【优选】材料分析方法第一章X射线物理基础PPT文档.ppt

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1、X射线学的分支射线学的分支X射线透射学射线透射学X射线衍射学射线衍射学X射线光谱学射线光谱学第一节第一节 X X射线的性质射线的性质X X射线的射线的波长范围波长范围：10-310nm。一、一、X射线的性质射线的性质不可见不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相，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。底片感光，使荧光物质发光。穿透性强穿透性强，并，并可被物质吸收和散射可被物质吸收和散射。软软X X常用于晶体的常用于晶体的X X射线衍射分析。射线衍射分析。硬硬X X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。折射率折射率

2、1X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁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场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线射线会聚或发散。会聚或发散。对生物细胞有很强的杀伤作用。对生物细胞有很强的杀伤作用。二、二、X射线的本质射线的本质1 1、X X射线的本质射线的本质也是也是电磁波电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。2 2、X X射线的波粒二象性射线的波粒二象性波动性波动性的表现：的表现：以一定的频率和波长在空间传播，以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的例如以晶体作衍射

3、光栅时观察到的X X射线的衍射现射线的衍射现象；象；描述波动性的物理量：描述波动性的物理量：频率频率、波长、波长粒子性的表现：粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，定的质量、能量和动量，如光电效应等。如光电效应等。描述粒子性的物理量：描述粒子性的物理量：能量能量E E、动量、动量P P波动性和粒子性之间存在下述关系：波动性和粒子性之间存在下述关系：范围适于范围适于结构分析结构分析范围适于范围适于探伤分析探伤分析第二节第二节 X X射线的产生射线的产生一、一、X射线产生原理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实验证明：高速运

4、动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会产生时，随着能量的消失和转化，就会产生X射线。射线。实际用于获得实际用于获得X射线的带电粒子是射线的带电粒子是电子电子。电子式电子式X射线管产生射线管产生X射线射线的的条件：条件：(1)产生电子的电子源；产生电子的电子源；(2)使电子作定向高速运动；使电子作定向高速运动；(3)在高速电子流的运动路在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子突径上设置障碍物，使电子突然受阻。然受阻。(4)封闭在高真空中，真空封闭在高真空中，真空度高于度高于10-3Pa。二、X射线管射线管1、封闭电子式封闭电子式X射线管的结构射线管的结构封闭电子式封闭电子式X

5、射线管与其结构示意图射线管与其结构示意图(1)阴极：阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；钨丝；加热钨丝发射热电子；(2)阳极阳极/靶靶：使电子突然减速并发射：使电子突然减速并发射X射线的地射线的地方。方。不同的靶面材料用于获得不同波长的不同的靶面材料用于获得不同波长的X X射线。射线。(3)阴极和阳极之间的阴极和阳极之间的高压高压使电子作定向高速运使电子作定向高速运动；动；(4)阴、阳极都密封在阴、阳极都密封在高真空管高真空管中，真空度中，真空度10-3Pa。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第三节第三节 X X射线谱射线谱X X射线谱射线谱：X

6、X射线强度随波长变化的关系曲线。射线强度随波长变化的关系曲线。X X射线的强度射线的强度X X射线的强度：单位时间内，通过与射线的强度：单位时间内，通过与X X射线传播方向垂直的射线传播方向垂直的单位面积上的单位面积上的X X射线光量子的能量总和。用射线光量子的能量总和。用I I表示。表示。常用单位：常用单位：J/cmJ/cm2 2ss。强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。(光子流密光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。)即即X X射线的强度（射线的强度（I I）是由光量子的能量（）是由光量子的能量（

7、h h）及它的数）及它的数目（目（n n）决定，决定，I=n hI=n h。由由热阴极热阴极X X射线管发出的射线管发出的X X射线分为两种类型：射线分为两种类型：(1)(1)连续连续X X射线谱射线谱；(2)(2)特征特征X X射线谱射线谱（又称标识（又称标识X X射线谱）。射线谱）。它们对应两种它们对应两种X X射线辐射的物理过程。射线辐射的物理过程。一、连续一、连续X X射线谱射线谱1 1、定义、定义X X射射线线谱谱中中，强强度度随随波波长长连连续续变变化化的的部部分分，称为称为连续连续X X射线谱射线谱，简称连续谱。，简称连续谱。2 2、连续连续谱的特点谱的特点不不同同管管压压下下，

