Chapter1.X-raydiffraction课件

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1、Chapter1.X-Chapter1.X-raydiffractionraydiffraction课件课件绪绪 论论1895年德国物理学家年德国物理学家-“伦琴伦琴”发现发现X射线射线1895-1897年伦琴搞清楚了年伦琴搞清楚了X射线的产生、射线的产生、传播、穿透力等大部分性质传播、穿透力等大部分性质1901年伦琴获诺贝尔奖年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进行了晶体的年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验射线衍射实验1.布拉格定律布拉格定律(1)布拉格方程的导出布拉格方程的导出波的合成示意图波的合成示意图布拉格方程的导出布拉格方程的导出晶体对晶体对X X射线的衍射射线的衍射布拉格方程的导出布拉格方

2、程的导出衍射现象示意图衍射现象示意图（2）导出布拉格方程的前提）导出布拉格方程的前提考虑到：考虑到：（1 1）晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行）晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（且晶面间距（d d）相等的原子面组成；）相等的原子面组成；（2 2）X X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上；射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上；（3 3）光源及记录装置至样品的距离比）光源及记录装置至样品的距离比d d 数量级大得多，数量级大得多，故入射线与反射线均可视为平行光。故入射线与反射线均可视为平行光。布拉格将布拉格将X X射线的射线的“选择反射选择反射”解释

3、为：解释为：入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了自产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了“选择反选择反射射”的结果。的结果。（3）衍射和反射的相似之处）衍射和反射的相似之处入射束、反射面法线、反射束均处于同一平面上；入射束、反射面法线、反射束均处于同一平面上；入射角等于反射角。入射角等于反射角。（4）衍射和反射的区别）衍射和反射的区别（i）被晶体衍射的）被晶体衍射的X射线是由入射线在晶体中所经过路程射线是由入射线在晶体中所经过路程上的所有原子散射干涉的结果，而可见光的反射是在极表上的所有

4、原子散射干涉的结果，而可见光的反射是在极表层上产生的，可见光反射仅发生在两种介质的界面上；层上产生的，可见光反射仅发生在两种介质的界面上；（ii）单色）单色X射线的衍射只在满足布拉格定律的若干个特殊射线的衍射只在满足布拉格定律的若干个特殊角度上产生（选择衍射），而可见光的反射可以在任意角角度上产生（选择衍射），而可见光的反射可以在任意角度产生；度产生；（iii）可见光在良好的镜面上反射，其效率可以接近）可见光在良好的镜面上反射，其效率可以接近100%，而，而X射线衍射线的强度比起入射线强度却微乎其微。射线衍射线的强度比起入射线强度却微乎其微。u还需注意的是还需注意的是X射线的反射角不同于可见光

5、反射角，射线的反射角不同于可见光反射角，X射线射线的入射线与反射线的夹角永远是的入射线与反射线的夹角永远是2。它它反反映映出出的的信信息息是是大大量量原原子子散散射射行行为为的的统统计计结结果果，此此结结果果与与材材料料的的宏宏观观性性能能有有良良好好的的对对应应关关系系。它它的的不不足足之之处处是是它它不不可可能能给给出出结结构构内内实实际际存存在在的的微微观观成成分分和和结结构构的的不不均均匀匀性性的的资资料料，且且不不能能分分析析微微区区的的形形貌貌，化化学学成成分分以以及及元元素素离离子子的的存存在状态在状态。2.X2.X射线衍射分析的本质射线衍射分析的本质3.布拉格方程的讨论布拉格方

6、程的讨论(1)(1)布拉格方程描述了布拉格方程描述了“选择反射选择反射”的规律。产生的规律。产生“选择反射选择反射”的方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足市拉的方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足市拉格方程的方向；格方程的方向；(2)(2)布拉格方程表达了反射线空间方位布拉格方程表达了反射线空间方位()与反射晶面面间距与反射晶面面间距(d)(d)及人射线方位及人射线方位()和波长和波长()的相互关系；的相互关系；(3)(3)入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面产生的入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面产生的反射方向上的相干散射线。而被接收记录的样品反射线实质

