绪论X射线物理学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材 料 科 学 研 究 方 法主主 讲讲 李李 伟伟 洲洲 广西大学材料学院广西大学材料学院教教 材材 材料分析方法材料分析方法1第1页本教材主要内容本教材主要内容绪 论第一篇 材料X射线衍射分析 第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数准确测定 第六章 宏观残余应力测定 第七章 多晶体织构测定 2第2页本教材主要内容本教材主要内容第二篇 材料电子显微分析 第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章第十章 电子衍射电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析 第十二章 高分辨透射电子显微术 第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其它显微分析方法3第3页绪 论n本课程特点：以分析仪器和试验技术为基础本课程特点：以分析仪器和试验技术为基础n本课程内容主要包含：本课程内容主要包含：X射线衍射仪、电子显微镜等分析射线衍射仪、电子显微镜等分析仪器结构与工作原理、及与此相关材料微观组织结构和微仪器结构与工作原理、及与此相关材料微观组织结构和微区成份分析方法原理及其应用区成份分析方法原理及其应用n本课程意义在于：经过材料微观组织结构和微区成份分析，本课程意义在于：经过材料微观组织结构和微区成份分析，揭示材料组织结构与性能关系，即揭示材料组织结构与性能关系，即组织是性能内在依据，组织是性能内在依据，性能是组织对外表现性能是组织对外表现；确定材料加工工艺和组织结构关系，；确定材料加工工艺和组织结构关系，以实现微观组织结构控制以实现微观组织结构控制n本课程基本要求：了解惯用当代分析仪器基本结构和工作本课程基本要求：了解惯用当代分析仪器基本结构和工作原理；掌握惯用试验分析方法；能正确选取适当分析方法原理；掌握惯用试验分析方法；能正确选取适当分析方法处理实际工作中问题处理实际工作中问题4第4页第一篇 材料X射线衍射分析n1895年德国物理学家伦琴发觉了年德国物理学家伦琴发觉了 X射线，随即医学界将其射线，随即医学界将其用于诊疗和医疗，以后又用于金属材料和机械零件探伤用于诊疗和医疗，以后又用于金属材料和机械零件探伤李鸿章在李鸿章在X光被发觉后仅光被发觉后仅7个月就体验了此种新技术，个月就体验了此种新技术，成为拍成为拍X光片检验枪伤第光片检验枪伤第一个中国人。一个中国人。5第5页19德国物理学家劳埃发觉了X射线在晶体中衍射现象，为物质结构研究提供了一个崭新方法，以后发展成为X射线衍射学19英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线概念，推导出至今被广泛应用布拉格方程19莫塞来发觉特征X射线波长和原子序数有定量对应关系，这一原理应用于材料成份检测X射线衍射分析研究内容很广，主要包含相分析、精细结构研究和晶体取向测定等；X射线学三大分支：透射学，衍射学，光谱学。6第6页比较一下各图差异2 KeV7第7页课题讨论你所了解材料表征方法与技术，优缺你所了解材料表征方法与技术，优缺点点8第8页第一篇 材料X射线衍射分析第一章 X射线物理学基础第二章 X射线衍射方向第三章 X射线衍射强度第四章 多晶体分析方法第五章 物相分析及点阵参数准确测定第六章 宏观残余应力测定第七章 多晶体织构测定9第9页第一章 X射线物理学基础本章主要内容本章主要内容第一节第一节 X射线性质射线性质第二节第二节 X射线产生及射线产生及X射线谱射线谱第三节第三节 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用10第10页第一节 X射线性质lX射线是一个波长很短电磁波射线是一个波长很短电磁波lX射线波长范围为射线波长范围为0.0110nm，用，用于衍射分析于衍射分析X射线波长为射线波长为0.050.25nmlX射线一个横波射线一个横波，由交替改变电，由交替改变电场和磁场组成场和磁场组成lX射线含有波粒二相性射线含有波粒二相性，因其波，因其波长较短，其粒子性较为突出，即长较短，其粒子性较为突出，即能够把能够把X射线看成是一束含有一射线看成是一束含有一定能量光量子流，定能量光量子流，E=h =hc/(1-2)式中，式中，h是普朗克常数；是普朗克常数；c是光速；是光速；是是X射线频率，射线频率，是是X射线波长射线波长图图1-1 