材料现代分析与测试技术复习资料

X射线衍射分析（基础与应用） 一.X射线的特性 人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光,能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。 ▪ X射线呈直线传播,在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射. ▪ X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。 二。X射线具有波粒二相性 1。X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已,因此其同样具有波粒二象性。波动性： ▪ 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。 ▪ 软X射线：波长较长的软X射线能量较低,穿透性弱，可用于非金属的分析。 ▪ 三。X光与可见光的区别 ▪ 1) X光不折射，因为所有物质对X光的折光指数都接近1。因此无X光透镜或X光显微镜。 ▪ 2） X光无反射 ▪ 3） X光可为重元素所吸收,故可用于医学造影。 1.3 X射线的产生及X射线管 X射线的产生： X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质相撞击后猝然减速,且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。 产生原理 X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质（阳极靶）相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。高速运动的电子与物体碰撞时,发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。 产生X射线条件 ▪ 1。产生自由电子； ▪ 2.使电子作定向的高速运动（阴极阳极间加高电压）; ▪ 3.在其运动的路径上设置一个障碍物(阳极靶）使电子突然减速或停止。 ▪ 阴极-—发射电子。一般由钨丝制成,通电加热后释放出热辐射电子. ▪ 阳极—-靶，使电子突然减速并发出X射线. 窗口——X射线出射通道.既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3—6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍.

旋转阳极

高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好,常用黄铜或紫铜制作,还需要循环水冷却.因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。3000r/min 因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变,故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。

思考： 1、为何X光管应抽真空？ 1—4 X射线谱 X射线谱指的是X射线的强度（I)随波长（λ)变化的关系曲线。X射线强度大小由单位面积上的光量子数决定。 ▪ 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型: ▪ （1）连续(白色)X射线 ▪ (2）特征（标识）X射线 ▪ 连续辐射，特征辐射 (1) 连续X射线 由具有从某个最短波长(短波极限λ0)开始的连续的各种波长的X射线的集合（即：波长范围为λ0 ~λ∝) 短波限 ▪ 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线,此光子能量最大波长最短。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 ▪ 光子能量为： ▪ 式中 e -电子电荷，等于 （库仑） ▪ V—管电压 h—普朗克常数,等于 X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子数目(能量）的总和。 常用单位是J/cm2。s.

• 随着原子序数Z的增加,X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪左右,99％的能量都转变为热能。

1、当增加X射线管压时，各波长射线的相对强度一致增高,最大强度波长λm和短波限λ0变小。2、当管压保持不变,增加管流时，各种波长的X射线相对强度一致增高， 但λ0数值大小不变。3、当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随元素的原子序数的增加而增加。 总结：连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材料(一般为钨靶）的原子序数有关 标识X射线的特征 ▪ 当电压低于临界电压时，只产生连续X射线。当电压达到临界电压时，在连续X射线的基础上产生波长一定的谱线，构成标识X射线谱.当电压、电流继续增加时，标识谱线的波长不再变,强度随电压增加。这种谱线的波长只决定于阳极材料，不同元素的阳极材料发出不同波长的X射线。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K

和Kβ，波长分别为0。71 Å和0。63 Å.

产生机理 ▪ 在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统处于不稳定激发态.此时较外层较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱：hn2n1=En2

sj3410625.6ZVKiVZVKXX121电子流功率射线功率射线管效率miZVKI1

连eV

hc0－En1,射线波长 ▪ λ＝h/ΔE必然是个仅仅取决于原子外层电子结构特点的常数，或者说是个仅仅取决于原子序数的常数。

莫塞莱定律 ▪ 同系(例如K1、L1等

）特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级

结构,是物质的固有特性。且存在如下关系： 莫塞莱定律:同系特征X射线谱的波长λ或频率与原子序数Z关系为：

或者  :波长； C：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数; Z :靶材原子序数；  :屏蔽常数 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长,与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素. 特征X射线波长与靶材料原子序数有关 原子序数越大，核对内层电子引力上升，下降

▪ X射线被物质散射时，产生两种现象： ▪ 相干散射； ▪ 非相干散射. 1. 相干散射 当X射线通过物质时,在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动,同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散



ZC

1ZC

1射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波发生的相互加强的干涉现象，又称为相干散射.又称为弹性散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础 2. 非相干散射 X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向,且能量减小，波长增加称为非相干散射.。 ▪ 非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述,亦称量子散射。这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底,给衍射分析工作带来干扰和不利的影响.

▪ X射线的吸收 ▪ X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。 ▪ 光电效应1 -——光电子和荧光X射线 ▪ 当入射X光子的能量足够大时,还可以将原子内层电子击出使其成为光电子，同时辐射出波长严格一定的特征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射,由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射.（荧光光谱分析原理是光电效应) ▪ 光电效应2--—-- 俄歇效应 ▪ 从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子.每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具. ▪ 光电效应小结 ▪ 1.光电子：被X射线击出壳层的电子即光电子，它带有壳层的特征能量，所以可用来进行成分分析(XPS） ▪ 2. 俄歇电子：高能级的电子回跳，多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES） ▪ 3. 二次荧光：高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量 质量衰减系数μm

▪ 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度.

▪ 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： K为常数 ▪ μm对于一定波长和一定物质来说，是与物质密度无关的常数。其物理意义为每克物

质引起的相对衰减量。它不随物质的物理状态（气态、液态、粉末或块状的固态、机械混合态、化合物或固液体等）而改变. ▪ 吸收限的应用 ---X射线滤波片的选择 ▪ 获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。 ▪

▪ 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, 而

对Kα吸收很小； ▪ （2）滤波片的选择以将Kα强度降低一半为最佳。

▪ Z靶<40时 Z滤片=Z靶—1; ▪ Z靶40时 Z滤片=Z靶-2。