7、是反射方向上的相干散射线。而被接收记录的样品反射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线；各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线；(4)(4)布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基元，原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉为散射基元，原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉(叠叠加加)的结果。的结果。布拉格方程的讨论布拉格方程的讨论(5)(5)衍衍射射产产生生的的必必要要条条件件 “选选择择反反射射”即即反反射射定定律律布布拉拉格格方方程是衍射产生的必要条件。程是衍射产生的必要条件。布布拉

8、拉格格方方程程由由原原子子面面反反射射方方向向上上散散射射线线的的干干涉涉(一一致致)加加强强条条件件导导出出，而而各各原原子子面面非非反反射射方方向向上上散散射射线线是是否否可可能能因因干干涉涉(部部分分)加强从而产生衍射线呢加强从而产生衍射线呢?“选选择择反反射射”作作为为衍衍射射的的必必要要条条件件，意意味味着着即即使使满满足足“选选择择反射反射”条件的方向上也不一定有反射线。条件的方向上也不一定有反射线。由由于于sinsin 1 1，所所以以n n/2d/2d=sinsin 1,1,即即n n 2d2d，对对于于衍衍射射而而言言，n n的的最最小小值值为为1 1，所所以以在在任任何何可

9、可观观测测的的衍衍射射角角度度下下，产产生生衍衍射射的的条条件件为为：2d2d。这这就就是是说说，能能够够被被晶晶体体衍衍射射的的电电磁磁波波的的波波长长必必须须小小于于参参加加反反射射的的晶晶面面的的最最小小面面间间距距的的2 2倍倍。同同理理，必必然然有有d d /2/2，即即：只只有有那那些些晶晶面面间间距距大大于于入入射射X X射射线线波波长长一一半的晶面才能发生衍射。半的晶面才能发生衍射。4.X射线最早的应用射线最早的应用在在X射线发现后几个月射线发现后几个月医生就用它来为病人医生就用它来为病人服务服务右图是纪念伦琴发现右图是纪念伦琴发现X射线射线100周年发行的纪周年发行的纪念封念

10、封5.X射线的性质射线的性质人的肉眼看不见人的肉眼看不见X X射线，但射线，但X X射线能使气体电离，射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。荧光物质发出荧光。X X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。当穿过物体时仅部分被散射。X X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。X射线也是电磁波的一射线也是电磁波的一种，波长在种，波长在1

11、0-8cm左左右右6.X射线的本质射线的本质X X射线具有波粒二相性射线具有波粒二相性X射线的强度是衍射波振幅的平方（射线的强度是衍射波振幅的平方（），），也是单位时间内通过单位截面也是单位时间内通过单位截面的光量子数目。的光量子数目。7.X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管X射线的产生：射线的产生：X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞射线是高速运动的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击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。子相互作用而产生的。X射线产生的条件射线产生的条件1 1）产生自由电子；）产生自由电子；2 2）使使自自由由电电子子作作定定向高速运动；

12、向高速运动；3 3）在在电电子子运运动动的的路路径径上上设设置置使使其其突突然减速的障碍物。然减速的障碍物。X射线管示意图射线管示意图X射线射线电子电子真空管真空管冷却液冷却液KAX射线管的结构为：射线管的结构为：X射线管射线管（1）阴阴极极发发射射电电子子。一一般般由由钨钨丝丝制制成成，通通电电加加热热后释放出热辐射电子。后释放出热辐射电子。（2）阳阳极极靶靶，使使电电子子突然减速并发出突然减速并发出X射线。射线。（3）窗窗口口X射射线线出出射射通通道道。既既能能让让X射射线线出出射射，又又能能使使管管密密封封。窗窗口口材材料料用用金金属属铍铍或或硼硼酸酸铍铍锂锂构构成成的的林林德德曼曼玻玻

13、璃璃。窗窗口口与与靶靶面面常常成成3-6的的斜斜角角，以以减减少少靶靶面面对对出射出射X射线的阻碍。射线的阻碍。X射线管射线管（4）高速电子转换成）高速电子转换成X射线的效率只有射线的效率只有1%，其余，其余99%都都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极；大功率需要用旋转阳极；（5）焦点）焦点阳极靶表面被电子轰击的一块面积，阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是

