X射線衍射XRD分析1綜述

1、第二章第二章 X射線衍射分析（射線衍射分析（XRD）環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院孫紅娟孫紅娟2021-10-162021-10-16引言引言問問 題題v科研、生產(chǎn)、商業(yè)和日?；顒?dòng)中，我們經(jīng)常遇到：科研、生產(chǎn)、商業(yè)和日?；顒?dòng)中，我們經(jīng)常遇到：這是一種什么物質(zhì)？含有那些雜質(zhì)或有害物質(zhì)？用這是一種什么物質(zhì)？含有那些雜質(zhì)或有害物質(zhì)？用什么方法鑒定？什么方法鑒定？vX射線衍射分析（射線衍射分析（XRD）的原理？儀器？樣品？）的原理？儀器？樣品？vXRD除物相分析還能做些什么？除物相分析還能做些什么？v如何從如何從XRD所給出的數(shù)據(jù)中提取更多的信息？包括所給出的數(shù)據(jù)中提取更多的信息？包括成分、結(jié)構(gòu)、形成方

2、式（條件）、結(jié)晶度、晶粒度？成分、結(jié)構(gòu)、形成方式（條件）、結(jié)晶度、晶粒度？等等。等等。本章內(nèi)容本章內(nèi)容l1. X射線的物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ)l2. X-射線衍射分析原理射線衍射分析原理v3. X-射線衍射分析應(yīng)用射線衍射分析應(yīng)用v4. 小角小角X射線散射射線散射主要參考書主要參考書v南京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系礦物巖石學(xué)教研室編，粉晶南京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系礦物巖石學(xué)教研室編，粉晶X射線物相分析，地質(zhì)出版社，射線物相分析，地質(zhì)出版社，1980.v彭志忠，彭志忠，X射線分析簡明教程，地質(zhì)出版社，射線分析簡明教程，地質(zhì)出版社，1982.v周上祺，周上祺，X射線衍射分析，重慶大學(xué)出版社，射線衍射分析，重慶大學(xué)出版社，1

3、991.v劉粵惠，劉平安劉粵惠，劉平安. X射線衍射分析原理與應(yīng)用，射線衍射分析原理與應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社， 2003年年10月月1. X射線的物理基礎(chǔ)v1.1 X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)v1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)v1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管v1.4 X射線譜射線譜v1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用v1.6 X射線的探測與防護(hù)射線的探測與防護(hù)1.1 X 射線的發(fā)現(xiàn)v1895年年11月月8日，德國物理學(xué)家倫琴日，德國物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)的硬

4、紙板會(huì)發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細(xì)心的出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細(xì)心的倫琴的注意。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這倫琴的注意。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了，由于于是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了，由于當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱之為當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱之為X射線射線。后來也稱。后來也稱倫琴射線倫琴射線。v倫琴發(fā)現(xiàn)，倫琴發(fā)現(xiàn)，X射線對(duì)不同物質(zhì)射線對(duì)不同物質(zhì)的穿透能力是不同的。他用的穿透能力是不同的。他用X射線拍了一張其夫人手的照片。射線拍了一張其夫人手的照片。很快，很快，X射線發(fā)現(xiàn)僅半年時(shí)間，射線發(fā)現(xiàn)僅半年時(shí)間，在當(dāng)時(shí)對(duì)在當(dāng)時(shí)對(duì)X射線的本質(zhì)

5、還不清射線的本質(zhì)還不清楚的情況下，楚的情況下，X射線在醫(yī)學(xué)上射線在醫(yī)學(xué)上得到了應(yīng)用。發(fā)展了得到了應(yīng)用。發(fā)展了X射線照射線照像術(shù)像術(shù)。1895年倫琴初次發(fā)現(xiàn)年倫琴初次發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)，拍攝的他夫射線時(shí)，拍攝的他夫人手指的人手指的X射線照射線照X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)v1896年年1月月23日倫琴在他的研究所作了第一個(gè)關(guān)于日倫琴在他的研究所作了第一個(gè)關(guān)于X射射線的學(xué)術(shù)報(bào)告。線的學(xué)術(shù)報(bào)告。1896年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究結(jié)果寫了一篇論文，發(fā)表在英國的結(jié)果寫了一篇論文，發(fā)表在英國的Nature雜志上。雜志上。v這一偉大發(fā)現(xiàn)很快在醫(yī)學(xué)上獲得了應(yīng)用這