8、连连续续谱谱在在短短波波方方向向都都有有一一个个突突然然截截止止的的波波长长极极限限值值，称称为为短短波波限限，用，用0 0表示。表示。XX射线波长射线波长由大于由大于0的所有辐射组成的所有辐射组成；强强度度存存在在一一最最大大值值（约约1.5 1.5 0 0处处，用用m m表示表示 ）。）。对对同同一一靶靶材材，不不同同管管压压、管管流流下下的的连连续谱的变化规律。续谱的变化规律。3 3、连续、连续X X射线谱的解释射线谱的解释 连续谱的产生连续谱的产生量子理论：量子理论：当能量为当能量为eVeV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己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

9、分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为产生一个能量为hvhv的光子。的光子。由由于于大大量量电电子子射射到到阳阳极极上上的的时时间间和和条条件件不不尽尽相相同同，仅仅有有一一少少部部分分电电子子能能产产生生极极限限能能量量交交换换，绝绝大大多多数数电电子子经经多多次次碰碰撞撞完完成成能能量量交交换换，而而辐辐射射出出波波长长大大于于0 0 的的不不同同波波长长的的X X射线，形成连续谱。射线，形成连续谱。短波限短波限极极限限情情况况下下，能能量量为为eVeV的的电电子子在在一一次次碰碰撞撞中中将将其其在在电电场场中中加加速速得得到

10、到的的全全部部动动能能转转给给一一个个光光子子，则则此此光光子子的的能量最大，波长最短，相当于短波限能量最大，波长最短，相当于短波限0 0的的X X射线。射线。表明：表明：0只与管电压有关，不受其它因素的影响只与管电压有关，不受其它因素的影响；随管电压增加，随管电压增加，0向短波方向移动。向短波方向移动。0 0附近附近X X射线强度由每个光子的能量射线强度由每个光子的能量hvhv和单位时间通过单和单位时间通过单位面积的光子数目位面积的光子数目n n两个因素决定两个因素决定,即即I=nhvI=nhv。在在碰碰撞撞过过程程中中，能能产产生生极极限限能能量量交交换换的的电电子子仅仅占占一一少少部部分

11、分，而而其其他他大大量量电电子子会会产产生生多多次次碰碰撞撞完完成成能能量量交交换换，因因此此虽虽然然短短波波限限对对应应的的光光子子能能量量最最大大，但光子数目不多，故强度的极大值不在但光子数目不多，故强度的极大值不在0000附近。附近。对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。化规律。U管管升高，各辐射强度升高，升高，各辐射强度升高，0和和max（最大辐（最大辐射时的波长）均减小；射时的波长）均减小；解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子解释：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的碰撞次数和辐射出来的X

12、 X射线光子的能量都会增加，射线光子的能量都会增加，因因此随管压的增加，各波长此随管压的增加，各波长X X射线的强度均增加。射线的强度均增加。管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但升高，但0和和max保持不变。保持不变。不同的靶面物质发射不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的的连续谱具有相似的特征特征二、特征二、特征X X射线谱射线谱1 1、定义、定义当当U管管超过某临界值后，超过某临界值后，叠加叠加在连续谱上的强度很高且具有在连续谱上的强度很高且具有一定波长的一定波长的X X射线谱，称为射线谱，称为特特征征X X射线谱射线谱，简称特征谱。，

13、简称特征谱。如钼靶如钼靶X X射线管，当管电压等射线管，当管电压等于或高于于或高于20kV20kV时，则除连续谱时，则除连续谱外，位于一定波长处外，位于一定波长处（0.063nm0.063nm和和0.071nm0.071nm）,叠加叠加有少数强谱线。有少数强谱线。2 2、特点、特点产生特征产生特征X X射线的条件：射线的条件：管电管电压超过与靶材相应的某一特定值压超过与靶材相应的某一特定值U UK K；对一定的靶材，特征对一定的靶材，特征X X射线波射线波长为一定值。长为一定值。KKKK,且同一元素对应且同一元素对应谱线的强度比大约为谱线的强度比大约为5 5：1 1。3 3、对特征谱的解释、对