14、就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点；形灯丝产生长方形焦点；X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间辨率；高强度则可缩短暴光时间旋转阳极旋转阳极 上述常用上述常用X射线管的功率为射线管的功率为5003000W。目前还有旋转。目前还有旋转阳极阳极X射线管、细聚焦射线管、细聚焦X射线射线管和闪光管和闪光X射线管。射线管。因阳极不断旋转，电子束轰因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改

15、变，故提高功击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率的旋转阳极，其功率比普通比普通X射线管大数十倍。射线管大数十倍。旋转阳极旋转阳极加速器中可以引出加速器中可以引出X X射线射线加速器中可以引出加速器中可以引出X X射线射线 8.X射线谱射线谱-连续连续X射线谱射线谱X射射线线强强度度与与波波长长的的关关系系曲曲线线，称称之之X射线谱。射线谱。在在管管压压很很低低时时，小小于于20kv的的曲曲线线是是连连续续变变化化的的，故故称称之之连连续续X射射线线谱谱，即即连续谱。连续谱。对连续对连续X射线谱的解释射线谱的解释1根据经典物理学的理

16、论，一个带负电荷的电子作根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续波长，形成连续X X射线谱。射线谱。对连续对连续X射线谱的解释射线谱的解释2量量子子力力学学概概念念，当当能能量量为为ev的的电电子子与与靶靶的的原原子子整整体体碰碰撞撞时

17、时，电电子子失失去去自自己己的的能能量量，其其中中一一部部分分以以光光子子的的形形式式辐辐射射出出去去，每碰撞一次，产生一个能量为每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即的光子，即“韧致辐射韧致辐射”。大大量量的的电电子子在在到到达达靶靶面面的的时时间间、条条件件均均不不同同，而而且且还还有有多多次次碰碰撞撞，因因而而产产生生不不同同能能量量不不同同强强度度的的光光子子序序列列，即即形形成成连连续续谱。谱。极极限限情情况况下下，能能量量为为ev的的电电子子在在碰碰撞撞中中一一下下子子把把能能量量全全部部转转给给光光子子，那那么么该该光光子子获获得得最最高高能能量量和和具具有有最最短短波波长长，

18、即即短短波波限限0。都都有有一一个个最最短短波波长长，称称之之短短波波限限0，强强度度的的最最大大值值在在0的的1.5倍处。倍处。eV=hvmax=hc/00=1.24/V（nm）8.X射线谱射线谱-特征特征X射线谱射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。保持不变。钼靶钼靶X射线管当管电压等于或高于射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续时，则除连续X射线谱外，位射线谱外，

19、位于一定波长处还叠加有少数强谱线，于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征它们即特征X射线谱。射线谱。钼靶钼靶X射线管在射线管在35KV电压下的谱线，电压下的谱线，其特征其特征x射线分别位于射线分别位于0.63和和0.71处，后者的强度约为前者强度的五处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的倍。这两条谱线称钼的K系系 特征特征X射线的产生机理射线的产生机理特征特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。原子壳层按其能量大小分为数层，通常用原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母等字母代表它们的名称。代表它们的名称。但当管电压达到

20、或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。壳层或击出原子外，使原子电离。阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。原子处于激发状态。如果如果K层电子被击出层电子被击出K层，称层，称K激发，激发，L层电子被击出层电子被击出L层，称层，称L激发，其余各层依此类推。激发，其余各层依此类推。产生产生K激发的能量为激发的能量为WK

21、hK，阴极电子的能量必须满足，阴极电子的能量必须满足eVWKhK，才能产生，才能产生K激发。其临界值为激发。其临界值为eVKWK，VK称称之临界激发电压。之临界激发电压。特征特征X射线的产生机理射线的产生机理处于激发状态的原子有自发回到稳处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以时，多出的能量以X射线形式辐射射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐

22、两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征射出的特征X射波长一定。射波长一定。当当K电子被打出电子被打出K层时，如层时，如L层电层电子来填充子来填充K空位时，则产生空位时，则产生K辐射。辐射。此此X射线的能量为电子跃迁前后两射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即能级的能量差，即特征特征X射线的命名方法射线的命名方法同样当同样当K空位被空位被M层电子填充时，则产生层电子填充时，则产生K辐射。辐射。M能级与能级与K能能级之差大于级之差大于L能级与能级与K能级之差，即一个能级之差，即一个K光子的能量大于一个光子的能量大于一个K光子的能量；光子的能量；但因但因LK层跃迁的几率比层跃迁的几率比MK迁附

23、几率大，迁附几率大，故故K辐射强度比辐射强度比K辐射强度大五倍左右。辐射强度大五倍左右。显然，显然，当当L层电子填充层电子填充K层后，原子由层后，原子由K激发状态变成激发状态变成L激发状激发状态，此时更外层如态，此时更外层如M、N层的电子将填充层的电子将填充L层空位，产生层空位，产生L系系辐射。因此，当原子受到辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生激发时，除产生K系辐射外，还将伴系辐射外，还将伴生生L、M等系的辐射。除等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全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。吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。K双线的产生与原子能级的精细结构相

24、关。双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的层的8个电子的能个电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。量并不相同，而分别位于三个亚层上。K双线系电子分别由双线系电子分别由L和和L两个亚层跃迁到两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而由层时产生的辐射，而由LI亚层到亚层到K层因层因不符合选择定则（此时不符合选择定则（此时l0），因此没有辐射。），因此没有辐射。小 结连续谱连续谱(软软X射线射线)高速运动的粒高速运动的粒子能量转换成子能量转换成电磁波电磁波谱图特征谱图特征:强强度随波长连续度随波长连续变化变化是衍射分析的背是衍射分析的背底底;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射线射线)高能

25、级电子回高能级电子回跳到低能级多跳到低能级多余能量转换成余能量转换成电磁波电磁波仅在特定波长仅在特定波长处有特别强的处有特别强的强度峰强度峰衍射分析采用衍射分析采用莫赛莱定律莫赛莱定律特征特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫赛莱发现物质发出的特征谱波长与它本身年莫赛莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系：的原子序数间存在以下关系：根据莫赛莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征根据莫赛莱定律，将实验结果

26、所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。何元素。它是它是X射线光谱分析的基本依据射线光谱分析的基本依据 9.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。并且吸收是造成强度衰减的主要原因。X射线的散射射线的散射当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用

27、下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。由于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，故称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。X射线经束缚力不大的射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射可以得到波长比入射X射线长的射线长的X射线，且波射线，且波长随散射方向不同而改长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一康普顿散射或康

28、普顿一吴有训散射吴有训散射,也称之为也称之为不不相干散射相干散射，是因散射线，是因散射线分布于各个方向，波长分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干各不相等，不能产生干涉现象。涉现象。小小 结结相干散射相干散射因为是相干波所以可以干涉加强因为是相干波所以可以干涉加强.只有相干散射才能产生衍射只有相干散射才能产生衍射,所以相所以相干散射是干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础不相干散射不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生因为不相干散射不能干涉加强产生衍射衍射,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍射的背底底X射线的吸收射线的吸收物质对物质对X射线的吸收，是指射线的吸收，是指X射线通过

29、物质时光子射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。的能量变成了其他形式时能量。有时将有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。吸收。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射使入射X射线的能量变成射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光电子、俄歇电子和荧光光X射线射线的能量，使的能量，使X射线强度被衰减，是物质对射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。射线的真吸收过程。光电效应光电效应-光电子和荧光光电子和荧光X射线射线光电效应光电效应2-俄歇效应俄歇效应俄歇（俄歇（Auger，M.P.）在）在1925

30、年发现，原子中年发现，原子中K层的一个电子层的一个电子被打出后，它就处于被打出后，它就处于K激发状态，其能量为激发状态，其能量为EK。如果一个。如果一个L层层电子来填充这个空位，电子来填充这个空位，K电离就变成电离就变成L电离，其能量由电离，其能量由EK变成变成EL，此时将释放，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即即K层的一个空位被层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应。应。从从L层