6、一偉大發(fā)現(xiàn)很快在醫(yī)學(xué)上獲得了應(yīng)用X射線透視射線透視技術(shù)技術(shù)。v他的發(fā)現(xiàn)在社會(huì)上引起了轟動(dòng)，也為他贏得了很大的榮他的發(fā)現(xiàn)在社會(huì)上引起了轟動(dòng)，也為他贏得了很大的榮譽(yù)。譽(yù)。1901年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因X射線的發(fā)射線的發(fā)現(xiàn)而獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)而獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與與X射線及晶體衍射有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者射線及晶體衍射有關(guān)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者年 份學(xué) 科得獎(jiǎng)?wù)邇?nèi) 容1901物理倫琴Wilhelm Conral RontgenX射線的發(fā)現(xiàn)1914物理勞埃Max von Laue晶體的X射線衍射亨利.布拉格Henry Bragg勞倫斯.布拉格Lawrence

7、Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射線1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射線光譜學(xué)戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson1954化學(xué)鮑林Linus Carl Panling化學(xué)鍵的本質(zhì)肯德魯John Charles Kendrew帕魯茲Max Ferdinand Perutz1962生理醫(yī)學(xué)Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測定1964化學(xué)Dorothy

8、Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶體測定霍普特曼Herbert Hauptman卡爾Jerome Karle魯斯卡E.Ruska電子顯微鏡賓尼希G.Binnig掃描隧道顯微鏡羅雷爾H.Rohrer布羅克豪斯 B.N.Brockhouse中子譜學(xué)沙爾 C.G.Shull中子衍射直接法解析結(jié)構(gòu)1915物理晶體結(jié)構(gòu)的X射線分析1937物理電子衍射1986物理1994物理1962化學(xué)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定1985化學(xué)1.2 X-射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)v 肉眼不能觀察到，但可使照相底片感光、熒光板發(fā)光肉眼不能觀察到，但可使照相底片感光、熒光板發(fā)光和使氣體電離；和使氣體電離；v 能透過可見光不能

9、透過的物體；能透過可見光不能透過的物體；v 這種射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉(zhuǎn)，在通這種射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉(zhuǎn)，在通過物體時(shí)不發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，通過普通光柵亦不引起過物體時(shí)不發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，通過普通光柵亦不引起衍射；衍射；v 這種射線對(duì)生物有很厲害的生理作用。這種射線對(duì)生物有很厲害的生理作用。認(rèn)為認(rèn)為X射線是射線是物質(zhì)粒物質(zhì)粒子流子流的科學(xué)家中有的科學(xué)家中有W. H. 布拉格。布拉格。他的兒子他的兒子 W. L. 布拉布拉格則對(duì)格則對(duì)X射線的射線的波動(dòng)波動(dòng)性性進(jìn)行了深入的研究，進(jìn)行了深入的研究，并給出了著名的布拉并給出了著名的布拉格方程。格方程。 X射線的本質(zhì)射線的本

10、質(zhì)對(duì)對(duì)X射線本質(zhì)的爭論，焦點(diǎn)集中在它是：粒子流？射線本質(zhì)的爭論，焦點(diǎn)集中在它是：粒子流？電磁波？電磁波？（1）X射線的波動(dòng)性射線的波動(dòng)性vX射線的本質(zhì)是一種電磁波，它具有射線的本質(zhì)是一種電磁波，它具有波粒二象性波粒二象性。即它。即它既具既具波動(dòng)性波動(dòng)性，又具有，又具有粒子性粒子性。vX射線的波動(dòng)性表現(xiàn)在它以一定的波長和頻率在空間傳射線的波動(dòng)性表現(xiàn)在它以一定的波長和頻率在空間傳播。播。X射線的波長范圍為射線的波長范圍為0.01100，介于，介于射線和紫外射線和紫外線之間。線之間。（2）X射線的粒子性射線的粒子性vX射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)的粒子流構(gòu)射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)

