材料分析方法 第一章 X射线物理基础

第一章X射线物理学基础第一章X射线物理学基础•内容提要：•第一节X射线的性质•第二节X射线的产生•第三节X射线谱•第四节X射线与物质的相互作用•第五节X射线的衰减规律•第六节吸收限的应用第一章X射线物理学基础引言1、X射线学的发展•①1895年德国物理学家“伦琴”发现X射线。1901年伦琴获诺贝尔奖。之后逐步建立了“X射线透射学”，最早应用于医学，后应用于工业。第一章X射线物理学基础•②1912年，德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现象，并提出了一组衍射方程。•（两方面意义：肯定了X射线的本质；证实了晶体结构的猜想。）•1913年，英国物理学家布拉格父子提出了著名的布拉格方程，是X射线的衍射学的理论基础。•之后发展了X射线学的另一分支：“X射线衍射学”（或“X射线晶体学”）。第一章X射线物理学基础•③1914年，莫塞莱发现不同元素的同名特征X谱线的波长和原子序数有定量的对应关系。•发展了第三个分支“X射线光谱学”。（即根据X射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）第一章X射线物理学基础X射线学的分支X射线透射学X射线衍射学X射线光谱学第一章X射线物理学基础2、X射线衍射分析在材料科学中的应用•①晶体结构研究。•解决晶体的结构类型和晶胞大小，原子在单胞中的位置、数量等，用来研究晶体的微观结构。•②物相分析。•③精细结构研究。•材料中的宏观、微观应力的测定、晶粒大小的研究属于这一范畴。•④单晶体取向及多晶织构的测定。等第一章X射线物理学基础第一节X射线的性质•一、X射线的性质•①不可见•X射线波长短，为不可见光。•但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。•②折射率≈1•X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线会聚或发散。第一章X射线物理学基础•③穿透性强•能穿过不透明的物体。•软X射线的波长与晶体的原子间距在同一数量级，易在晶体中发生散射、干涉和衍射，常用于晶体的X射线衍射分析。硬X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。•④对生物细胞有杀伤作用。第一章X射线物理学基础二、X射线的本质•1、X射线的本质•也是电磁波；波长范围：0.001～10nm。第一章X射线物理学基础2、X射线的波粒二象性•波动性的表现：以一定的频率和波长在空间传播，例如当X射线与X射线之间发生相互作用时；•描述波动性的物理量：频率ν、波长λ•粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，例如当X射线与电子、原子之间发生相互作用时。•描述粒子性的物理量：能量E、动量P第一章X射线物理学基础•波动性和粒子性之间存在下述关系：hchEchhp•式中，c—光速；•h—普朗克常数，6.626×10-34J•s。第一章X射线物理学基础第二节X射线的产生•一、X射线产生原理•实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会产生X射线。•实际用于获得X射线的带电粒子是电子。第一章X射线物理学基础•电子式X射线管产生X射线的条件：•(1)产生电子的电子源；•(2)使电子作定向高速运动；•(3)在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子突然受阻而停止。•(4)封闭在高真空中，真空度高于10-3Pa。第一章X射线物理学基础二、X射线管•1、封闭电子式X射线管的结构•封闭电子式X射线管与其结构示意图第一章X射线物理学基础•(1)阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；•(2)阳极/靶：使电子突然减速并发射X射线的地方。•不同的靶面材料用于获得不同波长的X射线。•(3)阴极和阳极之间的高压使电子作定向高速运动；•(4)阴、阳极都密封在高真空管中，真空度10-3Pa。•其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第一章X射线物理学基础•封闭电子式X射线管的功率有限，为500～3000W。•2、旋转阳极•大功率X射线源需要用旋转阳极。•因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。•目前有100kW的旋转阳极。第一章X射线物理学基础第三节X射线谱•X射线的强度•X射线强度：单位时间内，通过垂直其传播方向的单位截面的X射线的能量，用I表示。•常用单位：J/cm2·s。•以波动形式描述，强度与波的振幅平方成正比(I∝A2)；•按粒子形式表达，强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。(光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。)第一章X射线物理学基础•X射线谱：X射线强度随波长变化的关系曲线。•由X射线管发出的X射线可以分为两种类型：•(1)连续X射线谱；•(2)特征X射线谱（又称标识X射线谱）。•它们对应两种X射线辐射的物理过程。第一章X射线物理学基础一、连续X射线谱•1、定义•X射线谱中，强度随波长连续变化的部分，称为连续X射线谱，简称连续谱。•2、连续谱的特点•①不同管压下，连续谱在短波方向都有一个突然截止的波长极限值，称为短波限，用λ0表示。•②X射线波长从一最小值向长波方向伸展；•③强度存在一最大值（在大约1.5λ0处，用λm表示）。•④对同一靶材，不同管压下的连续谱的变化规律。第一章X射线物理学基础3、连续X射线谱的解释•①连续谱的产生•量子理论：•当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子。•由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一少部分电子能产生极限能量交换，绝大多数电子经多次碰撞完成能量交换，而辐射出波长大于λ0的不同波长的X射线，形成连续谱。第一章X射线物理学基础②短波限•极限情况下，能量为eV的电子在一次碰撞中将其在电场中加速得到的全部动能转给一个光子，则此光子的能量最大，波长最短，相当于短波限λ0的X射线。0maxhcheUeUhc0表明：λ0只与管电压有关，不受其它因素的影响；随管电压增加，λ0向短波方向移动。