《现代材料分析测试方法》第1章 X射线物理学基础.pptVIP

第一章 X射线物理学基础 (短波长的电磁波，或称为高能光子) X射线 阴极射线实验 1895年伦琴（Roentgen） 发展了X射线的衍射理论 1912年劳埃（Laue） 开创了人类认识物质微观结构的新纪元 X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一 围绕X射线发现、发展和应用而进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多 X射线衍射法?结构测定 X射线荧光光谱?成分分析 1901年 伦琴(英) 获诺贝尔物理奖 1914年 劳埃(德) 获诺贝尔物理奖 1915年 布拉格父子(英) 获诺贝尔物理奖 1936年 德拜(英/荷) 获诺贝尔化学奖 1962年 奥森等3人 获诺贝尔生物奖 1964年 霍奇金(英/埃) 获诺贝尔化学奖 1985年 豪普特曼等2人 获诺贝尔化学奖 … … … … 1.1 X 射线的本质 X射线→λ=1~104 p m X光子 =124×104 ~124 e V 常用于结构测定 λ=50~250 p m =248×102 ~9960 e V ~ 10-4Pa ~ 30mA ~ 104kV 连续 X 射线 特征 X 射线 X光管示意图 1.2 X射线的 1. 连续 X 射线 Cu 靶 产 生 的 X 射 线 谱 E = mv2 = eV ?min = hc/E= hc/eV = pm 白 色 射 线 特 征 X 射 线 1.3 X射线谱 2. 特征X射线 Cu（K?1）： 154.056pm； （K?2）：154.439pm； 平均（K?）：154.18pm （K?）：139.222pm 在K系谱线中，一定满足以及 Ka线要比Kb线的强度大5倍左右，这是因为电子由L→K层跃迁的几率比由M→K跃迁的几率大5倍左右。同理, 1.4 X射线与物质的相互作用 X射线 ?物体 - 反射（小部分） 朗伯定律 尔 吸收（部分）：满足比 波长短，透射力强 透射（大部分）：因为 X射线?波长短，穿透能力强 比尔-朗伯定律 I = Ioe-?l， 其中Io和I分别是入射和出射强度， l是物体厚度，?为线性吸收系数， ??Z4?n（指数n=2.5~3） 吸 收 一、X射线的散射 所谓的X射线的散射是指沿一定方向运动的X射线光子流与物质中的电子相互碰撞后，向周围弹射开来。 1. 相干散射 能量不变方向改变 2.非相干散射 能量改变方向改变 康-吴效应 二、X射线的真吸收 1．光电效应 光电效应是入射X射线的光量子与物质原子中电子相互碰撞时产生的激发和辐射过程。 另外，根据激发荧光辐射的能量条件，荧光辐射产生的X光量子的能量一定小于激发它产生的入射X射线光量子的能量。 在X射线衍射分析中，X射线荧光辐射是有害的，它增加衍射花样的背底，但在元素分析中，它又是X射线荧光光谱分析的基础。 二、X射线的真吸收 2．俄歇效应 当原子中的一个K层电子被击出后，它就处于激发态，此时若有一个LII层电子跃入K层填补空位，其能量差为ΔE=EK-ELII 。这些能量在释放时可能被包括空位层在内的邻近电子或较外层电子所吸收，促使该电子受激发逸出原子而变为二次电子，也就是K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这就是俄歇效应。 俄歇电子能量低，一般只有几百电子伏特，因此，只有表面几层原子所产生的俄歇电子才能逸出物质表面被探测到，所以俄歇电子可带来物质表层化学成分信息，按此原理而研制的俄歇电子显微镜就是表面物理研究的重要工具之一。 三、X射线的衰减 1．衰减规律 2.线吸收系数 线吸收系数μl表示X射线沿穿越方向在单位长度上的衰减程度。它不仅与X射线波长及吸收物质的密度有关。 比尔-朗伯定律 I = Ioe-?l， 其中Io和I分别是入射和出射强度， l是物体厚度，?为线性吸收系数， ??Z4?n（指数n=2.5~3） 3．质量吸收系数 为了避开线吸收系数随吸收体物理状态不同而改变的困难，可以将μl用吸收物质的密度ρ去除，并以μl/ρ= μm代替μl，质量吸收系数μm表示单位重量物质对X射线的吸收程度。 三、X射线的衰减 质量吸收系数与波长λ和原子序数Z的关系 通常，当吸收物质一定时，X射线的波长越长越容易吸收；当波长一定时，吸收体的原子序数越高，X射线被吸收得越多。由实验可得质量吸收系数μm与波长λ和原子序数Z遵循如下函数关系： 从曲线的趋势可以看出，当波长减小到某几个值处质量吸收系数会骤增 ，产生这种现象的原因是吸收体因被激发产生荧光辐射而大量吸收入射X射线，这些吸收突增处的波长就是吸收元素的特征量——吸收限 。 四、吸收限的应用 1．根据样品化学成分选择靶材 图1-13利用X射线衍射进