11、的粒子流構(gòu)成的。它具有一定的能量和動(dòng)量。能量成的。它具有一定的能量和動(dòng)量。能量和動(dòng)量和動(dòng)量p與與X射射線光子的頻率線光子的頻率v和波長和波長之間的關(guān)系如下：之間的關(guān)系如下： 能量：能量： 動(dòng)量：動(dòng)量： h為普朗克常數(shù)，為為普朗克常數(shù)，為6.62510-34Js，c為光速，為為光速，為 2.998108m/sv按照現(xiàn)代物理學(xué)理論，按照現(xiàn)代物理學(xué)理論，X射線具有波動(dòng)性和粒子性，即射線具有波動(dòng)性和粒子性，即為不連續(xù)的為不連續(xù)的“量子流量子流”。這種量子性質(zhì)在這種量子性質(zhì)在X射線與物質(zhì)射線與物質(zhì)相互作用（如吸收、散射）時(shí)可以表現(xiàn)出來。相互作用（如吸收、散射）時(shí)可以表現(xiàn)出來。X射線的射線的波長愈短（即頻

12、率愈高），能量愈大。波長愈短（即頻率愈高），能量愈大。hp hchv 1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管v X射線的產(chǎn)生有多種方射線的產(chǎn)生有多種方式，目前最常用的方式式，目前最常用的方式是是通過高速運(yùn)動(dòng)的電子通過高速運(yùn)動(dòng)的電子流轟擊金屬靶流轟擊金屬靶來獲得的，來獲得的，有些特殊的研究工作也有些特殊的研究工作也用同步幅射用同步幅射X射線源。射線源。 v產(chǎn)生產(chǎn)生X-射線的方法，是使快速移動(dòng)的電子（或離子）射線的方法，是使快速移動(dòng)的電子（或離子）驟然驟然停止其運(yùn)動(dòng)，則電子的動(dòng)能可部分轉(zhuǎn)變成停止其運(yùn)動(dòng)，則電子的動(dòng)能可部分轉(zhuǎn)變成X光能，即輻射出光能，即輻射出X-射線。射線。X射線管射線管（

13、1）陰極：如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成，用于產(chǎn)生大量的電子。）陰極：如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成，用于產(chǎn)生大量的電子。（2）陽極：又稱靶，由不同的金屬組成，從陰極發(fā)出的電子高速向靶撞擊，產(chǎn)）陽極：又稱靶，由不同的金屬組成，從陰極發(fā)出的電子高速向靶撞擊，產(chǎn)生生X射線，射線，不同金屬制成的靶產(chǎn)生的不同金屬制成的靶產(chǎn)生的X射線是不同的射線是不同的。（3）冷卻系統(tǒng)：當(dāng)電子束轟擊陽極靶時(shí)，其中只有）冷卻系統(tǒng)：當(dāng)電子束轟擊陽極靶時(shí)，其中只有1%能量轉(zhuǎn)換為能量轉(zhuǎn)換為X射線，其余射線，其余的的99%均轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。均轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?）焦點(diǎn)：指陽極靶面被電子束轟擊的面積。）焦點(diǎn)：指陽極靶面被電子束轟擊的面積。

14、（5）窗口：）窗口：X射線射出的通道，窗口一般用對(duì)射線射出的通道，窗口一般用對(duì)X射線穿透性好的輕金屬鈹密封，射線穿透性好的輕金屬鈹密封，以保持以保持X射線的真空。射線的真空。一般一般X射線管有四個(gè)窗口，分別從它們中射出一對(duì)線狀和一射線管有四個(gè)窗口，分別從它們中射出一對(duì)線狀和一對(duì)點(diǎn)狀對(duì)點(diǎn)狀X射線束。射線束。1.4 X射線譜vX射線管產(chǎn)生射線管產(chǎn)生X射線的特點(diǎn)：當(dāng)高速電子束轟擊射線的特點(diǎn)：當(dāng)高速電子束轟擊金屬靶時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種不同的金屬靶時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩種不同的X射線。一種是射線。一種是連連續(xù)續(xù)X射線射線，另一種是，另一種是特征特征X射線射線。它們的性質(zhì)不。它們的性質(zhì)不同、產(chǎn)生的機(jī)理不同，用途也不同。同、產(chǎn)

15、生的機(jī)理不同，用途也不同。vX射線衍射分析射線衍射分析利用的是利用的是特征特征X射線；射線；而而X射線射線熒光光譜分析熒光光譜分析利用的是利用的是連續(xù)連續(xù)X射線射線。1.4.1 連續(xù)連續(xù)X射線（白色射線（白色X射線）射線）v正如太陽光包含有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、正如太陽光包含有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等許多不同波長的光一樣，從紫等許多不同波長的光一樣，從X射線管中發(fā)射線管中發(fā)出的出的X射線也不是單一波長（單色）的，而是射線也不是單一波長（單色）的，而是包含有包含有許多不同波長的許多不同波長的X射線射線。這些波長構(gòu)成。這些波長構(gòu)成連續(xù)的光譜，且是從某一連續(xù)的光譜，且是從某一最小值最小值開始的

