X射線的物理基礎(chǔ)

會(huì)計(jì)學(xué)1X射線的物理基礎(chǔ)B本課程特點(diǎn)原理性強(qiáng)：各種儀器、方法均基于一定的原理（物理、機(jī)械、電子等）。知識(shí)面廣：多門基礎(chǔ)知識(shí)作為，如物理學(xué)、材料學(xué)、晶體學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械等。應(yīng)用性強(qiáng)：醫(yī)學(xué)、工業(yè)，如晶體結(jié)晶學(xué)、生物、化工、材料。第1頁/共43頁C學(xué)習(xí)方法課堂講授為主，課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí),上課提問和回答問題習(xí)題加以鞏固（每章后均布置習(xí)題），配有TA輔導(dǎo)及改作業(yè)

實(shí)驗(yàn)加深（實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告），共有6個(gè)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，每位同學(xué)必須操作儀器，同時(shí)有部分演示性實(shí)驗(yàn)第2頁/共43頁問題：為什么要學(xué)習(xí)本門課程？1、材料的基本三要素是什么？成分、組織、性能2、從結(jié)構(gòu)性質(zhì)來分，材料分為哪兩類？晶體、非晶體（化學(xué)組成、性質(zhì)用途、形態(tài)）3、本課程主要解決的問題？課本前言第3頁/共43頁高嶺土的礦物結(jié)構(gòu)第4頁/共43頁高嶺土顯微形貌第5頁/共43頁湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍此劍鋒芒犀利，寒光閃閃，出土?xí)r插于漆木鞘里，保存如新，至今猶能斷發(fā)。經(jīng)分析測(cè)定，劍脊含錫低（10%），韌性好而不易折斷；刃部含錫高（20%），剛而鋒利。這種復(fù)合金屬制造技術(shù)其他國家直到近代才掌握。第6頁/共43頁湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤中國古代鐵器的金相組織第7頁/共43頁第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

及晶體衍射的幾何基礎(chǔ)本章要點(diǎn)：緒論X射線的本質(zhì)X射線的產(chǎn)生X射線譜X射線與物質(zhì)的相互作用第8頁/共43頁材料三要素成分組織性能工藝調(diào)控設(shè)計(jì)第9頁/共43頁與X射線有關(guān)的Nobel物理獎(jiǎng)獲得者1901年W.C.倫琴（德國人）：發(fā)現(xiàn)X射線1914年M.V.勞厄（德國人）：發(fā)現(xiàn)晶體中的X射線衍射現(xiàn)象1915年W.H.布拉格、W.L.布拉格（英國人）：借助X射線，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析1917年C.G.巴克拉（英國人）：發(fā)現(xiàn)元素的次級(jí)X輻射的特征

1937年C.J.戴維森（美國人）、G.P.湯姆森（英國人）：發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射現(xiàn)象

第10頁/共43頁X射線在材料研究方面的應(yīng)用1、單晶材料：晶體結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性和取向方位、缺陷觀察（完整性）2、物相鑒定（定性分析）3、定量分析、測(cè)定相圖或固溶度4、晶粒大小、應(yīng)力應(yīng)變第11頁/共43頁1X射線的性質(zhì)X射線一方面具有波動(dòng)的性質(zhì)，有一定的頻率和波長，反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性；另一方面具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子流，反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分立性。這種波動(dòng)性與粒子性相互并存的性質(zhì)稱為X射線的波-粒二象性。X射線具有很強(qiáng)的穿透物質(zhì)的能力，經(jīng)過電場和磁場時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)穿過物質(zhì)時(shí)X射線可被偏振化，可被吸收而使強(qiáng)度衰減，它能夠使空氣或其它氣體電離，能激發(fā)熒光效應(yīng)，使照相底片感光，并能殺死生物細(xì)胞與組織等。是一種能量載體。§1.1X射線的物理基礎(chǔ)第12頁/共43頁電磁波譜及其產(chǎn)生圖第13頁/共43頁2X射線的產(chǎn)生條件

