材料研究方法--x射線物理基礎(chǔ).ppt

x 射線衍射分析 X rayDiffraction 1 x射線物理基礎(chǔ) 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線1895 1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生 傳播 穿透力等大部分性質(zhì)1901年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng)1912年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn) 1845 1923 1879 1960 1995 1 1x射線的本質(zhì) x ray的性質(zhì) 使底片感光 熒光板發(fā)光 氣體電離 具有極強(qiáng)的穿透能力 沿直線傳播 殺死 傷 生物細(xì)胞 x射線的本質(zhì) 波長很短的電磁波0 01 100 用于晶體分析的 0 5 2 5 具有波粒二象性波動(dòng)性 以一定頻率 波長在空間傳播 微粒性 以光子形式輻射和吸收時(shí)具有一定的質(zhì)量 能量和動(dòng)量 x射線的本質(zhì) 波長 振動(dòng)頻率 傳播速度c間的關(guān)系 c 3 108m sE h P h 6 63 10 34J S 1 2x射線的產(chǎn)生 凡是高速運(yùn)動(dòng)的電子流或其它高能輻射流被突然減速時(shí)均能產(chǎn)生x ray 獲得x射線必須具備的基本條件 產(chǎn)生自由電子 使電子作定向高速運(yùn)動(dòng) 突然止住電子 x射線儀 x射線管高壓變壓器低壓穩(wěn)壓電源自動(dòng)控制 指示裝置 x射線管 x射線管 陰極 發(fā)射電子 由鎢絲制成 通電后 鎢絲發(fā)熱釋放自由電子 奔向陽極 陽極 使電子突然減速和發(fā)射x ray 良好的循環(huán)水冷卻 防止靶熔化 窗口 x ray從陽極靶向外射出的地方 2個(gè)或4個(gè)專門材料 Be 制成 x射線管 焦點(diǎn) 陽極靶面被電子束轟擊的地方 其形狀與大小是x ray管的重要質(zhì)量指標(biāo) 由燈絲的形狀及聚焦罩所決定 1mm 10mm的長方形表觀焦點(diǎn) 接受方向上x ray的截面積 點(diǎn)光源1 1正方形線光源0 1 10線狀焦點(diǎn) x射線管 較小的焦點(diǎn)和較強(qiáng)的x ray強(qiáng)度 對(duì)x ray衍射圖可提高分辨本領(lǐng)和縮短曝光時(shí)間 接受x ray時(shí)使窗口處于與靶面成一定角度的位置 出射角3 6 窗口開設(shè)在與焦點(diǎn)的長邊和短邊相對(duì)應(yīng)的位置 1 3x射線譜 施加不同的電壓 得到波長和強(qiáng)度的關(guān)系曲線 稱為x ray譜 1 連續(xù)x射線譜 特點(diǎn) 強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化 每條曲線都有一個(gè)強(qiáng)度最大值和波長極限 短波限 產(chǎn)生原因 高速運(yùn)動(dòng)的電子被靶面驟然阻止 I 連續(xù)x ray譜的構(gòu)成 電子加速后撞向陽極靶 大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能 一部分以x ray釋放 撞向陽極的電子目數(shù)很多 時(shí)間 條件不同 或多次碰撞逐步減少其能量 動(dòng)能轉(zhuǎn)換為x ray的能量有多有少 射出x ray的頻率有大有小 形成不同波長的x ray 構(gòu)成連續(xù)的譜線 短波限 的形成 量子理論解釋式中 e 電子電荷 4 803 10 10靜電單位 1 602 10 19cv 管電壓1V 靜電單位 短波限 短波限只與管電壓有關(guān) 不受其它因素影響 x射線強(qiáng)度 是指垂直于x ray傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)的光量子數(shù)目的能量總和 I nh J m2 s是由光子數(shù)目和光子能量兩因素決定 連續(xù)譜中的強(qiáng)度最大值不在光子能量最大處 而是在大約1 5處 曲線下的面積表示連續(xù)x ray的總強(qiáng)度 x射線強(qiáng)度 x ray連續(xù)譜的總強(qiáng)度I與i v z之間存在經(jīng)驗(yàn)公式 式中 k 常數(shù)k 1 1 1 4 10 9 V 1 m 常數(shù)m 2z 陽極靶的原子序數(shù)i 管電流 mA v 管電壓 kv 連續(xù)譜變化規(guī)律 I 管流i3 i2 i1 I I 不同陽極 W Ag Mo 2 標(biāo)識(shí)x射線譜 特點(diǎn) 具有特定的波長 當(dāng)管電壓超過某一特定值Vk時(shí)產(chǎn)生 疊加在連續(xù)x ray譜上的 產(chǎn)生原因 與陽極靶原子中內(nèi)層電子躍遷過程有關(guān) 標(biāo)識(shí)x射線譜 原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí) 能級(jí)是不連續(xù)的 K層靠近原子核 能量最低 管電壓增加到一定數(shù)值 電子脫離原軌道 體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài) 