16、一系列開始的一系列連續(xù)波長的幅射。它與可見光中的白光相似，連續(xù)波長的幅射。它與可見光中的白光相似，故稱故稱白色白色X射線射線或稱或稱連續(xù)連續(xù)X射線射線。連續(xù)連續(xù)X射線產(chǎn)生機(jī)理射線產(chǎn)生機(jī)理v連續(xù)連續(xù)X射線光譜射線光譜(或稱白色或稱白色X射線射線)是由于快速移動(dòng)的電是由于快速移動(dòng)的電子在靶面突然停止而產(chǎn)生的。每一個(gè)電子，由于突然子在靶面突然停止而產(chǎn)生的。每一個(gè)電子，由于突然停下來的結(jié)果，它把它的動(dòng)能的一部分變?yōu)闊崮?，一停下來的結(jié)果，它把它的動(dòng)能的一部分變?yōu)闊崮?，一部分變?yōu)橐粋€(gè)或幾個(gè)部分變?yōu)橐粋€(gè)或幾個(gè)X射線量子。射線量子。由于電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變由于電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闉閄射線能量的有多有少，所放出的射線能量

17、的有多有少，所放出的X射線的頻率有所射線的頻率有所不同不同。因此，由此產(chǎn)生的。因此，由此產(chǎn)生的X射線譜是連續(xù)的，但是有一射線譜是連續(xù)的，但是有一個(gè)最短波長的極限，這相當(dāng)于某些電子把個(gè)最短波長的極限，這相當(dāng)于某些電子把其全部的能其全部的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱哭D(zhuǎn)變?yōu)閄射線能量時(shí)，頻率最大的情況射線能量時(shí)，頻率最大的情況。v短波限：短波限：連續(xù)連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長極限，稱為射線譜在短波方向有一個(gè)波長極限，稱為短短波限波限0，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)電子把它的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)它對(duì)應(yīng)于一個(gè)電子把它的全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)X射射線光子的輻射能。線光子的輻射能。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影它只與管電壓有關(guān)，不受其

18、它因素的影響。響。v相互關(guān)系為：相互關(guān)系為： 式中式中e 電子電荷，等于電子電荷，等于 靜電單位靜電單位 V電子通過兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）電子通過兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）0maxhcheV1010803. 4連續(xù)連續(xù)X射線的總強(qiáng)度射線的總強(qiáng)度v連續(xù)連續(xù)X射線的總強(qiáng)度取決于射線的總強(qiáng)度取決于電壓電壓、電流電流、陽極、陽極靶靶原子序數(shù)原子序數(shù)v實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)X射線的總強(qiáng)度與管電流射線的總強(qiáng)度與管電流i、管、管電壓電壓V、陽極靶的原子序數(shù)、陽極靶的原子序數(shù)Z存在如下關(guān)系：存在如下關(guān)系：miZVkI1管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)對(duì)連續(xù)譜的影響管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)對(duì)連

19、續(xù)譜的影響 1.4.2 特征特征X射線（標(biāo)識(shí)射線（標(biāo)識(shí)X射線）射線）v從圖可見，當(dāng)電壓加到從圖可見，當(dāng)電壓加到25KV時(shí)，時(shí)，Mo靶的連續(xù)靶的連續(xù)X射線譜上出現(xiàn)了射線譜上出現(xiàn)了兩個(gè)尖銳的峰兩個(gè)尖銳的峰K和和K。隨著電。隨著電壓的增大，其強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，壓的增大，其強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，但波長不變。也就是說，這些但波長不變。也就是說，這些譜譜線的波長與管壓和管流無關(guān)，它線的波長與管壓和管流無關(guān)，它與靶材有關(guān)，對(duì)給定的靶材，它與靶材有關(guān)，對(duì)給定的靶材，它們的這些譜線是特定的們的這些譜線是特定的。因此，。因此，稱之為稱之為特征特征X射線或標(biāo)識(shí)射線或標(biāo)識(shí)X射線射線。產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X射線的最低電壓稱射線的最