14、特征谱的解释 特征谱的产生特征谱的产生以及以及特征特征X射线波长为一定值的原射线波长为一定值的原因因从从原子结构原子结构观点解释。观点解释。原子系统中的电子不连续地分布原子系统中的电子不连续地分布在在K、L、M、N等不同能级的等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到外壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加：逐渐增加：EKELK,且同一元素对应谱线的强度比大约为5：1。K辐射是由LK层电子跃迁产生，K辐射是由MK层电子跃迁产生，后者两能级之差大于前者，故；在一些衍射分析工作中，我们需要尽可能接近单色的X射线。二、二、X X射线的吸收射线的吸收X X射线的吸收射线的吸收：指：指X X射线射线穿过物质穿

15、过物质时时，其，其能量能量被转被转化化成其他形式的能量成其他形式的能量，X X射线的强度随之衰减射线的强度随之衰减。物质对物质对X X射线的吸收主要射线的吸收主要是是物质对入射物质对入射X X射线产生射线产生的的热效应、热效应、光电效应光电效应和和俄歇效应俄歇效应，使入射，使入射X X射线的射线的能量能量分别转分别转变成变成热量、热量、光电子光电子、荧光荧光X X射线射线和和俄歇俄歇电子电子的能量，从而使的能量，从而使X X射线强度被衰减。射线强度被衰减。1 1、光电效应、光电效应X射线与物质相互作用可以射线与物质相互作用可以看作是看作是X射线光子和物质中射线光子和物质中的原子相互碰撞。的原子

16、相互碰撞。当一个具有足够能量的当一个具有足够能量的X射射线光子从原子内部击出一个线光子从原子内部击出一个K层电子时，同样层电子时，同样也也会发生会发生象电子激发原子时类似的辐象电子激发原子时类似的辐射过程。射过程。光电效应光电效应：由由X射线光子激发原子所发生的辐射过程，射线光子激发原子所发生的辐射过程，称称为为光电效应光电效应；光电子光电子：光电效应中，光电效应中，被被X射线光子射线光子击出的电子称为光电击出的电子称为光电子；子；（光电子光电子具有元素的特征能量，是具有元素的特征能量，是X X射线光电子能谱仪的射线光电子能谱仪的检测信号）检测信号）荧光荧光X射线射线：由入射：由入射X射线激发

17、原子射线激发原子所辐射出的所辐射出的次级特征次级特征X射线称荧光射线称荧光X射线射线(或二次或二次特征特征X射线射线)。产生光电效应的条件产生光电效应的条件：欲激发原子产生欲激发原子产生K、L、M等线系的荧光辐射，入射等线系的荧光辐射，入射X射线射线光量子的能量光量子的能量h必须等于或略大于必须等于或略大于K、L、M层电子的结层电子的结合能合能EK、EL、EM。如如产生产生K系荧光辐射，系荧光辐射，入射光子的波长等于或略入射光子的波长等于或略小于小于K K（或频率等于或略大于或频率等于或略大于K K ）。）。K K激发物质产生激发物质产生K系荧光辐射，入射系荧光辐射，入射X射线须射线须具有的临

18、界波长值具有的临界波长值，称为，称为激发限激发限。一旦产生光电效应，入射一旦产生光电效应，入射X射线光子能量被大量射线光子能量被大量吸收，表现为吸收系数突增。吸收，表现为吸收系数突增。荧光荧光X射线在不同分析方法中的射线在不同分析方法中的作用：作用：在在X射线射线衍射分析衍射分析中，中，X射线荧光辐射是有害射线荧光辐射是有害的，它增加衍射花样的的，它增加衍射花样的背底背底；在在元素分析元素分析中，它又是中，它又是X射线荧光分析的基础。射线荧光分析的基础。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。3、m与波长和原子序数Z的关系在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比用公式

19、（1-14）计算滤波片的厚度。1、透射X射线的强度衰减规律其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。物质的原子序越大，对x射线的吸收能力越强；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，如光电效应等。用途：俄歇电子能谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具之一。一般X射线强度减弱主要由吸收作用造成，而散射作用极小。以降低衍射花样的背底，使图样清晰。俄歇效应是一种无辐射的跃迁过程。(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。表明：0只与管电压有关，不受其它因素的影响；如产生K系荧光辐射，入射光子的波长等于或略小于K（或频率等于或略大于K）。选择阳极靶材料，让靶材产生

