第3章x射线与衍射原理

1、2013/6/18 He ChongZhi 1 X X- -射线射线衍射衍射原理原理与与实验技术和应用软件实验技术和应用软件 ( ( 培训参考资料培训参考资料 3 3 ) ) 布鲁克（北京）科技有限公司布鲁克（北京）科技有限公司 1. X 1. X 射线产生与射线产生与X X射线谱射线谱 2. X2. X射线与物质的作用射线与物质的作用 3. X3. X射线衍射的物理模型与射线衍射的物理模型与 Bragg Bragg 公式公式 4. 4. 衍射衍射衍射衍射成象成象( (单晶、单晶、多晶（粉末）、非晶多晶（粉末）、非晶) ) 5. 5. 倒倒易点阵及其应用易点阵及其应用 6. 6. 厄瓦尔德图解厄瓦尔德图解与与衍射花样成象原理衍射花样成象原理 7. . X X射线粉末衍射累计强度射线粉末衍射累计强度 第第3 3章章 X X射线与衍射原理射线与衍射原理 2013/6/18 He ChongZhi 2 1. X1. X射线产生与射线产生与X X射线谱射线谱 产生原理产生原理:凡是高速运动的电子流或其它高能射流（如 射线 ，X射线 中子流等）被 突然减速 时均能产生X射线。 产生产生条件条件：

2、电子流、高压、靶面、(真空室、冷却系统) 2013/6/18 He ChongZhi 3 X X射线管的效率射线管的效率 : :指电子流能量中用于产生X射线的百分数即 X射线管的效率 也仅有1左右，99的能量都转变为 热能. 须水冷。 KZV iV iZVK X X 2 射线管功率 射线总强度 2013/6/18 He ChongZhi 4 X 射线管 : 管尺寸规一，铍窗、四窗口。封闭管光源靶面用金属做 成: Cr,Fe,Ni,Co,Cu,Mo,Ag,W. 靶材料的原子序数愈大，X射线波长愈 短，能量愈大，穿透能力愈强. 2013/6/18 He ChongZhi 5 2013/6/18 He ChongZhi 6 点焦斑与线焦斑: 焦斑小，比功率大，线形失真小。 2013/6/18 He ChongZhi 7 高高功率旋转功率旋转阳极靶阳极靶: : 焦斑在高速旋转旋转园柱体上移动，有利 于散热,解决冷却问题,提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。 2013/6/18 He ChongZhi 8 细聚焦细聚焦X射线管射线管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静 电透镜或电磁透镜，使阴极发射

3、的电子束聚焦在阳极上 ，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小， 但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这 种X射线管，焦斑小，比功率大，线形失真小。 同步辐射：利用电子在加速运动中要辐射电磁波的原理 。这种辐射非常稳定，强度高，准直性好。而且能获得 0.01几个纳米的连续辐射。在多晶衍射方法中，固定 入射角和发射角，利用X射线能谱探测器可记录不同波 长（对应不同的晶面间距）的辐射。这种方法的优点在 于可以收集尽可能多的面间距数据，而不受在一般多晶 衍射法中衍射角的限制。 2013/6/18 He ChongZhi 9 X-射线谱 X射线谱： X射线强度随波长而变化的关系曲线,两部分组成： 连续X射线谱：各种波长连续变化，也称白色X射线。 特征X射线谱：也称标识谱，特征是某些特定波长，其强度较 高,叠加在连续X射线谱上。特征X射线谱线的波长决定于靶子的 材料，每个元素有一套一定波长的X射线谱，成为这个元素的 标识。 2013/6/18 He ChongZhi 10 连续X射线谱产生机理 经典动力学解释: 高速运动的电子到达靶材，导致周围电磁场 的急剧变化，产生电磁波。 量

4、子理论的解释: 高速电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去 自己的能量，其中部分以光子的形式辐射出去，碰撞一次产生 一个能量为 hv的光子，这样的光子流即为 X-射线。 绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样，并且电子要经过 多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射， 因此形成连续X射线谱。 由阴极灯丝所发射的数量巨大电子以 极高的速度撞向阳极靶，辐射电磁波即释放X射线。这些电子 撞向阳极靶上的条件和时间不同，产生电磁辐射也各不相同， 而形成各种波长的连续X射线谱。 2013/6/18 He ChongZhi 11 短波限: 短波限 0只与管电压有关, V， max，0 , 0=hc/ev ; 0 = 1.24/V （nm） 当X射线光管电压 一定时，某一个电子的全部动能完全 转化为 一个X射线 的光量子，此X射线光量子的能量最大， 波长最短。 式中 e-电子电荷，等于 静电单位； V-电子通过两极时的电压降（静电单位）； h普朗克常数6.62610-34Js； 连续谱线强度经验表达式： 式中C为常数，Z为阳极靶材料的原子序数。 I= CZ （ - ） 2 1 0 1 1 0

5、max hc heV 10 10803.4 2013/6/18 He ChongZhi 12 特征谱 特征波长在连续谱的某些 特定的波长位置上出现的一系 列强度很高波长范围很窄的线状光谱，靶材一定，波长 恒定. 特征谱中K系 Ka1和 Ka2 ，波长极为相近难分解， Kb可 过滤。 Anode Ka1 (100%) Ka2 (50%) Kb (20%) Cu 1.54060 1.54439 1.39222 Cr 2.28970 2.29361 2.08487 Fe 1.93604 1.93998 1.75661 Co 1.78897 1.79285 1.62079 Mo 0.70930 0.71359 0.63229 2013/6/18 He ChongZhi 13 特征特征谱谱产生机理产生机理:与阳极物质的原子内部结构紧密相 关的。原子的壳层结构与电子的跃迁，放出光子能 量原子的壳层结构与电子的跃迁，放出光子能量。 K a - Quant L a - Quant K b - Quant K L M Emission Photoelectron Electron 2013/6/18 H