20、低電壓稱激激發(fā)電壓發(fā)電壓。特征特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理射線產(chǎn)生的機(jī)理v特征特征X射線光譜產(chǎn)生的原因與連續(xù)光譜完全不射線光譜產(chǎn)生的原因與連續(xù)光譜完全不同。由陰極飛馳來的電子，在其與陽極的原子同。由陰極飛馳來的電子，在其與陽極的原子相作用時(shí)，把其能量傳給這些原子中的電子，相作用時(shí)，把其能量傳給這些原子中的電子，把這些電子激發(fā)到更高一級(jí)的能級(jí)上把這些電子激發(fā)到更高一級(jí)的能級(jí)上；換句話；換句話說，就是說，就是把原子的內(nèi)層電子打到外層或者甚至把原子的內(nèi)層電子打到外層或者甚至把它打到原子外面，而使原子電離，從而在原把它打到原子外面，而使原子電離，從而在原子的內(nèi)電子層中留有缺席的位置。子的內(nèi)電子層中留有缺席的位

21、置。特征特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理射線產(chǎn)生的機(jī)理v此時(shí)原子過渡到不穩(wěn)定的受刺激的狀態(tài)。原子停留在這此時(shí)原子過渡到不穩(wěn)定的受刺激的狀態(tài)。原子停留在這樣的受刺激狀態(tài)的壽命不超過樣的受刺激狀態(tài)的壽命不超過10-3秒，外層的電子立即秒，外層的電子立即落到內(nèi)層填補(bǔ)空位。當(dāng)發(fā)生這種過渡時(shí)，原子的能量重落到內(nèi)層填補(bǔ)空位。當(dāng)發(fā)生這種過渡時(shí)，原子的能量重新減少，多余的能量就作為新減少，多余的能量就作為X射線量子發(fā)射出來射線量子發(fā)射出來X射線射線的頻率由下式?jīng)Q定：的頻率由下式?jīng)Q定：hv =E2-E1式中式中E1和和E2為原子的正常狀態(tài)能量和受刺激狀態(tài)時(shí)的能量為原子的正常狀態(tài)能量和受刺激狀態(tài)時(shí)的能量v由于各類原子的能級(jí)有

22、別，所以由于各類原子的能級(jí)有別，所以特征特征X射線的波長隨陽射線的波長隨陽極的材料而異極的材料而異。特征。特征X射線的波長與陽極材料的原子序射線的波長與陽極材料的原子序數(shù)的平方成反比。數(shù)的平方成反比。莫塞來定律莫塞來定律v莫塞來莫塞來1914年總結(jié)了特征年總結(jié)了特征X射線與靶材原子結(jié)構(gòu)之間的射線與靶材原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：關(guān)系： 或或 式中式中K為與靶中主元素有關(guān)的常數(shù)，為與靶中主元素有關(guān)的常數(shù)，為屏蔽常數(shù)，與為屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層有關(guān)。電子所在的殼層有關(guān)。v反過來，如果能測到材料中元素發(fā)射的特征反過來，如果能測到材料中元素發(fā)射的特征X射線的波射線的波長，長，就能知道產(chǎn)生這些特征就能知道產(chǎn)

23、生這些特征X射線元素是什么射線元素是什么。這就是。這就是X射線熒光光譜和電子探針分析的理論基礎(chǔ)。射線熒光光譜和電子探針分析的理論基礎(chǔ)。)(1ZK)(ZK特征特征X射線的命名方法射線的命名方法v當(dāng)當(dāng)K電子被打出電子被打出K層時(shí)，如層時(shí)，如L層電子來填充層電子來填充K空位時(shí)，則空位時(shí)，則產(chǎn)生產(chǎn)生K輻射輻射。同樣當(dāng)。同樣當(dāng)K空位被空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生K輻射輻射。M能級(jí)與能級(jí)與K能級(jí)之差大于能級(jí)之差大于L能級(jí)與能級(jí)與K能級(jí)之差，能級(jí)之差，即一個(gè)即一個(gè)K光子的能量大于一個(gè)光子的能量大于一個(gè)K光子的能量；光子的能量； 但因但因LK層躍遷的幾率比層躍遷的幾率比MK遷附幾率大，故遷

