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會(huì)計(jì)學(xué)1X射線衍射分析原理物質(zhì)的性質(zhì)、材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如果你有一雙X射線的眼睛,就能把物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)看個(gè)清清楚楚明明白白!X射線衍射將會(huì)有助于你探究為何成份相同的材料,其性能有時(shí)會(huì)差異極大.X射線衍射將會(huì)有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑。第1頁/共37頁32.1X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2.1.1X射線的產(chǎn)生X射線的發(fā)現(xiàn)X射線的發(fā)現(xiàn)及其本質(zhì)的確定在物理學(xué)上具有劃時(shí)代的意義。代表著經(jīng)典物理學(xué)與近代物理學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。1895年11月8日,德國物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電現(xiàn)象時(shí),偶然發(fā)現(xiàn)凳子上鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)出熒光。第2頁/共37頁4性質(zhì)(Properties):具有很強(qiáng)的穿透能力,能使照片感光,空氣電離。陰級(jí)陽級(jí)+-第3頁/共37頁5倫琴夫人的手X照片戒指第4頁/共37頁6NaCl晶體的三維空間點(diǎn)陣1912年英國物理學(xué)家布拉格父子X射線的應(yīng)用第5頁/共37頁7勞厄斑LauespotsX射線X--ray晶體crystal勞厄斑Lauespots晶體的三維光柵Three-dimensional“diffractiongrating”2X射線的本質(zhì)1914年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第6頁/共37頁8由此,X射線被證實(shí)是一種頻率很高(波長很短)的電磁波。X射線的本質(zhì)是電磁輻射,與可見光完全相同,僅是波長短而已,因此具有波粒二像性。(1)波動(dòng)性;(2)粒子性。第7頁/共37頁9波動(dòng)性X射線的波長范圍:0.01~100?表現(xiàn)形式:在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象,即證明了X射線的波動(dòng)性。第8頁/共37頁10粒子性具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。X射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量E、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系:
h——普朗克常數(shù),等于6.62510-34Js;c——X射線的速度,等于2.9981010cm/s.
第9頁/共37頁11介于紫外線和射線之間第10頁/共37頁12X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可見光微波無線電波在電磁波譜中,X射線的波長范圍約為0.001nm到10nm,相當(dāng)于可見光波長的10萬分之一到50分之一。第11頁/共37頁13X射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的電子流
射線X射線中子流高能輻射流在突然被減速時(shí)均能產(chǎn)生X射線一、X射線的產(chǎn)生與性質(zhì)第12頁/共37頁14
X射線管X射線管示意圖第13頁/共37頁15第14頁/共37頁16
X射線機(jī)圖3X射線機(jī)的主要線路圖第15頁/共37頁17
X射線管的工作原理X射線管電子槍:產(chǎn)生電子并將電子束聚焦,鎢絲繞成螺旋式,通以電流鎢絲燒熱放出自由電子。金屬靶:發(fā)射X射線,陽極靶通常由傳熱性好熔點(diǎn)較高的金屬材料制成,如銅、鈷、鎳、鐵、鋁等。第16頁/共37頁18
X射線管的工作原理
整個(gè)X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)陰極和陽極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時(shí),陰極燈絲產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)的作用下被加速并以高速射向陽極靶,經(jīng)高速電子與陽極靶的碰撞,從陽極靶產(chǎn)生X射線,這些X射線通過用金屬鈹(厚度約為0.2mm)做成的X射線管窗口射出,即可提供給實(shí)驗(yàn)所用。第17頁/共37頁191.X射線是一種電磁波,具有波粒二象性;2.X射線的波長:10-2~102
?3.X射線的(?)、振動(dòng)頻峰和傳播速度C(m·s-1)符合
=c/
(1)
X射線的性質(zhì)第18頁/共37頁204.X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子E=hv(2)P=h/
(3)
由公式(1)和(2)可得到X射線波長與X光子的關(guān)系為:X射線的性質(zhì)(4)第19頁/共37頁21X射線的性質(zhì)