X射線產(chǎn)生示意圖第14頁/共43頁1.產(chǎn)生并發(fā)射自由電子（例如加熱鎢燈絲發(fā)射熱電子）；2.在真空中（一般為10-6毫米汞柱）迫使自由電子朝一定方向加速運(yùn)動(dòng)，以獲得盡可能高的速度；3.在高速電子流的運(yùn)動(dòng)路程上設(shè)置一障礙物（陽極靶），使高速運(yùn)動(dòng)的電子突然受阻而停止下來。這樣，靶面上就會(huì)發(fā)射出X射線。產(chǎn)生條件第15頁/共43頁X射線管的工作條件工作參數(shù)：35～50KV，10～35mA，功率密度100W/mm2；通常用旋轉(zhuǎn)陽極散熱X射線焦點(diǎn)：陽極靶上被電子束轟擊的區(qū)域?yàn)榻裹c(diǎn)，影響衍射圖像的形狀、清晰度額分辨率1×10mm；0.1×10mm第16頁/共43頁3X射線譜3.1連續(xù)X射線譜產(chǎn)生：

連續(xù)X射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子被陽極靶突然阻止而產(chǎn)生的。右圖是鎢陽極X射線管所發(fā)出的連續(xù)X射線譜的示意圖。

第17頁/共43頁實(shí)驗(yàn)規(guī)律

當(dāng)逐步增加X射線管的管電壓時(shí)，圖中的強(qiáng)度曲線I（λ）有下列變化：A.各種波長射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高；B.最高強(qiáng)度的射線波長逐漸變短（曲線峰值向左方移動(dòng)）；C.短波限λ0

逐漸變小，即λ0

向左方移動(dòng)，與此同時(shí)波譜變寬。

當(dāng)X射線管中高速運(yùn)動(dòng)著的電子到達(dá)陽極靶表面突然受阻時(shí)，產(chǎn)生了極大的附加速度.根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的電動(dòng)力學(xué)理論，一個(gè)電子在受到這樣一個(gè)加速度時(shí)，必然產(chǎn)生一個(gè)電磁波或者最少一個(gè)電磁脈沖。極大數(shù)量的電子射到陽極靶上的條件和時(shí)間是不可能一樣的，因而電磁脈沖也各不相同，形成了具有各種波長的連續(xù)Ｘ射線譜。第18頁/共43頁量子理論的觀點(diǎn)當(dāng)電子被陽極靶突然制止時(shí)，其動(dòng)能的一部分將轉(zhuǎn)化為一個(gè)或幾個(gè)Ｘ射線光子，其余部分將轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)一個(gè)電子的動(dòng)能毫無損失地全部轉(zhuǎn)化為一個(gè)Ｘ射線光子時(shí)，光子的能量：

ξ＝1/2mv2=eV=hv最大＝hc/λ0

光子達(dá)到了最高的能量，最大的頻率和最短的波長。但是絕大多數(shù)高速電子與陽極靶撞擊時(shí)，它的部分能量p要消耗于高速電子的全部內(nèi)能上，所以轉(zhuǎn)化為Ｘ射線光子的能量小于高速電子的全部能，即：

ξ＝hυ＝eV-p

另外，一個(gè)電子的能量也可能轉(zhuǎn)化為幾個(gè)光子或分幾次轉(zhuǎn)化，這都說明大部分輻射波長λ〉λ0，即λ0〉12.4/λ并呈連續(xù)的分布，也就是構(gòu)成了連續(xù)Ｘ射線譜。第19頁/共43頁3.2特征X射線譜原子結(jié)構(gòu)：原子核、電子（K、L、M、N……）；每層2n2個(gè)電子能量分布：K、L、M、N……層能量最低，電子總是先占滿最低層能量最低原理：K層電子激發(fā)，L、M、N上的電子往K層躍遷，多余的能量以X射線光子的形式釋放第20頁/共43頁特征X射線產(chǎn)生示意圖第21頁/共43頁產(chǎn)生：

當(dāng)管電壓超過某一臨界值V激后（如對(duì)鉬靶超過20千伏），強(qiáng)度分布曲線I（λ）將產(chǎn)生顯著的變化，即在連續(xù)X射線譜的某幾個(gè)特定波長的地方，強(qiáng)度突然顯著的增大，如圖所示。由于它們的波長反映了靶材料的特征，因此稱之為特征X射線譜。第22頁/共43頁圖中兩個(gè)強(qiáng)度特別高的窄峰稱為鉬的K系X射線，波長為0.63埃的是Kβ射線，波長為0.71埃的是Kα射線。Kα射線又可以細(xì)分為Kα1及Kα2