24、附幾率大，故K輻射強(qiáng)輻射強(qiáng)度比度比K輻射強(qiáng)度大五倍左右。顯然，當(dāng)輻射強(qiáng)度大五倍左右。顯然，當(dāng)L層電子填充層電子填充K層后，原子由層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如如M、N層的電子將填充層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生層空位，產(chǎn)生L系輻射系輻射。特征特征X射線射線v放大看，放大看，K還包括兩還包括兩個(gè)峰（圖），個(gè)峰（圖），K波長波長比比K長，長，K與與K強(qiáng)度強(qiáng)度比約為比約為5：1，放大看，放大看，K還分為還分為K1和和K2兩條兩條線。線。K1和和K2強(qiáng)度比約強(qiáng)度比約為為2：1。 特征特征X射線的命名方法射線的命名方法v因此，當(dāng)原子受到因此，當(dāng)原子受到K

25、激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，系輻射外，還將伴生還將伴生L、M等系的輻射。除等系的輻射。除K系輻射因波系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。長而被吸收。vK雙線的產(chǎn)生與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。雙線的產(chǎn)生與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層層的的8個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。上。K雙線系電子分別由雙線系電子分別由L和和L兩個(gè)亞層躍遷兩個(gè)亞層躍遷到到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由而由LI亞層到亞層到K層因不符合層因不符合選擇定則選擇定則（此時(shí)（此時(shí)L0），因此沒有

26、輻射。），因此沒有輻射。選擇定則選擇定則v選擇定則：選擇定則：n0，l1和和j0，其中其中n、l、j分別分別表示主量子數(shù)，表示主量子數(shù)，軌道角動(dòng)量量子軌道角動(dòng)量量子數(shù)和總角動(dòng)量量數(shù)和總角動(dòng)量量子數(shù)。子數(shù)。特征特征X射線射線v飛馳到陽極上的電子能夠把陽極材料中原子內(nèi)某一個(gè)能飛馳到陽極上的電子能夠把陽極材料中原子內(nèi)某一個(gè)能階上的電子打掉，則飛馳來的電子必須有足夠的動(dòng)能；階上的電子打掉，則飛馳來的電子必須有足夠的動(dòng)能；換言之，加于換言之，加于X射線管上的電壓必須超過某一個(gè)確定的射線管上的電壓必須超過某一個(gè)確定的數(shù)量。數(shù)量。原子里面，電子愈靠近原子核，則與核聯(lián)系愈緊原子里面，電子愈靠近原子核，則與核聯(lián)

27、系愈緊密。因此，激發(fā)密。因此，激發(fā)K系射線所需的電位比激發(fā)系射線所需的電位比激發(fā)L系線要高；系線要高；而而L系線比系線比M線要高。線要高。v同是同是K層電子，在不同原子中與原了核聯(lián)系的緊密程度層電子，在不同原子中與原了核聯(lián)系的緊密程度亦有差異。當(dāng)然，亦有差異。當(dāng)然，原子序數(shù)愈高，則原子核對(duì)原子序數(shù)愈高，則原子核對(duì)K層電子層電子的聯(lián)系也愈緊，激發(fā)的聯(lián)系也愈緊，激發(fā)K層電子所需的電壓也愈高層電子所需的電壓也愈高。v產(chǎn)生各種特征產(chǎn)生各種特征X射線所必須的最低電壓稱為激發(fā)電壓，射線所必須的最低電壓稱為激發(fā)電壓，激發(fā)電壓隨原子的種類以及射線的種類而異激發(fā)電壓隨原子的種類以及射線的種類而異。1.4.3 X

28、射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度vX射線強(qiáng)度：射線強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于X射線傳射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的總和。播方向的單位面積上的光子數(shù)目的總和。vX射線的強(qiáng)度是由輻射出的射線的強(qiáng)度是由輻射出的光子數(shù)目光子數(shù)目決定的。連決定的。連續(xù)續(xù)X射線的強(qiáng)度除與管電壓和管電流有關(guān)外，還射線的強(qiáng)度除與管電壓和管電流有關(guān)外，還與還與陽極靶的物質(zhì)種類有關(guān)。與還與陽極靶的物質(zhì)種類有關(guān)。v特征特征X射線的強(qiáng)度與管電壓和管電流有關(guān)。只有射線的強(qiáng)度與管電壓和管電流有關(guān)。只有管電壓達(dá)到某一確定的臨界值后，才能有特征管電壓達(dá)到某一確定的臨界值后，才能有特征X射線產(chǎn)生。該電壓稱為陽極物質(zhì)的最低激發(fā)

29、電壓。射線產(chǎn)生。該電壓稱為陽極物質(zhì)的最低激發(fā)電壓。1.5 X射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用 vX射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線射線通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射一部分被散射，一部分被一部分被吸收吸收，一部分一部分透過透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播方向傳播。1.5.1 X射線的散射射線的散射 vX射線通過物質(zhì)時(shí)，部分射線通過物質(zhì)時(shí)，部分X射線將改變它射線將改變它們前進(jìn)的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。們前進(jìn)的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。X射