X射線具有很高的穿透能力,可以穿過黑紙及許多對(duì)于可見光不透明的物質(zhì);X射線沿直線傳播,即使存在電場(chǎng)和磁場(chǎng),也不能使其傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn);X射線肉眼不能觀察到,但可以使照相底片感光。在通過一些物質(zhì)時(shí),使物質(zhì)原子中的外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光;X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織,人體組織在受到X射線的輻射時(shí),生理上會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)。第20頁/共37頁22連續(xù)譜:強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的連續(xù)譜。 (見圖6)特征譜:波長一定、強(qiáng)度很大的特征譜。只有當(dāng)管電壓超過一定值Vk(激發(fā)電壓)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生,只取決于光管的陽極靶材料,不同的靶材具有其特有的特征譜線。特征譜線又稱為標(biāo)識(shí)譜,即可以來標(biāo)識(shí)物質(zhì)元素。(見圖7)X射線譜2.1.2連續(xù)X射線譜第21頁/共37頁23X射線的物理基礎(chǔ)連續(xù)X射線譜圖6各管電壓下W的連續(xù)譜第22頁/共37頁24連續(xù)X射線譜特點(diǎn)1)強(qiáng)度隨波長而連續(xù)變化,每條曲線都對(duì)應(yīng)有一個(gè)最短的波長(短波限0)和一個(gè)強(qiáng)度的最大值。最大值一般在1.50地方。2)0與管流和靶的材料無關(guān),只與管壓有關(guān),二者之間的關(guān)系:0=1.24/U(nm)
隨著管壓的增大,0向短波方向移動(dòng)。3)強(qiáng)度不僅與管壓有關(guān),還與管流和靶材有關(guān)。
I連=K1IZUm
強(qiáng)度隨管流、管壓和靶材的原子序數(shù)的增大而增大。當(dāng)需要連續(xù)X射線時(shí),采用重元素的靶能得到較強(qiáng)的連續(xù)X射線。第23頁/共37頁25X射線的物理基礎(chǔ)連續(xù)X射線產(chǎn)生機(jī)理
在X射線光管中,由陰極燈絲所發(fā)射的能量巨大電子經(jīng)電場(chǎng)加速后以極高的速度撞向陽極靶,加速電子的大部分能量轉(zhuǎn)化為熱量而損耗,而部分動(dòng)能則以電磁輻射即X射線釋放。由于陰極所產(chǎn)生的電子數(shù)量巨大,這些能量巨大的電子撞向陽極靶上的條件和碰撞時(shí)間不可能一致,因而所產(chǎn)生的電磁輻射也各不相同,從而就形成了各種波長的連續(xù)X射線。第24頁/共37頁26連續(xù)譜的經(jīng)驗(yàn)公式可表達(dá)為:C為常數(shù),Z為陽極材料的原子序數(shù)。X射線連續(xù)譜的強(qiáng)度隨著X射線管的管電壓增加而增大,最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長max變小,最短波長界限0減??;
連續(xù)譜中接近最短波長處的輻射較多。第25頁/共37頁27X射線的物理基礎(chǔ)特征X射線Mo靶X光管發(fā)出X光譜強(qiáng)度(35kV時(shí))波長一定、強(qiáng)度很大。只有當(dāng)管電壓超過一定值Uk(激發(fā)電壓)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生,只取決于光管的陽極靶材料,不同的靶材具有其特有的特征譜線。特征譜線又稱為標(biāo)識(shí)譜,即可以來標(biāo)識(shí)物質(zhì)元素。第26頁/共37頁28X射線的物理基礎(chǔ)原子結(jié)構(gòu)殼層理論
高能電子撞擊陽極靶時(shí),會(huì)將陽極物質(zhì)原子中K層電子撞出電子殼層,在K殼層中形成空位,原子系統(tǒng)能量升高,使體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài),按能量最低原理,L、M、N一層中的電子會(huì)躍入K層的空位,為保持體系能量平衡,在躍遷的同時(shí),這些電子會(huì)將多余的能量以X射線光量子的形式釋放。第27頁/共37頁29特征X射線產(chǎn)生原理圖第28頁/共37頁30X射線的物理基礎(chǔ)
K系標(biāo)識(shí)X射線:
對(duì)于從L,M,N…殼層中的電子躍入K殼層空位時(shí)所釋放的X射線,分別稱之為K
、
K
、
K…譜線,共同構(gòu)成K系標(biāo)識(shí)X射線。第29頁/共37頁31K波長比K長,K與K強(qiáng)度比約為5:1。放大看,K
還分為K1和K2兩條線。K1和K2強(qiáng)度比約為2:1由于K1和K2波長相差很小。一般將它們視為同一條線K。其波長用二者的加權(quán)平均。第30頁/共37頁32特征X射線譜線的波長與管壓和管流無關(guān),只與靶材有關(guān)。對(duì)給定的靶材,它們的這些譜線是特定的。因此,稱之為特征X射線譜或標(biāo)識(shí)X射線譜。產(chǎn)生特征X射線的最低電壓稱激發(fā)電壓。
第31頁/共37頁33不同靶材料具有不同波長的特征X射線和激發(fā)電壓第32頁/共37頁34
Moseley1914年總結(jié)了特征X射線與靶材原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系:C為常數(shù),與原子的主量子數(shù)有關(guān)為屏蔽常數(shù),與電子所在的殼層有關(guān)
反過來,如果能測(cè)到材料中元素發(fā)射的特征X射線的波長,就能知道產(chǎn)生這些特征X射線元素是什么。這就是X射線熒光光譜和電子探針分析的理論基礎(chǔ)。第33頁/共37頁35說明:1)激發(fā)電壓對(duì)不同的陽極靶是不同的,它由陽極靶的原子序數(shù)Z所決定。
2)陽極靶不同產(chǎn)生的特征X射線的波長不同。
3)工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。因?yàn)楫?dāng)工作電壓激發(fā)電壓的3-5倍時(shí),I特/I連最大。
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