第1章 X射線性質(zhì)

材料分析測(cè)試技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）材料科學(xué)與工程學(xué)院夏龍

X射線衍射分析技術(shù)材料：你們最關(guān)心的是什么？

性能：你認(rèn)為與哪些因素有關(guān)？

結(jié)構(gòu)：有哪些檢測(cè)分析技術(shù)？緒論物質(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。1、衍射分析技術(shù)的發(fā)展與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

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1-1X射線的本質(zhì)；

1-2X射線的產(chǎn)生；

1-3X射線譜；

1-4X射線與物質(zhì)相互作用；

1-5X射線的探測(cè)與防護(hù)；

返回電磁波譜1-1X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動(dòng)性;(2)粒子性。波動(dòng)性X射線的波長(zhǎng)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。硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）或晶體學(xué)單位（kX）表示；粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長(zhǎng)λ以及其光子的能量ε、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×cm/s.

相關(guān)習(xí)題：

1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71A（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？

解答1-2X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)過程演示；

(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

產(chǎn)生原理高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng);3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖（回車鍵演示）過程演示X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)；圖；

2.特殊構(gòu)造的X射線管；

3.市場(chǎng)上供應(yīng)的種類。

X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（）二極管?；窘M成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。

(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

特殊構(gòu)造的X射線管；

(1)細(xì)聚焦X射線管；

(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。

1-3X射線譜

由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；

(2)標(biāo)識(shí)X射線。

連續(xù)X射線具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理；

演示過程；

短波限；

X射線的強(qiáng)度。

產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hγ的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于靜電單位；V——電子通過兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）；h——普朗克常數(shù)，等于X射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。標(biāo)識(shí)X射線

是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。

1.標(biāo)識(shí)X射線的特征

;2.產(chǎn)生機(jī)理

;3.過程演示

;4.K系激發(fā)機(jī)理

;5.莫塞萊定律；

6.標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征。

標(biāo)識(shí)X射線的特征

當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為Kα和Kβ，波長(zhǎng)分別為0.71A和0.63A.標(biāo)識(shí)X射線的特征產(chǎn)生機(jī)理

陽極靶原子的內(nèi)層電子被擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射Kβ輻射L輻射過程演示K系激發(fā)機(jī)理

K層電子被擊出時(shí)，L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射。由能級(jí)可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。K系激發(fā)機(jī)理莫塞萊定律

標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征

K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。1-4X射線與物質(zhì)相互作用

一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的散射

；X射線的吸收

；X射線的衰減規(guī)律；

吸收限的應(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)

。X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。相干散射物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射。非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。非相干散射會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對(duì)輕元素。X射線的吸收

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。

X射線的衰減規(guī)律

當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。式質(zhì)量衰減系數(shù)μm

表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)μm隨λ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(zhǎng)為K吸收限。光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱為熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限λk。俄歇效應(yīng)原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時(shí)，放出εK-εL能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1)熒光X射線；(2)產(chǎn)生二次電離，使另一個(gè)核外電子成為二次電子——俄歇電子。光電效應(yīng)與俄歇效應(yīng)吸收限的應(yīng)用

吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長(zhǎng)等于或小于λ時(shí)光子的能量E到擊出一個(gè)K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使μm突變性增大。吸收限與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。如L系有三個(gè)副層，有三個(gè)吸收限。濾波片的選擇:(1)它的吸收限位于輻射源的Kα和Kβ之間，且盡量靠近Kα。強(qiáng)烈吸收Kβ，Kα吸收很??；(2)濾波片的以將Kα強(qiáng)度降低一半最佳。Z靶<40時(shí)Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時(shí)Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:（1）陽極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1。吸收限的應(yīng)用X射線的折射

X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999~0.999999。

X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)1-5X射線的探測(cè)與防護(hù)

（1)X射線的探測(cè)；（2）X射線的安全防護(hù)。

X射線的探測(cè)熒光屏法；

照相法；

輻射探測(cè)器法：X射線光子對(duì)氣體和某些固態(tài)物質(zhì)的電離作用可以用來檢查X射線的存在與否和測(cè)量它和強(qiáng)度。按照這