20、的特征X射线波长偏离样品的吸收限。物质的原子序越大，对x射线的吸收能力越强；式中，K和都是常数。m与和Z存在如下函数关系：2 2、俄歇效应、俄歇效应俄歇效应俄歇效应：原子的内层：原子的内层电子被激发后，随之发电子被激发后，随之发生的一个空位被两个空生的一个空位被两个空位所代替的现象称为俄位所代替的现象称为俄歇效应。歇效应。俄歇效应是一种无辐射的跃俄歇效应是一种无辐射的跃迁过程。迁过程。电子跃迁释放的能量被电子吸收而激发出原子的电子称为电子跃迁释放的能量被电子吸收而激发出原子的电子称为俄俄歇电子歇电子（Auger电子）电子）。如如KLL俄歇电子。俄歇电子。俄歇电子的特点：俄歇电子的特点：具有具有

21、元素的特征能量。元素的特征能量。俄歇电子的能量俄歇电子的能量能反映电子所属原子和原子的结构状态特征，能反映电子所属原子和原子的结构状态特征，所以，可以利用俄歇电子能谱作所以，可以利用俄歇电子能谱作样品样品的成分分析。的成分分析。俄歇电子俄歇电子是是俄歇电子能谱俄歇电子能谱仪的检测信号。仪的检测信号。俄歇电子的能量很低，一般为几百俄歇电子的能量很低，一般为几百eVeV，平均自由程短，平均自由程短，因因此，检测到的俄歇电子只来源于表面此，检测到的俄歇电子只来源于表面2 23 3个个原子原子层层。用途：俄歇电子能谱仪是研究物质用途：俄歇电子能谱仪是研究物质表面微区成分表面微区成分的有力工具的有力工具

22、之一。之一。第五节第五节 X X射线的衰减规律射线的衰减规律一、一、X X射线在物质中的衰减规律与射线在物质中的衰减规律与线吸收系数线吸收系数1 1、透射、透射X X射线的强度衰减规律射线的强度衰减规律透射透射X射射线的强度线的强度上式中，上式中，称为物质的称为物质的线吸收系数线吸收系数（或线衰减系数），单位（或线衰减系数），单位为为cm-1。2 2、线吸收系数、线吸收系数的物理意义：的物理意义：1n1n（I IH H/I/I0 0）/H/H，表示沿穿越方向上，表示沿穿越方向上，厚度为厚度为1cm1cm的物质对的物质对X X射线强度的吸收程度。射线强度的吸收程度。特点：特点：对于一定波长和一定

23、状态下的物质，对于一定波长和一定状态下的物质，为常数。为常数。与物质的密度与物质的密度成正比，即与物质的物理状态有关。成正比，即与物质的物理状态有关。二、二、质量吸收系数质量吸收系数1 1、质量吸收系数、质量吸收系数m m/，称为，称为质量质量吸收吸收系数，单位为系数，单位为cmcm2 2g g。m m的物理意义：表示单位质的物理意义：表示单位质量物质对量物质对X X射线的射线的衰减衰减程度。程度。mm的特点：的特点：对一定波长的对一定波长的X X射线和一定的物质来说，射线和一定的物质来说，mm为固定值。为固定值。mm与物质的物理状态无关与物质的物理状态无关。即与即与物质的物质的气态、液态、气

24、态、液态、粉末、块样、化合物、混合物等均无关。粉末、块样、化合物、混合物等均无关。2 2、复杂物质的质量吸收系数、复杂物质的质量吸收系数i i、mi分别分别为为各组元的各组元的质质量百分数量百分数和质量吸收系数和质量吸收系数。3 3、m m与波长与波长和原子序数和原子序数Z Z的关系的关系一般一般X射线强度减弱主要由吸收作用造成，而散射作用极小。射线强度减弱主要由吸收作用造成，而散射作用极小。物质对物质对X X射线的吸收可以近似用质量吸收系数射线的吸收可以近似用质量吸收系数m m的大小来表示。的大小来表示。m m与与和和Z Z存在如下函数关系：存在如下函数关系：系数系数K K在两个吸收限之间为