31、跳出原子的电子称层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。不的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其平均自由程非常，其平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。因此，俄歇谱仪是研究

32、物质表面微区成分的有力工具。光电效应光电效应2-俄歇效应俄歇效应 光电效应小结光电效应小结光电子光电子被被X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子,它带有它带有壳层的特征能量壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析(XPS)俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去,这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量(AES)二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量以多余能量以X射线形式射线形式发出发出.这个二次这个二

33、次X射线就是射线就是二次荧光二次荧光也称荧也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量光辐射同样带有壳层的特征能量小小结结散射散射散射无能力损失或损失相对较小散射无能力损失或损失相对较小相干散射是相干散射是X射线衍射基础射线衍射基础,只有相干散射才只有相干散射才能产生衍射能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度转换吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上多数在原子壳层上进行进行,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量,因此是揭示材因此是揭示材料成分的因素料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具吸收是进行材料成分分析的工具可以在分析可以在

34、分析成分成分的同时告诉你的同时告诉你元素价态元素价态X X射线的衰减小结射线的衰减小结宏观表现宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关是是X X射线透射学的基础射线透射学的基础这就是质厚衬度这就是质厚衬度微观机制微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量散射和吸收消耗了入射线的能量这与吸波原理是一样的这与吸波原理是一样的吸收限的应用吸收限的应用-X射线滤波片的选择射线滤波片的选择在一些衍射分析工作中，我们只在一些衍射分析工作中，我们只希望是希望是k辐射的衍射线条，但辐射的衍射线条，但X射线管中发出的射线管中发出的X射线，除射线，除k辐辐射外，还含有射外，还含有K辐

35、射和连续谱，辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。它们会使衍射花样复杂化。获得单色光的方法之一是在获得单色光的方法之一是在X射射线出射的路径上放置一定厚度的线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将滤波片，可以简便地将K和连和连续谱衰减到可以忽略的程度。续谱衰减到可以忽略的程度。滤波片的选择规则滤波片的选择规则 1：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-1；2：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-2滤波片滤波片 常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表1-1。按。按表中厚度制作的波滤片，表中厚度制作的波滤片，滤波后滤波后K/K的强度比的强度比为为1/600。如果滤波

36、片太厚，虽然如果滤波片太厚，虽然K可以进一步衰可以进一步衰减，但减，但k也相应衰减。实践表明，当也相应衰减。实践表明，当K强度被衰强度被衰减到原来的一半时，减到原来的一半时，K/K的强度比将由原来的的强度比将由原来的1/5降为滤波后的降为滤波后的1/500左右左右，这对大多数衍射分析，这对大多数衍射分析工作已经满意。工作已经满意。吸收限的应用吸收限的应用-阳极靶材料的选择阳极靶材料的选择在在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底

37、，使图象不清晰。衍射花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射的原则就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波射线波长偏离样品的吸收限。长偏离样品的吸收限。根据样品成分选择靶材的原则是：根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶靶Z样样-1；或；或Z靶靶Z样样。对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。轻的元素为基准来选择靶材。第二节第二节 X X射线衍射

38、仪射线衍射仪一、衍射仪的构造及几何光学一、衍射仪的构造及几何光学1、测角仪的构造、测角仪的构造(1)样品台样品台(2)X射线源射线源(3)光路布置光路布置(4)测角仪台面测角仪台面(5)测量动作测量动作测角仪的衍射几何测角仪的衍射几何衍衍射射几几何何的的关关键键问问题题是是一一方方面面要要满满足足布布拉拉格格方方程程反反射射条条件件，另另一一方方面面要要满满足足衍衍射射线线的的聚聚焦焦条条件。件。在在测测角角仪仪的的测测量量动动作作中中，计计数数器器并并不不沿沿聚聚焦焦圆圆移移动动，而而是是沿沿测测角角仪仪圆圆移移动。动。第三节第三节 X X射线物相分析射线物相分析一、定性分析的原理和分析思路

