第一章_X射线物理学基础
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无机材料测试技术习题库第一章X射线物理学基础一、名词解释1、特征X射线2、连续X射线3、吸收限（λk）4、光电效应5、俄歇电子6、质量吸收系数7、相干散射8、非相干散射9、荧光X射线10、X射线强度11、AES二、填空1、产生X射线的基本条件、、。
2、X射线的强度是指内通过垂直于X射线方向的单位面积上的。
3、探测X射线的工具是：。
4、影响X射线强度的因素是：。
5、检测X射线的方法主要有：。
6、X射线谱是的关系。
7、吸收限的应用主要是、、。
8、当X射线的或吸收体的愈大时X射线愈容易被吸收。
9、一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：、和。
10、X射线与物质相互作，产生两种散射现象，即和。
11、物质对X射线的吸收主要是由引起的。
三、判断1、入射X射线光子与外层电子或自由电子碰撞时产生相干散射。
2、由X射线产生X射线的过程叫做光电效应。
3、X射线与物质作用，有足够能量的X射线光子激发原子K层的电子，外层电子跃迁填补，多余的能量使L2、L3、M、N等层的电子逸出，这个过程叫做光电效应。
4、由X射线产生X射线的过程叫俄歇效应。
5、连续谱中，随V增大，短波极限值增大。
6、当X射线的波长愈短，或者穿过原子序数愈小的物质时，其吸收就愈大。
7、具有短波极限值的X射线强度最大。
8、具有短波极限值的X射线能量最大。
9、X射线成分分析的理论基础是同种原子发出相同波长的连续X射线。
10、当高速电子的能量全部转换为X射线光子的能量时产生λ0，此时强度最大，能量最高。
11、当高速电子的能量全部转换为X射线光子的能量时产生λ0，此时强度最大。
四、简答及计算：1、什么是莫赛莱定律，莫赛莱定律的物理意义是什么？2、简述特征X射线产生的机理。
3、简述衍射定性物相鉴定的程序。
4、X射线定量分析的基础是什么？5、X射线物相分析有哪些特点？6、试计算空气对CrKα辐射的质量吸收系数和线吸收系数。
假定空气中含有80％（重量）的氮和20％（重量）的氧，空气密度ρ＝0.0013g/cm3。
chap1_X射线物理学基础
第一篇X射线衍射分析n1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
1895年伦琴初次发现X射线，拍摄的他夫人手指的X射线照在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。
所用的晶体是硫酸铜。
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
第一章X射线的物理特性n1.1 X射线的产生极其性质n1.2 X射线谱n1.3 X射线与物质的相互作用n1.4 X射线的衰减规律第一节Ｘ射线的产生极其性质一、X射线的产生X射线管包括阴极、高压、靶材图1-1 X射线管的结构示意图二、X射线的本质X射线是一种电子波，横波，波长短（0.01-10nm）“硬”X射线，“软”X射线三、X射线的本质Ø不能用一般方法使X射线会聚发散Ø通常靠使荧光物质发光、使照相底片感光、使气体产生电离现象观察检测Ø软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，常被用来进行X射线衍射分析（0.25-0.05nm）Ø对有机质是有害的，需要加上铅制品保护。
第二节X 射线谱图1-2 两种X 射线谱示意图一、连续谱X 射线强度随波长λ而变化的关系曲线，即X 射线谱。
丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱对应两种X 射线辐射的物理过程。
连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，不同能量损失转化成不同波长的X 射线，并按统计规律分布。
2I iZUα连=图1-2 两种X 射线谱示意图2max12o hc eU h m ευνλ====动短波限λo ：hc K e U Uλ==o K=1.24nm ·kV ，短波限只与管电压有关。
连续X 射线总强度：α值约为（1.1-1.4）×10-9X 射线管发射连续X 射线的效率η为：2X X iZU ZUiUαηα===连续射线总强度射线管功率当用钨阳极（Z=74），管电压为100kV 时，η≈1%，可见效率是很低的。
X射线物理学基础
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
第一章 X射线的性质
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：当一束X射线通过物质时，由于散射和 吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
1
二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
第1章 X射线的性质
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1.3 X射线谱--- 连续X射线谱
X射线强度与波长的 关系曲线，称之X射 线谱。 一、连续X射线谱
在管压很低时， 小 于 20kv 的 曲 线 是 连续变化的，故称 之连续X射线谱，即 连续谱。
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1、连续X射线谱的产生机理
极大数量的电子与靶材随机碰撞 不同且连续的X射线
2、短波限λ0
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根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不
连续地分布在K、L、M、N……等不同能级的轨道（壳层）上，
而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次 填L、M、N等。能量大小：K<L<M<N… eg：当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产 生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，
这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不 会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量 逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范 14 围，这种辐射称为连续辐射。
4.X射线产生的机理
