第1章-X射线物理学基础

材料研究与测试方法管航敏化学与材料工程工系2023/10/16本课程的作用教学基本要求考核方式课程主要内容绪论2023/10/16一、本课程的作用本课程在材料研究领域中起着不同寻常的作用，它们将材料各专业的核心问题“组成—结构—性能”有机地联系在一起，从而实现本专业人才培养的目标。2023/10/16二、教学基本要求掌握1.各种测试技术的基本原理：X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；2.技术的应用：（1）仪器设备的基本构造与性能；（2）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分析处理能力；（3）具有进行物相初步鉴定的能力（4）各种研究方法与测试技术优缺点。2023/10/16三、考核方式由于本课程是专业主干课程、学位课程，所以闭卷且无复习题，亦实行N+2（一次小论文，一次过程考核，一次期末考试），但期末闭卷考试必须过50分才可通过。请各位注意！！2023/10/16第一篇X射线衍射分析第二篇电子显微分析第三篇热分析

四、课程主要内容2023/10/16第一篇X射线衍射分析第一章X射线物理学基础

§1-1X射线的产生及性质§1-2X射线谱§1-3X射线与物质的相互作用2023/10/16§1-1X射线的产生及性质

1895年德国物理学家伦琴（1901年获得首届诺贝尔奖）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，在材料工业及材料科学中X射线物相分析是一种重要分析方法。2023/10/16

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，既著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔奖)2023/10/16

此外，莫赛莱于1914年发现标识X射线的波长与原子序数的关系，奠定了X射线光谱学的基础。巴克拉（1917年，发现元素的特征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化学、生物、物理诺贝尔奖。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。

2023/10/161.X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10-12－10-8m，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2.5Ǻ到0.5Ǻ之间。2023/10/1610-610-311031061091012X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowavesWavelength(nm)可见光微波无线电波2023/10/16高能辐射区γ射线能量最高，来自于核能级跃迁

χ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的本质：电磁辐射按波长顺序排列波长长2023/10/162.X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。2023/10/16

具体形式：用高速加速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光的形式释放出來。高速电子撞击时减少的能量△E、所转化出来的X光波长λ，根据爱因斯坦公式△E＝hν＝hc/λ可表示为：λ＝ｈc/△E2023/10/16

量子原理：高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传送給原子中的电子，而使原子离子化。当原子內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。2023/10/163.X射线的产生X-射线：波长0.001-10nm的电磁波高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发，产生X射线辐射。2023/10/16X光管工作情形2023/10/16封闭式X射线管2023/10/16高功率旋转阳极电子束X射线2023/10/16加速器中可以引出X射线2023/10/16X射线产生必须具备的三个基本条件：(Ⅰ)产生自由电子;(Ⅱ)使电子作定向高速运动;(Ⅲ)有障碍物使其突然减速;2023/10/164.X射线的性质

①是电磁波，具有波粒二象性。

ε=h·ν=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。2023/10/16小结一、X射线的产生:三个基本条件;经典理论和量子理论解释；二、X射线的性质:

:10-12-10-8m、波动性、穿透能力、沿直线传播;三、X射线的应用:晶体结构测定，软、硬X射线。2023/10/16如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为相干的(coherent).不相干的光波(noncoherent)相互干扰，导致强度的减弱.在同一方向的射线称为准直的（平行的）collimatedbeam.电灯泡的光线是发散的,射向地球的太阳光基本是collimated。如果所有光波的频率相同（即波长一致），就之为单色的，反之为多色的。灯泡是多色的，激光是单色的。关于电磁波的三个术语2023/10/16§1-2X射线谱1、连续X射线谱2、X射线特征光谱2023/10/161．连续X射线谱（1）定义：是具有连续变化波长的X射线，也称白色X射线。2023/10/16（2）产生机理：主要有两种解释。经典物理学理论认为是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，表现出波长不同。2023/10/16（3）.连续X射线强度X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。连续X射线的总强度：强度是由单个光子的能量和数目两个因素决定的，所以连续X射线的总强度极大值不在光子能量最大的λ0处，而在1.5λ0

处。2023/10/16有：实验证明：计算表明，效率往往只有1%，很低，能量绝大部分生成热能损失。2023/10/16（4）连续X射线谱的特征在阳极靶所辐射的全部X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：E=1/2mν2=eU=hνmax=hc/λ0

有短波极限：λ0=1.24/Uλm位于1.5λ0处。2023/10/162023/10/16I固定，U变化(升高),在连续X射线谱上可看出：①各种波长射线的相对强度都相应地增高；②各曲线上都有短波极限，且短波极限值（λ。）逐渐变小；③各曲线的最高强度值(λm)的波长逐渐变小。2023/10/162023/10/162.特征X射线谱（1）定义（2）产生机理（3）作用2023/10/16（1）特征X射线谱定义：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。2023/10/16（2）X射线特征谱的产生X射线特征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。2023/10/16特征光谱产生：碰撞→跃迁↑(高)→空穴→跃迁↓(低)2023/10/16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—定性基础2023/10/162023/10/16跃迁定则：(1)主量子数

n≠0(2)角量子数

L=±1(3)内量子数

J=±1,0,J为L与磁量子数矢量和S

n=1,2,3，可分为线系,线系,线系；

L→K层K

：K1、K2;

M→K层K

：K1、K2；N→K层K

：K

1、K

2

M→L

层L

：L1、L2;N→L层L

：L1、L2

N→M层M

；M1、M22023/10/16（3）特征X射线的强度：(a).经验公式:如K系谱线强度(b).特征X射线与连续X射线的强度比：

U=3~5Uk有最大比值。(c).2023/10/16（4）特征光谱应用

不同元素具有自己的特征谱线—定性依据例如：L→K层；K

线系；n1=2，n2=1；2023/10/16莫塞莱定律：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如何，它发出的特征X射线均具有相同波长。谱线强度——定量；2023/10/16特征X射线小结1）具有特定波长的X射线，也称单色X射线；2）机理：入射电子能量等于或大于物质原子中内层电子的结合能，将内层电子激发掉，外层电子会跃迁到内层空位，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。2023/10/163）特征谱结构