第一章X射线物理学基础③强度最大值位于1.5λ0附近•X射线强度由每个光子的能量hv和单位时间通过单位面积的光子数目n两个因素决定,即I=nhv。•在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度的极大值不在λ0处，而位于1.5λ0附近。第一章X射线物理学基础•④对同一靶材，不同管压下的连续谱的变化规律。•当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的X射线光子的能量都会增加，因此随管压的增加，各波长X射线的强度均增加。第一章X射线物理学基础二、特征X射线谱•1、定义•叠加在连续谱上的强度很高且具有一定波长的X射线谱，称为特征X射线谱，简称特征谱。•如钼靶X射线管，当管电压等于或高于20kV时，则除连续谱外，位于一定波长处（0.063nm和0.071nm）,叠加有少数强谱线。第一章X射线物理学基础•2、特点•①产生特征X射线的条件：管电压超过与靶材相应的某一特定值UK；•②对一定的靶材，特征X射线波长为一定值。•③λKαλKβ,且同一元素对应谱线的强度比大约为5：1。第一章X射线物理学基础3、对特征谱的解释•①特征谱的产生以及特征X射线波长为一定值的原因从原子结构观点解释。原子系统中的电子不连续地分布在K、L、M、N…等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加：εKεLεM…。第一章X射线物理学基础特征X射线的命名：•同一辐射线系还有区别。•对跨越1、2、3个能级所引起的辐射分别以下角标α、β、γ等表示。•例如：Kα、Kβ谱线；Lα、Lβ谱线。K系激发：K层电子被击出的过程叫K系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫K系辐射（辐射出特征X射线）。依此类推，有L系激发、L系辐射等。第一章X射线物理学基础•例如，产生K辐射时，特征X射线光子的能量为电子跃迁前后两能级的能量差：KLLKKEEWWh•辐射的能量为多少？物质一定，辐射出的X射线波长一定，代表了该元素的特征，故称之为特征X射线。特征X射线的波长仅与靶材的原子序数有关；改变管电压、管电流，只改变特征X射线的强度而波长不变。第一章X射线物理学基础②激发电压（UK）•激发电压—激发靶材辐射出特征X射线所需的管电压的临界值，称为激发电压。如产生K系辐射，表示为UK。•欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，必须满足：•临界条件：KKEWeUKKKKhWEeU第一章X射线物理学基础阳极靶材的原子序数越大，同一辐射的激发电压越高！适宜工作电压第一章X射线物理学基础•由于愈靠近原子核的内层电子的结合能愈大，所以击出同一靶材原子的K、L、M等不同内层上的电子，就需要不同的UK、UL、UM等激发电压。•说明：•当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。•除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。第一章X射线物理学基础③，且•Kα辐射是由L→K层电子跃迁产生，Kβ辐射是由M→K层电子跃迁产生，后者两能级之差大于前者，故；•特征X射线强度还与光子的数目有关，根据量子跃迁几率，相邻电子壳层跃迁几率(L→K层跃迁)大于非相邻电子壳层跃迁几率(M→K跃迁),且前者比后者大五倍左右，故。KK1:5:KKIIKK1:5:KKII第一章X射线物理学基础4、莫塞莱定律•特征X射线谱的波长（或频率）是物质的固有特性。•莫塞莱定律——特征谱波长和阳极靶原子序数Z之间的关系：••式中，K和都是常数。•用途：是X射线光谱分析的基本依据。即将实验测得的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知元素的波长相比较，就可以确定它是何元素。ZK1第一章X射线物理学基础X射线谱小结产生机理谱图特征与衍射分析的关系连续谱高速运动的带电粒子能量转换成的电磁波强度随波长连续变化形成衍射分析的背底;特征谱高能级电子回跳到低能级时,多余能量转换成的电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用第一章X射线物理学基础第四节X射线与物质的相互作用•一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：•(1)一部分被散射;•(2)一部分被吸收;•(3)一部分透过物质继续沿原来的方向传播。•透过物质后的X射线束由于散射和吸收的影响，强度被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。第一章X射线物理学基础一、X射线的散射•入射X射线与物质作用，使一部分X射线穿过物质后偏离原来的入射方向，即发生了X射线的散射。•两种散射现象：第一章X射线物理学基础1、相干散射(弹性散射、经典散射)•相干散射：散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，这种散射称为相干散射。•经典物理学理论解释：•入射X射线光子与原子内受核束缚较紧的电子(如原子内层电子)发生碰撞，入射光子的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚，但电子在入射X射线交变电场作用下产生与入射波频率相同的受迫振动，向周围辐射与入射X射线波长相同的电磁波；第一章X射线物理学基础•发生上述散射时，光子的方向改变了，但能量几乎没有损失，散射线波长与入射波相同，有可能相互干涉。•晶体中的原子，在入射X射线的作用下都产生这种散射，且原子的规则排列使散射线之间有确定的相位关系，于是在空间形成了相干散射。•相干散射的意义：•相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的物理基础。第一章X射线物理学基础2、非相干散射（康普顿散射、非弹性散射）在偏离原射束方向上，不仅有与原射线波长相同的相干散射波，还有波长变长的的非相干散射波。非相干散射：散射X射线的波长随散射方向不同而改变，分布于各个方向的散射线，波长各不相等，不能产生干涉现象。这种散射称为非相干散射。第一章X射线物理学基础•量子理论解释：•X射线光子与原子中受核束缚较弱的电子或自由电子发生碰撞时，X射线光子把部分能量给予电子，使其动量提高，成为反冲电子，而X射线朝着散射角为α的方向被散射，且能量减少，即波长变长。cos10243.0'第一章X射线物