6、e ChongZhi 14 核外电子分层排布: K 、L、 M、 N、 O、 P 层 低 各层电子的能量 高 高原子对各层电子的结合能 低 X光量子的能量仅与原子内各层能态有关，它标识着原子的特征。 一般选用K作为辐射源，因为L和M系射线由于波长太长，容易被吸收。 2013/6/18 He ChongZhi 15 特征X射线的命名分类 标识谱(特征谱)的特征 各种元素的标识谱具有相似的结构，与元素化学性质无关，不 呈现周期性的变化。 标识谱的光子能量很大（波长为nm级），比原子外层电子跃迁 发出的光谱能量要大103-104倍。 标识谱与X射线管电压、 管流的变化无关。 阳极靶不同，特征X射线谱的波长也不同。 需要最低的管电压V激。VV激时,特征X射线谱的波长不变，而 强度按n次方的规律增大。 特征谱中K系Ka1和 Ka2 ，波长极为相近难分解， K可过滤。 2013/6/18 He ChongZhi 16 X射线分析常用阳极材料K系特征谱线与激发电压 1 a K 2013/6/18 He ChongZhi 17 2 2. . X X射线与物质的射线与物质的作用作用 一束X射线通过物质后

7、，就其能量转换而言，分为三部分： X射线的散射，吸收散射，吸收，透过物质沿原来的方向传播衰减衰减。 2013/6/18 He ChongZhi 18 X射线与物质相互作用产生各种复杂过程。 相干散射是相干散射是产生产生 衍射衍射花样原因花样原因 非相干散射非相干散射 当X射线与束缚力较小的外层电子 或自由电子作用时，X射线光子将 一部分能量传给电子，使之脱离原 有的原子而成为反冲电子;光子本 身也改变了传播方向，发生散射， 且能量减小，即散射X射线的波长 变长了-康普顿吴有训散射。 这种散射不能参加晶体对X射线的 衍射，只会在衍射图像上形成强度 随sin n /的增加而增大的连续背底 ，给衍射分析带来不利影响。 2013/6/18 He ChongZhi 19 光电效应与荧光（二次特征）幅射光电效应与荧光（二次特征）幅射 X射线轰击物质时 ，若X射线的能量大于物质原子对其内层 电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而 导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电 子产生跃迁，发射新的特征X射线。称X射线激发的特征X射 线为二次特征X射线或荧光X射线。 光子激发电子所

8、发生的激发和辐射过程称为光电效应，被 击出的电子称光电子。产生的二次特征X射线的波长与激发 它们所需的能量取决于物质的原子种类和结构。 要使K层电子产生光电效应，入射X射线的能量必须大于等 于原子中K层电子的逸出功WK，即 hvWk，WK= eUK,或 hc/ eUK hc/ eUK 能引起光电效应的入射X射线的最大波长单位： nm K 称为激发限波长，意是只有入射的X射线波长达到或小于 它时，才能激发物质的二次特征X射线;或称为吸收限波长。意 是当入射的X射线的波长达到它时，入射X射线将被该物质强烈 吸收，并产生光电效应。 2013/6/18 He ChongZhi 20 K K U 24. 1 俄歇效应俄歇效应 当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线 ，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激 发逸出原子成为二次电子。这种效应称俄歇效应 (俄歇1925 年发现)，产生的二次电子称俄歇电子。 二次电子具有特定的能量值，可以用来表征这些原子。利用 该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。 2013/6/18 He ChongZhi 21 衰减规律与吸收

9、衰减规律与吸收 可认为，X射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的 吸收所造成的,因散射引起X射线强度衰减的衰减远小于因 吸收导致的衰减量。 衰减规律 式中，I0为入射线强度；I为穿过厚度 为x的物质的X射线的强度 ; x为线吸收系数（cm-1），大 小与入射线波长和物质有关。 线吸收系数与物质的密度有关，计算不便。常用物质的质 量吸收系数 上式表明，X射线穿过物质时，其强度将随穿透深度的增 加按指数规律减弱。 吸收体中由两种以上的元素组成的化合物或混合物，其总 体的质量吸收系数是其组分元素的质量吸收系数的加权平 均值，即 质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子 序数Z和入射X射线的波长有关。它们的关系为： 式中K为常数。吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。 2013/6/18 He ChongZhi 22 x eII 0 x m m eII 0 i n i i mm 1 33Z K m 在一定区间内吸收系数随波长和原子序数的增大而连续增大, 因为X射线 的波长越长越容易被物质所吸收;在某些波长的位置上产生跳跃式的突变 ，即存在吸收体因被激发产生荧光辐射而大量吸收入射X射线的吸收限。 对一定波长的X射线在某些原子序数的位置上也产生跳跃式的突变。 2013/6/18 He ChongZhi 23 吸收限的应用吸收限的应用 在X射线分析中，用单色X射线波 长。实际上，K系特征谱线包括两条 谱线,它们之间会相互干扰。可用某 些材料对X射线吸收的特性，将其中 的KB线过滤掉。用比靶材原子序数 小1或2的材料滤波片。 2013/6/18 He ChongZh

《第3章x射线与衍射原理》由会员w****i分享，可在线阅读，更多相关《第3章x射线与衍射原理》请在金锄头文库上搜索。