特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电 子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量 较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的 能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此 时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能 量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。
从能量的转换角度来看：
一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分： 被散射，改变前进方向 被吸收，产生光电效应 热效应 透过物质，强度发生衰减。
材料分析方法部分课后习题答案解析
第一章X 射线物理学基础2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。
4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。
答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。
查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？硬X 射线：波长较短的硬X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。
(完整版)XRD复习题
第一章X射线的物理学基础1.X射线的本质是什么？并请叙述其特征。
答：X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同；其波长介于紫外线与γ射线之间，约为0.01—10nm的范围。
X射线的特征：波长短、光子能量大。
在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射；对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1。
2.X衍射实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？答：滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的Kα和K β之间，且尽量靠近K α。
强烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳。
Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z 滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。
Z靶≤Z试样+1。
（1）X衍射仪常采用Cu靶，Cu的特征X射线及其波长为，需要用滤波片或单色器去除，用软件去除。
（多选题）aＫα１，1.5406埃；b Ｋα２，1.5444埃； c Ｋβ，1.392埃答案：a, c, b（2）X衍射选用Cu靶，相配的滤波片为(单选题)a Cub Fec Nid Al答案：c由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：、。
X衍射物相分析利用的是在晶体中的衍射。
a连续X射线b特征X射线答案：a b b 或b a b（3）判断对错。
用X衍射仪测一个以Fe为主要成分的样品，合适的X射线管和合适的滤波片是Cu靶和Ni滤波片。
（错）第二章X射线的晶体学基础一、晶体的定义是什么？请叙述其晶体的特点。
答：晶体的定义：内部质点在三维空间有规则排列的物体。
晶体的最明显特征是内部质点在三维空间作有规律的重复。
晶体的特点是：a 、均一性：指在宏观观察中，晶体表现为各部分性状相同的物体b 、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质c 、自限性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形d 、固定熔点：晶体具有固定的熔点e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性g、最小内能二、晶体有四大空间格子类型、七大晶系，请具体说出其名称及其特征。
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X
光 管 工 作 情 形
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封闭式X射线管
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高功率旋转阳极
电子束 X射线
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加速器中可以引出X射线
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X射线产生必须具备的三个基本条件：
(Ⅰ) 产生自由电子; (Ⅱ) 使电子作定向高速运动; (Ⅲ) 有障碍物使其突然减速;
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小结
一、X射线的产生: 三个基本条件;经典理论和量子理论
解释； 二、X射线的性质:
: 10-12-10-8m、 波动性、 穿透能
力、 沿直线传播; 三、X射线的应用:
晶体结构测定，软、硬X射所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为 相干的(coherent). 不相干的光波(noncoherent)相互 干扰，导致强度的减弱. 在同一方向的射线称为准直的（平行的）collimated beam. 电灯泡的光线是发散的, 射向地球的太阳光基 本是 collimated 。
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具体形式：用高速加速的电子束撞击
阳极靶时，高速电子受到靶原子的阻挡，急 速停下来，其部分动能则以X光的形式释放 出來。高速电子撞击时减少的能量△E 、所 转化出来的X光波长λ，根据爱因斯坦公式 △E＝hν＝hc/λ可表示为：
λ＝ｈc/ △E
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量子原理：高速电子在撞击到原子时，很容
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X-radiation
可见光
g-radiation
Microwaves 微波
UV
IR
无线电波
Radio waves
10-6
10-3
1
103
106
Wavelength(nm)
109
1012
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电磁波谱的本质：电磁辐射按波长顺序排列
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁
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1912年，德国的Laue第一次成功地进行X射 线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的 点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳 埃方程式。从而形成了一门新的学科—X射 线衍射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）；
1913年，英国Bragg导出X射线晶体结构分析 的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定 了NaCl的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖)
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二、教学基本要求
掌握
1. 各种测试技术的基本原理： X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；
2. 技术的应用：
（1）仪器设备的基本构造与性能； （2）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分 析处理能力；
（3）具有进行物相初步鉴定的能力 （4）各种研究方法与测试技术优缺点。
材料研究与测试方法
管航敏 化学与材料工程工系
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绪论
➢本课程的作用 ➢教学基本要求 ➢考核方式 ➢课程主要内容
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一、本课程的作用
本课程在材料研究领域中起着不同寻常的 作用，它们将材料各专业的核心问题“组 成—结构—性能”有机地联系在一起，从 而实现本专业人才培养的目标。
第一篇 X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
§1-1 X射线的产生及性质 §1-2 X射线谱 §1-3 X射线与物质的相互作用
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§1-1 X射线的产生及性质
1895年德国物理学家伦琴（1901年 获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时 发现了X射线，后人为了纪念发现者也称 它为“伦琴射线”。 X射线技术目前在 工业和科学技术中的应用十分广泛，在 材料工业及材料科学中X射线物相分析是 一种重要分析方法。
波长
χ射线 来自内层电子能级的跃迁
光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁
可见光
红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁
波谱区 微波
来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁
无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
长
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2.X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中，会释
放出电磁波，在巨大加速或减速过程中，所 释放的电磁波具有高能量，当其波长在10-12 －10-8m则成X光。
4. X射线的性质
① 是电磁波，具有波粒二象性。 ε=h·ν=h(c/λ) ， P=h/λ； 能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电
效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长 和频率。 ② 具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收 使其强度减弱，能杀伤生物细胞。 ③ 沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使 其发生偏转。
豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射 线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特 别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作 用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。
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1.X射线的本质
X射线与无线电波、红外线、可见光、紫 外线γ射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或 电磁辐射，它的波长为10-12－10-8m ，在电磁 波谱中位于紫外线与 γ射线之间并与它们部分 相重叠。一般波长短的X射线穿透能力强，称 为硬X射线，反之则称为软X射线。用于晶体 衍射分析常用的X射线波长约在2.5Ǻ到0.5 Ǻ 之间。
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三、考核方式
由于本课程是专业主干课程、学位课程， 所以闭卷且无复习题， 亦实行N+2（一次小论文，一次过程考核，一次 期末考试）， 但期末闭卷考试必须过50分才可通过。 请各位注意！！
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四、课程主要内容
第一篇 X射线衍射分析 第二篇 电子显微分析 第三篇 热分析
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此外，
莫赛莱于1914年发现标识X射线的波长与原子 序数的关系，奠定了X射线光谱学的基础。
巴克拉（1917年，发现元素的特征X射线） 塞格巴恩（1924年，X射线光谱学） 德拜（1936年）、马勒（1946年）、柯马克 （1979年）等人由于在X射线及其应用方面研究而 获得化学、生物、物理诺贝尔奖。
易将能量传送給原子中的电子，而使原子离子 化。当原子內层轨道的电子被激发后，其空位 很快会被外层电子的跃入填满，在此电子跃迁 的过程中，由于不同轨道间的能量差，X光会 随着放出。 此过程所产生的X光与原子中电子 轨道的能量有关。
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3.X射线的产生
X-射线：波长0.001-10nm的电磁波 高速电子撞击使阳极元素的内层电子激 发，产生X射线辐射。