30、線射線的散射包括兩種：的散射包括兩種：相干散射相干散射、非相干散非相干散射射。v 當(dāng)入射當(dāng)入射X射線光子與原子射線光子與原子中束縛較緊的電子發(fā)生中束縛較緊的電子發(fā)生彈彈性碰撞時(shí)性碰撞時(shí)，X射線光子的射線光子的能量不足以使電子擺脫束能量不足以使電子擺脫束縛，電子的散射線波長與縛，電子的散射線波長與入射線波長相同，有確定入射線波長相同，有確定的相位關(guān)系。這種的相位關(guān)系。這種散射稱散射稱相 干 散 射 或 湯 姆 遜相 干 散 射 或 湯 姆 遜（Thomson）散射）散射。（1）相干散射）相干散射（2）非相干散射）非相干散射 v當(dāng)入射當(dāng)入射X射線光子與原子中束射線光子與原子中束縛較弱的電子（如外層

31、電子）縛較弱的電子（如外層電子）發(fā)生發(fā)生非彈性碰撞非彈性碰撞時(shí)，光子消耗時(shí)，光子消耗一部分能量作為電子的動(dòng)能，一部分能量作為電子的動(dòng)能，于是電子被撞出原子之外，同于是電子被撞出原子之外，同時(shí)發(fā)出波長變長、能量降低的時(shí)發(fā)出波長變長、能量降低的非 相 干 散 射 或 康 普 頓非 相 干 散 射 或 康 普 頓（Compton）散射。）散射。1.5.2 X射線的吸收射線的吸收 v物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是射線的吸收指的是X射線能量在通過物射線能量在通過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能射線發(fā)生了能量損耗。量損耗。v物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子

32、射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起躍遷而引起的。這個(gè)過程中發(fā)生的。這個(gè)過程中發(fā)生X射線的射線的光電光電效應(yīng)效應(yīng)和和俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)。（1 1）光電效應(yīng)）光電效應(yīng)v當(dāng)用當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí)，若射線轟擊物質(zhì)時(shí)，若X射線的能量大于物質(zhì)射線的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子射線光子的能量就會(huì)被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如的能量就會(huì)被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級(jí)上的電子產(chǎn)生躍遷，層電子）被激發(fā)，并使高能級(jí)上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征發(fā)射新的特征X射線。射線。v我們稱我們稱X射線激發(fā)的特征射線激發(fā)的特征X射線為射線

33、為二次特征二次特征X射線射線或或熒光熒光X射線射線。（2）俄歇效應(yīng)）俄歇效應(yīng)v當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次二次X射線，而是射線，而是被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收收，并促使該電子，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)是俄歇這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的。故稱俄歇效應(yīng)，年發(fā)現(xiàn)的。故稱俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。v二次電子具有特定的能量值，可以用來表征這些二次電子具有特定的能量值，可以用來表征這些原子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分原子。

34、利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。析材料表面的成分。1.6.3 X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 vX射線通過物質(zhì)時(shí)，射線通過物質(zhì)時(shí)，X射線強(qiáng)度衰減了。射線強(qiáng)度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，X射線通過物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物射線通過物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。v當(dāng)一束當(dāng)一束X射線通過物射線通過物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所

35、經(jīng)過物減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。質(zhì)中的距離成正比。HHHxxxdxxxmeIeIIdxIdIIII0/0質(zhì)量衰減系數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)m vm：表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)：表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰射線強(qiáng)度的衰減程度。減程度。v質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下存在如下近似關(guān)系：近似關(guān)系： K為常數(shù)為常數(shù)vm 隨隨的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。突變對(duì)應(yīng)的波長為變分開。突變對(duì)應(yīng)的波長為K吸收限。吸收限。33ZKm1）吸收系數(shù)隨波長的增大而增大）吸收系數(shù)隨波長的增大而增大, 且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因?yàn)闉閄射線的波長越長越容易被物質(zhì)所吸收。射線的波長越長越容易被物質(zhì)所吸收。2）在某些波長的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限）在某些波長的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限的存在。的存在。 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 v在在X射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用的的X射線波長單一，即射線波長單一，即“單色單色”X射線。射線。v但實(shí)際上，如上所述，