電子從高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷將以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)x ray譜 標(biāo)識(shí)x射線譜 標(biāo)識(shí)x射線譜 k層電子被遷出的過程叫k系激發(fā) 隨之的電子躍遷所引起的輻射為k系輻射 K 是由K 1和K 2兩條譜線組成 與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān) 激發(fā)電壓VK 開始產(chǎn)生標(biāo)識(shí)譜線的臨界電壓 電子具足夠能量把靶中原子某一能級(jí)上的電子打掉產(chǎn)生特征x ray所必須達(dá)到的最低電壓 同一靶材料VK VL VM不同靶材料的原子結(jié)構(gòu)不同 各自的激發(fā)電壓不同 輻射的波長也不同 標(biāo)識(shí)x射線譜的波長 標(biāo)識(shí)x ray譜的波長只取決陽極靶材料的原子序數(shù) 是物質(zhì)的固有特性 莫塞萊定律 式中 K 常數(shù) 與靶材物質(zhì)總量子數(shù)有關(guān) 常數(shù) 與電子所在殼層位置有關(guān) z 靶材料的原子序數(shù) 標(biāo)識(shí)x射線譜的強(qiáng)度 IK Bi V VK n式中 B n 常數(shù) n 1 5 1 7i 管電流V 工作電壓VK K系激發(fā)電壓 x射線管最佳工作電壓 連續(xù)譜的背底只能增加衍射花樣的背影 V 3 5 VK時(shí) I標(biāo) I連最大 小結(jié) 例 分別給出施加15KV高壓時(shí) Cu靶和Mo靶x ray管的x ray譜 說明它們有何異同 已知 1 4x射線與物質(zhì)的相互作用 X射線與物質(zhì)的相互作用 是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程 一束X射線通過物體后 其強(qiáng)度被衰減 是其散射和吸收的結(jié)果 吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因 x射線與物質(zhì)的相互作用 1 x射線的散射 物質(zhì)對(duì)x ray的散射主要是物質(zhì)中的電子與x ray的相互作用 散射 x ray光子與物質(zhì)中的電子相遇時(shí)改變了原來傳播方向 造成了在原來傳播方向上強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱為散射 分為 相干散射 非相干散射 相干散射 經(jīng)典散射 在入射束電場的作用下 物質(zhì)原子中的電子被迫圍繞其平衡位置振動(dòng) 向四周輻射與入射x ray波長相同的散射x ray 同一方向上各散射波符合相干條件 相互干涉后 能量集中在某些方向 得到一定的花樣 相干散射是x ray在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ) 相干散射 x ray光子與原子內(nèi)束縛緊的電子相碰撞時(shí) 彈性碰撞 光子能量可認(rèn)為不受損失 只改變方向 相干散射不損失x ray能量 只改變它的傳播方向 對(duì)入射線方向來說 強(qiáng)度衰減 非相干散射 量子散射 x ray光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí) 非彈性碰撞 電子獲得部分動(dòng)能成為反沖電子 光子離開原來的方向 碰撞后的光子能量減少 波長改變 散射線之間不發(fā)生干涉作用 分布在各個(gè)方向 強(qiáng)度很低 在衍射花樣中 只增加連續(xù)背影 對(duì)衍射圖像是不利影響 非相干散射 波長變化量為 0 00243 1 cos2 nm式中 2 散射角 散射線與入射線 2 x射線的吸收 x ray能量在通過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?對(duì)x ray而言 發(fā)生了能量損耗 物質(zhì)對(duì)x ray的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的 發(fā)生光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng) 使x ray的部分能量轉(zhuǎn)變成為光電子 熒光x ray及俄歇電子的能量 光電效應(yīng) x ray與物質(zhì)相互作用可以看作是x ray光子和物質(zhì)中的原子相互碰撞 光電效應(yīng) 以光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程 擊出的電子稱為光電子 photoelectron 輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)x ray稱為熒光x ray 二次標(biāo)識(shí) 光電效應(yīng) 光電效應(yīng) 為產(chǎn)生K系熒光輻射式中 VK 把K層電子擊出的最小電壓 K 把K層電子擊出入射光最長波長只有入射x ray的 K時(shí)才能產(chǎn)生K系熒光輻射 激發(fā)限與吸收限 K 討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時(shí) K稱K系激發(fā)限 討論x ray被物質(zhì)吸收時(shí) K稱吸收限 熒光x ray增加衍射花樣的背影 x ray熒光光譜分析中 