25、常数，不同吸收限之间的在两个吸收限之间为常数，不同吸收限之间的K K值不同，且每一元素值不同，且每一元素都有一组都有一组K K。公式讨论：公式讨论：物质的原子序越大，对物质的原子序越大，对x射线的吸收能力越强；射线的吸收能力越强；对一定的吸收体，对一定的吸收体，x射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数收系数m的下降。但随波长的降低，在某些波长位置上出现吸收的下降。但随波长的降低，在某些波长位置上出现吸收限限。4 4、吸收限吸收限m m关系曲线关系曲线：当波长减小到某几个值当波长减小到某几个值时，时，m m骤增，将曲线分割为几骤增，将曲线分割为几个明显

26、不同的连续部分。个明显不同的连续部分。吸收限吸收限：在：在m m关系曲线关系曲线中，中，质量吸收系数随质量吸收系数随着入射着入射X射线波长的变化产生突变，突变处对应的射线波长的变化产生突变，突变处对应的波长称为吸收限。波长称为吸收限。为什么存在吸收限？为什么存在吸收限？入射光子能量大于吸收体某层电子结合能时，很容易被电入射光子能量大于吸收体某层电子结合能时，很容易被电子吸收，内层电子溢出而产生光电效应。此效应消耗大量子吸收，内层电子溢出而产生光电效应。此效应消耗大量能量，表现为吸收系数突变。能量，表现为吸收系数突变。如存在如存在K K、L L等等。K K值决定于吸收物质的原子结构。值决定于吸收

27、物质的原子结构。不同元素的吸收限值不同元素的吸收限值不同。不同。原子序数愈大，同名吸收限波长值愈短。原子序数愈大，同名吸收限波长值愈短。对同一物质而言，对同一物质而言，利用利用阳极靶材的阳极靶材的吸收限（吸收限（激发限激发限）K K，可以计算可以计算的靶材的的靶材的激发电压激发电压UK：式中式中，U UK K以以V V为单位。为单位。第六节第六节 吸收限的应用吸收限的应用 吸收限的应用主要有两个：吸收限的应用主要有两个：选滤波片选滤波片和和选靶材选靶材。一、选滤波片一、选滤波片 1 1、滤波片的作用、滤波片的作用在一些衍射分析工作中，我们需要尽可能接近单色的在一些衍射分析工作中，我们需要尽可能

28、接近单色的X X射射线。线。获得单色获得单色X X射线的方法之一是射线的方法之一是滤波滤波，即在，即在混合混合X X射线出射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，简便地将射的路径上放置一定厚度的滤波片，简便地将K K和和连续连续X X射线衰减到可以忽略的程度射线衰减到可以忽略的程度，使，使X X射线单色化。射线单色化。2、滤波片的选择滤波片的选择原理：原理：以靶材以靶材发射的发射的X X射线谱为基射线谱为基准，利用某种材料的准，利用某种材料的K K刚好位于刚好位于靶材的靶材的K K和和K K特征特征X X射线之间射线之间时，时，能量较高的能量较高的K成分因能激发滤波片成分因能激发滤波片的的K系荧

29、光而被大部分吸收掉，而能系荧光而被大部分吸收掉，而能量较低的量较低的K成分因不能激发滤波片成分因不能激发滤波片的的K系荧光被吸收的程度较小系荧光被吸收的程度较小。方法：方法：滤波片的滤波片的K K应位于靶应位于靶物质物质K K与与K K之间。之间。规则：规则：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-1；Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-23 3、滤波片厚度的计算、滤波片厚度的计算滤波片滤波片厚度要适当，以厚度要适当，以K K辐射减弱约辐射减弱约50%50%为宜。为宜。在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比用公在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比用公式式（1-141-14）计算滤波片的厚度。计算滤波片的

30、厚度。二、阳极靶材料的选择二、阳极靶材料的选择在在X X射线衍射晶体结构分析工作中，不希望入射射线衍射晶体结构分析工作中，不希望入射X X射线激发射线激发出样品的大量荧光辐射。出样品的大量荧光辐射。以降低衍射花样的背底，使图样以降低衍射花样的背底，使图样清晰。清晰。选择阳极靶材料，让靶材产生的特征选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X X射线波长偏离样品射线波长偏离样品的吸收限。的吸收限。靶材的选择是根据靶材的选择是根据样品样品来定的，来定的，原则原则：Z Z靶靶ZZ样样+1+1；或；或Z Z靶靶ZZ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。谢谢观看谢谢观看