兩條線。當(dāng)用原子序數(shù)較高的金屬做陽極靶時(shí)，除去K系射線外，還可得到L、M等系的特征X射線。在通常X射線衍射工作中，一般均采用強(qiáng)而窄的Kα

譜線。

當(dāng)繼續(xù)提高管電壓時(shí)，圖中所示各特征X射線的強(qiáng)度不斷提高，但其波長不變。第23頁/共43頁實(shí)驗(yàn)規(guī)律A.產(chǎn)生特征X射線所需的最低管電壓（稱為激發(fā)電壓V激），對(duì)不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶的原子序數(shù)Z所決定的B.陽極靶不同，所產(chǎn)生的特征X射線譜的波長也不同．C.當(dāng)管電壓超過V激而進(jìn)一步升高時(shí)，K系特征X射線的波長不變，而強(qiáng)度按N次方的規(guī)律增大：

I特征=ci(V-V激）n

式中I為管電流；V為管電壓；V激為激發(fā)電壓，由陽極靶所決定；n為常數(shù)，約為1.5～2；c為比例常數(shù)，與特征X射線的波長有關(guān)。D.特征X射線和連續(xù)X射線強(qiáng)度的比率，在X射線管的工作電壓V為激發(fā)電壓V激的3-5倍時(shí)最大．第24頁/共43頁莫塞萊定律莫塞萊發(fā)現(xiàn)：同系特征X射線的波長,隨陽極靶的原子序數(shù)的增加而變短,在射線頻率V的平方根和原子序數(shù)Z之間存在線性關(guān)系,即:

這個(gè)關(guān)系稱為莫塞萊定律,式中的C和σ都是常數(shù).應(yīng)用：K系標(biāo)識(shí)X射線（Kα、Kβ、Kγ），其他的波長很長，強(qiáng)度很弱，易被吸收；實(shí)驗(yàn)測(cè)定：I（譜線）Kα是Kβ的兩倍，取λα＝2/3λα1+1/3λα2第25頁/共43頁3.4X射線與物質(zhì)的相互作用

1.經(jīng)典散射

X射線是一種電磁波,當(dāng)它通過物質(zhì)時(shí),在入射束電場的作用下,物質(zhì)原子中的電子將被迫圍繞其平衡位置發(fā)生震動(dòng),并在運(yùn)動(dòng)期間被連續(xù)地加速和減速.同時(shí)向其四周輻射出與入射線同頻率的電磁波,即入射波將自身的能量傳給了電子,而電子又將該能量轉(zhuǎn)化為與入射波長相同的散射X射線.

由于經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論可以圓滿的地解釋這種電子散射現(xiàn)象及其定量關(guān)系,所以將這中散射稱為經(jīng)典散射.第26頁/共43頁2非相干散射

當(dāng)X射線沖擊束縛力不大的電子或自由電子時(shí)，可以產(chǎn)生另一種散射電子將被撞出原來軌道，成為反沖電子，而入射光子自身亦被撞偏了一個(gè)角度α（如圖）。散射線能量因部分轉(zhuǎn)化為反沖電子的動(dòng)能而降低，波長變大，其變化量可由下式求得：Δλ＝λ’－λ＝0.0243(1－cosα）(埃）

這種波長改變的散射現(xiàn)象和它的定量關(guān)系遵守量子理論的規(guī)律，因此稱為量子散射。

量子散射波的位相與入射線的位相之間不存在固定關(guān)系，因此不能產(chǎn)生任何干涉效應(yīng)，自然也不能參與衍射，所以這種散射也稱為不相干散射。第27頁/共43頁3.二次特征輻射當(dāng)X射線光子具有足夠高的能量時(shí)，將同X射線管中的高速電子一樣，可以將被照射物資原子中的內(nèi)層電子打擊出來，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，從而成為一個(gè)特征X射線的輻射源。這種利用X射線的激發(fā)作用而產(chǎn)生的新特征輻射稱為二次特征輻射。二次特征輻射在本質(zhì)上屬于光致發(fā)光的熒光現(xiàn)象，因此也稱為熒光輻射。產(chǎn)生條件為了使被照射原子處于能發(fā)射二次特征K系X射線的激發(fā)狀態(tài)，入射的一次X射線光子的能量必須等于或大于將此原子的K層電子擊出所需的能量。