利用它進(jìn)行分析 掌握熒光x ray產(chǎn)生機(jī)理和條件 可合理利用 俄歇效應(yīng) 光子與物質(zhì)中原子相撞 多余能量不以x ray形式放出 傳遞給其它外層電子 使之脫離原子 形成二次電子 即俄歇電子 AugerElectron 1個(gè)空位被2個(gè)空位所代替的無輻射躍遷過程稱俄歇效應(yīng) 俄歇效應(yīng) 俄歇效應(yīng) 俄歇電子的能量取決于物質(zhì)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 參與過程的三個(gè)能級(jí)能量 每種元素都有自己的俄歇電子能譜 固有特征 俄歇電子能譜可進(jìn)行元素的成分分析及試樣表面狀態(tài)分析等 俄歇效應(yīng) 俄歇電子通常用參與過程的三個(gè)能級(jí)來命名 即 初態(tài)空位所在能級(jí) 向空位作無輻射躍遷電子原在能級(jí) 發(fā)射電子原在能級(jí) 例 K層電子被擊出 L2層電子跳入K層空位 多余能量傳遞L3層電子 俄歇電子表示為 KL2L3 說明 光電吸收指原子處于高能激發(fā)態(tài) 以光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)過程 伴隨光電吸收發(fā)生的有熒光x ray和俄歇電子 輻射躍遷和無輻射躍遷 通常熒光x ray和俄歇電子是同時(shí)存在的 小結(jié) 光電子 XPS 被X射線擊出殼層的電子 它帶有殼層的特征能量 可用來進(jìn)行成分分析 俄歇電子 AES 高能級(jí)電子回跳 多余能量將另一電子送出 被送出的電子是俄歇電子 帶有殼層的特征能量二次熒光 高能級(jí)電子回跳 多余能量以X射線形式發(fā)出 是二次熒光 帶有殼層的特征能量 小結(jié) 宏觀效應(yīng) X射線強(qiáng)度衰減微觀機(jī)制 X射線被散射 吸收散射 無能量損失或損失相對(duì)較小只有相干散射才能產(chǎn)生衍射散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收 能量大幅度轉(zhuǎn)換 帶有殼層的特征能量 是揭示材料成分的因素 吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具 3 x ray的衰減規(guī)律 強(qiáng)度的衰減隨穿過物質(zhì)厚度 呈指數(shù) 衰減規(guī)律為 式中 I0 x ray原始強(qiáng)度x 穿過物質(zhì)的厚度m 線吸收系數(shù)m 1 與吸收體原子序數(shù) 密度及x ray波長有關(guān) 線吸收系數(shù) 物理意義 x ray沿傳播方向穿過單位長度物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度衰減的程度 相當(dāng)于單位體積的該種物質(zhì)對(duì)x ray的吸收 值越大 強(qiáng)度的衰減越快 x ray穿透系數(shù) 1 值越小 x ray被衰減的程度越大 質(zhì)量吸收系數(shù) 式中 吸收體密度 質(zhì)量吸收系數(shù)m2 kg物理意義 單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)x ray的吸收 與x ray的 及吸收體的Z有關(guān) 物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí) 疏密 不變 質(zhì)量吸收系數(shù) 元素對(duì)不同波長x ray的可查表 也可計(jì)算求得 式中 K 常數(shù)Z 吸收體的原子序數(shù) x ray波長 質(zhì)量吸收系數(shù) 化合物 陶瓷 合金等物質(zhì)的是按組分元素的加權(quán)平均求得 式中 Wi 吸收體中各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù) 吸收體中各元素的質(zhì)量吸收系數(shù) x ray的防護(hù) 過量的x ray對(duì)人體有害 采取防護(hù)措施 鉛可強(qiáng)烈吸收x ray 用鉛 玻璃 圍裙 眼鏡 進(jìn)行屏蔽 x ray對(duì)人體影響的程度取決于 x ray的波長 強(qiáng)度 照射時(shí)間 照射部位等 隨身帶用黑紙包的底片 外插別針 定期沖洗底片 無別針陰影則安全 4 吸收限及其應(yīng)用 單質(zhì)的 曲線產(chǎn)生突變 不連續(xù)處稱為吸收限 相應(yīng)的波長為吸收限波長 K 吸收限 吸收限是由光電效應(yīng)引起的 隨著 光子E 穿透力 x ray的 K時(shí) x ray光子被吸收 光子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮?俄歇電子和熒光x ray的能量 使發(fā)生突然 吸收限兩側(cè)隨著 的變化基本遵循經(jīng)驗(yàn)公式 只是K值各不相同 濾波片的選擇 利用特征x ray進(jìn)行物相分析時(shí) 只用單色K 譜線 將K 等濾掉 需使用濾波片 濾波片是利用吸收限兩邊吸收系數(shù)相差懸殊的特點(diǎn) 濾波片的選擇 濾波片的厚度對(duì)濾波質(zhì)量影響很大 應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮穸?濾波片材料根據(jù)陽極靶元素而定 滿足下列關(guān)系 K 靶 K 片 K 靶 Z靶 40時(shí) Z濾波片 Z靶 1Z靶 40時(shí) Z