广泛，在硅酸盐材料工程及材料科学中X射线物相分析是一种重要分析方法。2023/10/14X射线的本质X射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线、γ射线、宇宙射线一样，也是一种电磁波(或电磁辐射)，它的波长为10-12－10-8

m，在电磁波谱中位于紫外线与γ射线之间并与它们部分相重叠。一般波长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线，反之则称为软X射线。用于晶体衍射分析常用的X射线波长约在2.5Å到0.5Å之间。2023/10/14高能辐射区γ射线能量最高，来源于核能级跃迁

X射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称之。γ射线→

X射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波波长长2023/10/14X射线产生的原理电磁原理：

当带电粒子在加速或减速过程中，会释放出电磁波，在巨大加速或减速过程中，所释放的电磁波具有高能量，当其波长在10-12－10-8m则成

X光。2023/10/14

当高速运动的电子束撞击阳极靶时，高速电子受到靶原子的阻挡，急速停下来，其部分动能则以X光的形式释放出来。高速电子撞击时减少的能量∆E

，所转化出来的X光，其波长λ

，根据爱因斯坦公式

∆E

＝hν＝hc/λ可表示为：λ＝hc/∆E2023/10/14

高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传送给原子中的电子，而使原子离子化。当原子内层轨道的电子被激发后，其空位很快会被外层电子的跃入填满，在此电子跃迁的过程中，由于不同轨道间的能量差，X光会随着放出。此过程所产生的X光与原子中电子轨道的能量有关。2023/10/14

X射线：波长0.001～10nm的电磁波高速电子撞击使阳极原子的内层电子激发；产生X射线辐射X射线的产生2023/10/14X光管工作情形2023/10/14X射线发展史：1895年，德国物理学家Röntgen在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）。1912年，德国的Laue第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科—X射线衍射晶体学。（1914年获得诺贝尔奖）1913年，英国Bragg导出X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔奖)2023/10/14此外，巴克拉（1917年，发现元素的标识X射线），塞格巴恩（1924年，X射线光谱学），德拜（1936年），马勒（1946年），柯马克（1979年），等人由于在X射线及其应用方面研究而获得诺贝尔化学，生理，物理学奖。有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。2023/10/14X射线的发生必需具备的基本条件

(1)产生自由电子(2)使电子作定向高速运动(3)有障碍物使其突然减速2023/10/14X射线的性质①

是电磁波，具有波粒二象性：

ε=hν=h(c/λ)；

p=h/λ能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电效应等现象。与可见光比较，差别主要在波长和频率。

②

具有很强的穿透能力；通过物质时可被吸收使其强度减弱；能杀伤生物细胞。③

沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使其发生偏转。2023/10/14小结一、X射线的产生

X射线准直缝晶体····劳厄斑证实了X射线的波动性劳厄（Laue）实验（1912）-KAX射线X射线管+二、X射线的性质(10-2~102Å)2023/10/141.2X射线谱1、连续X射线谱2、X射线特征光谱

2023/10/141．连续X射线谱定义：是具有连续变化波长的X射线，也称多色X射线。产生机理：主要有两个原因。高速运动热电子的动能变成电磁波辐射能。数量极大的电子流射到阳极靶上时，由于到达靶面上的时间和被减速的情况各不相同，因此产生的电磁波具有连续的各种波长。近代量子理论认为是多次碰撞多次辐射的结果。由于碰撞次数不同，所以能量不同，表现出波长同。

2023/10/14连续X射线谱的特点在阳极靶所辐射的全部光子中，光子能量的最大值不能大于电子的能量，具有极大能量的光子波长，即为短波极限λ0。当eV=h·νmax=hc/λ0有短波极限：λ0=12400/V(Å)2023/10/14

特点

I固定，V变化（升高）,在一连续X射线谱上可看出：①各种波长射线的相对强度（I）都相应地增高；②各曲线上都有短波极限，且短波极限值（λ0）逐渐变小；③各曲线的最高强度值(λm)的波长逐渐变小。2023/10/142023/10/14X射线强度：在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上的光子数目的能量总和。注意：强度由光子的能量和数目两个因素决定的。所以连续X射线的强度不在光子能量最大的λ0处。2023/10/142.特征X射线谱1）定义

具有特定波长的X射线，也称单色X射线。2023/10/142）X射线特征光谱的产生X射线光谱涉及核内层电子能级的改变。当高能粒子（如电子、质子）或X射线光子撞击原子时，会使原子内层的一个电子被撞出，而使该原子处于受激态。被撞出电子的空位将立即被较高能量电子层上的一个电子所填充，在此电子层上又形成新的空位，该新的空位又能由能量更高的电子层上的电子所填充，如此通过一系列的跃迁（L

K，M

L，N

M），直至受激原子回到基态。2023/10/14X射线特征光谱的产生特征光谱产生：

碰撞→跃迁↑(高)→空穴→跃迁↓(低)特征谱线的频率：

R=1.097×107m-1,Rydberg常数；σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；n电子壳层数；c光速；Z原子序数；

不同元素具有自己的特征谱线——定性分析基础。

2023/10/14跃迁定则：(1)主量子数

n≠0(2)角量子数

L=±1(3)内量子数

J=±1，0J为L与磁量子数矢量和S；

n=1,2,3，

线系,线系,线系；L→K层K

；K1、K2M→K层K

；K1、K2N→K层K

；K

1、K

2M→L

层L

；L1、L2N→L层L

；L1、L2N→M层M

；M1、M22023/10/14特征光谱——定性依据L→K层；K

线系；n1=2，n2=1

2023/10/14不同元素具有自己的特征谱线——定性基础；谱线强度——定量依据；这一系列跃迁（除无辐射跃迁外）都以X射线的形式放出能量，即发射特征的X射线光谱。产生特征X射线光谱线的示意图如下：2023/10/14

2023/10/14特征X射线谱的作用莫塞莱定律：√1/λ＝K(Z－σ)式中：λ是波长；K、σ常数；Z原子序数这个公式表明：只要是同种原子，不论它所处的物理状态和化学状态发，它发出的特征X射线均具有相同波长。2023/10/14特征X射线谱

小结1）定义：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。2）产生机理：入射电子能量等于或大于物质原子中K层电子的结合能，将K层电子激发掉，外层电子会跃迁到K层空位，因外层电子能量高，多余的能量就会以X射线的形式辐射出来，两个能级之间的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波长也是固定的：

En2－En1=h（c/λ）2023/10/143）特征谱结构

K系特征谱：Kα、Kβ、Kγ,Kα(Kα1、Kα2)4）λ与Z的关系√1/λ＝K(Z－σ)

荧光X射线光谱分析（XRF、XFS）2023/10/141.3X射线与物质的相互作用

散射相干非相干X射线作用于物质吸收光电效应