39、一、定性分析的原理和分析思路1、JDHanawaltt于于1938年创立；年创立；2、1941年由美国材料试验协会年由美国材料试验协会(AmericanSocietyforTestingMaterials)接管，所以卡片叫接管，所以卡片叫ASTM卡片：或卡片：或叫粉末衍射卡组叫粉末衍射卡组(PowderDiffractionfile)，简称，简称PDF。(Jiontcommitteeonpowderdiffractionstandards，简称简称JCPDS)二、粉末衍射卡片的组成二、粉末衍射卡片的组成三、物相定性分析的基本步骤三、物相定性分析的基本步骤1、制备待分析物质样品，用衍射仪法或照相

40、法、制备待分析物质样品，用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样；获得样品衍射花样；2、确定各衍射线条众值及相对强度、确定各衍射线条众值及相对强度II1值值(I1为为最强线强度最强线强度)；3、检索、检索PDF卡片物相均为未知时，使用数值卡片物相均为未知时，使用数值索引；索引；4、核对、核对PDP卡片与物相判定；卡片与物相判定；5多相物质分析。多相物质分析。物相定性分析示例：物相定性分析示例：第四节第四节 一些一些X X射线衍射分析方法的应用射线衍射分析方法的应用一、多晶体点阵常数的精确测定一、多晶体点阵常数的精确测定精确测定已知多晶材料点阵常数的基本步骤为：精确测定已知多晶材料点阵常数的基本步骤为

41、：1、获取行测试样的粉末衍射相，用照相法或衍射仪法；、获取行测试样的粉末衍射相，用照相法或衍射仪法；2、根据衍射线的角位置计算晶面间距、根据衍射线的角位置计算晶面间距d；3、标定各衍射线条的指数、标定各衍射线条的指数hkl(指标化指标化)；4、由、由d及相应的及相应的hkl计算点阵常数；计算点阵常数；5、消除误差；、消除误差；6、得到精确的点阵常数值。、得到精确的点阵常数值。二、晶粒尺寸的测定二、晶粒尺寸的测定(1)(1)测试原理测试原理 测定晶粒尺寸大小的方法测定晶粒尺寸大小的方法(Scherrer)(Scherrer)公式，即：公式，即：三、膜厚的测量三、膜厚的测量(sin/2 1)ln(

42、I0/If)总总 结结本章主要讲述四个问题本章主要讲述四个问题:1.X射线的性质射线的性质,本质和本质和X射线的产生射线的产生2.X射线谱射线谱-连续谱连续谱,特征谱特征谱3.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用4.X射线的应用射线的应用总总 结结关于关于X射线的性质射线的性质,本质和本质和X射线的产生射线的产生1.了解了解X射线有哪些性质？射线有哪些性质？2.X射线的本质是电磁波射线的本质是电磁波,具有波粒二相性。具有波粒二相性。3.X射线的产生定义射线的产生定义:高速运动的粒子遇阻嘎然高速运动的粒子遇阻嘎然停止停止,其能量可以其能量可以X射线形式释放。射线形式释放。4.X射线管结构与

43、工作原理。射线管结构与工作原理。总结关于关于X射线谱射线谱-连续谱，特征谱连续谱，特征谱1.连续谱产生机理的二种解释连续谱产生机理的二种解释(经典，量子经典，量子),什么是短波限什么是短波限?2.特征谱产生机制？特征谱的命名方法特征谱产生机制？特征谱的命名方法,什什么是临界电压？什么是激发电压？什么是么是临界电压？什么是激发电压？什么是激发限？激发限？总总 结结关于关于X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.宏观效应宏观效应-X射线强度衰减射线强度衰减2.微观机制微观机制-X射线被散射，吸收射线被散射，吸收(1)散射散射-相干散射，康谱顿散射相干散射，康谱顿散射(2)吸收吸收-产生光电子，二次荧光，俄歇电子产生光电子，二次荧光，俄歇电子(3)什么是吸收限？如何选择滤波片，靶？什么是吸收限？如何选择滤波片，靶？人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。