λ激k≤12.4/V激k

式中λ激k=12.4/V激k

為產(chǎn)生K系激發(fā)的最長波長，稱為K系特征輻射的激發(fā)限。第28頁/共43頁光電效應(yīng)

當(dāng)激發(fā)二次特征輻射時(shí)，原入射X射線光子的能量被擊出的電子所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能而使電子逸出原子之外，這種電子稱為光電子，此時(shí)的吸收稱為真吸收。因這一過程與紫外光譜的光電效應(yīng)相似，所以也稱為光電作用或光電效應(yīng)。第29頁/共43頁4.X射線的衰減

X射線穿過物質(zhì)時(shí)，由于經(jīng)典散射、量子散射、原子激發(fā)等現(xiàn)象而消耗入射X射線的能量，因此入射線的強(qiáng)度將顯著地衰減下來。衰減規(guī)律

實(shí)驗(yàn)歸納出了如下的衰減規(guī)律：

通過厚度為dx的無窮小薄層物質(zhì)時(shí),X射線強(qiáng)度衰減量dI正比于入射強(qiáng)度I和厚度dx（如圖所示）,即:第30頁/共43頁X射線儀第31頁/共43頁3.5X射線濾波片及射線安全防護(hù)X射線濾波片作用（filter）：是Kβ譜線及連續(xù)光譜的強(qiáng)度盡量減弱，提高分析精度濾波片厚度控制原則：太厚吸收太多，太薄作用不明顯。一般使Kα與Kβ的比為600：1，此時(shí)Kα的強(qiáng)度將降低30～50%材料選擇：①filter片：Ztarget<40,Zf=Zt-1②Zt≤Zsample+1如：分析Fe用Co或Fe靶而不用Ni安全：重金屬吸收常用Pb第32頁/共43頁§1.2X射線的方向和強(qiáng)度一、晶體衍射的幾何基礎(chǔ)1、空間點(diǎn)陣（spacelattice）節(jié)點(diǎn)、空間點(diǎn)陣、單位點(diǎn)陣（晶胞）、晶軸、晶格常數(shù)2、晶系空間點(diǎn)陣（七種）立方（cubic）正方（tetragonal）斜方（orthorhombic）菱方（rhombohedral）六方（hexagonal）單斜（monoclinic）三斜（triclinic）第33頁/共43頁十四種點(diǎn)陣

1848年法國晶體學(xué)家Bravais，稱為布拉菲點(diǎn)陣，是晶體學(xué)分類的重要依據(jù)。晶胞中的結(jié)點(diǎn)數(shù)（原子數(shù)）可用下述表示（計(jì)算典型晶胞中的原子數(shù)？）第34頁/共43頁3、常見晶體結(jié)構(gòu)體心立方（bcc）：K、Na、W、V、α－Fe

密排六方（hcp）：Cd、Mg、Zn、α－Ti

面心立方（fcc）：Ag、Cu、Ni、Au4、晶面與晶向晶面：空間點(diǎn)陣中結(jié)點(diǎn)組成平面，表示：（）{}

回憶其基本問步驟：1、2、3、化成最小公倍數(shù)晶向：結(jié)點(diǎn)連線，表示：[]<>

回憶其三個(gè)基本步驟第35頁/共43頁例子：晶面族：{}{100}表示（100）（010）（001）晶向族：<><111>表示對(duì)角線第36頁/共43頁六方晶系的晶面指數(shù)和晶向四坐標(biāo)方法（hkil）i＝-（h+k）六柱面指數(shù)：晶向：[uvtw]:通常先確定晶面→再求晶向三坐標(biāo)晶向與四坐標(biāo)晶向轉(zhuǎn)換：[UVW]U=u-tu=2/3U-1/3VV=v-tv=2/3V-1/3UW=wt=-1/3(U+V)w=W第37頁/共43頁5、晶帶、晶面間距與晶面夾角a、晶帶：平行于同一晶向的所有晶面，成為晶帶面（planeofzone），此晶向稱為晶帶軸（zoneaxis）b、晶帶定律：對(duì)任意晶向[uvw]和晶面（hkl），如果滿足關(guān)系式：

hu+kv+lw＝0

稱為晶帶定律第38頁/共43頁已知（h1