电磁波谱电磁波谱分辨率与波长关系11第11页第一节 X射线性质lX射线穿过不一样介质时，折射系数靠近射线穿过不一样介质时，折射系数靠近1，几乎不产生折，几乎不产生折射现象射现象lX射线肉眼不可见，但含有能使荧光物质发光、能使摄影射线肉眼不可见，但含有能使荧光物质发光、能使摄影底板感光、能使一些气体产生电离现象底板感光、能使一些气体产生电离现象lX射线穿透能力大，能穿透对可见光不透明材料，尤其是射线穿透能力大，能穿透对可见光不透明材料，尤其是波长在波长在0.1nm以下硬以下硬X射线射线lX射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现象，与光线绕射现象类似象，与光线绕射现象类似lX射线含有射线含有破坏杀死生物组织细胞破坏杀死生物组织细胞作用作用12第12页l图图1-2所表示所表示X射线管是产生射线管是产生X射线装置射线装置l主要由阴极主要由阴极(W灯丝灯丝)和用和用(Cu,Cr,Fe,Mo)等纯金属制等纯金属制成阳极成阳极(靶靶)组成组成l 阴极通电加热，在阴、阳极阴极通电加热，在阴、阳极之间加以直流高压之间加以直流高压(约数万约数万伏伏)l阴极发射大量电子高速飞向阴极发射大量电子高速飞向阳极，与阳极碰撞产生阳极，与阳极碰撞产生X射射线线图图1-2 X射线管结构示意图射线管结构示意图第二节 X射线产生及X射线谱连续连续连续连续X X射线和特征射线和特征射线和特征射线和特征X X射线射线射线射线产生两种谱线：产生两种谱线：产生两种谱线：产生两种谱线：连续连续连续连续和和和和特征特征特征特征X X射线射线射线射线13第13页一、连续一、连续X射线谱射线谱 强度随波长连续改变谱线称连续强度随波长连续改变谱线称连续X射线谱射线谱，见图，见图1-3 图图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱影响管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱影响a)管电压影响管电压影响 b)管电流影响管电流影响 c)阳极靶原子序数影响阳极靶原子序数影响第二节 X射线产生及X射线谱短波限短波限 SWL14第14页一、连续一、连续X射线谱射线谱 由图由图1-3可见，可见，连续连续 X 射线谱特点是，射线谱特点是，X 射线波长存射线波长存在最小值在最小值 SWL，其强度在，其强度在 m处有最大值处有最大值l当当管电压管电压U 升高升高时，各波长时，各波长X射线强度均提升，射线强度均提升，短波限短波限 SWL和强度最大值对应波长和强度最大值对应波长 m减小减小l当当管电流管电流 i 增大增大时，各波长时，各波长X射线强度均提升，但射线强度均提升，但 SWL和和 m保持不变保持不变l随随阳极靶材原子序数阳极靶材原子序数Z 增大增大，连续，连续X射线谱强度提升，但射线谱强度提升，但 SWL和和 m保持不变保持不变第二节 X射线产生及X射线谱15第15页一、连续一、连续X射线谱射线谱 连续谱强度分布曲线下面积即为连续连续谱强度分布曲线下面积即为连续 X 射线谱射线谱总总强度强度，其取决于，其取决于X射线管射线管U、i、Z 三个原因三个原因 I连连=K1iZU2 (1-4)式中，式中，K1 是常数。是常数。X射线管仅产生连续谱时效率射线管仅产生连续谱时效率 =I连连/iU=K1ZU可见，可见，X 射线管管电压越高、阳极靶原子序数越大，射线管管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射射线管效率越高。因线管效率越高。因 K1 约约(1.11.4)10-9，即使采取钨阳极，即使采取钨阳极(Z=74)、管电压、管电压100kV，1%，效率很低。电子击靶时，效率很低。电子击靶时大部分能量消耗使靶发烧大部分能量消耗使靶发烧第二节 X射线产生及X射线谱16第16页 为何连续为何连续X射线谱存在短波限射线谱存在短波限 SWL？用量子理论能够解释连续谱和短波限，若管电压为用量子理论能够解释连续谱和短波限，若管电压为U，则电子抵达阳极靶动能为则电子抵达阳极靶动能为eU，当，当电子在一次碰撞中将全部电子在一次碰撞中将全部能量转化为一个光量子，可取得最大能量能量转化为一个光量子，可取得最大能量h max，其波长即，其波长即为为 SWL，eU=h max=hc/SWL SWL=K/U (1-5)式中，式中，K=1.24nm kV。而绝大部分电子抵达阳极靶经屡次。而绝大部分电子抵达阳极靶经屡次碰碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不一样而产生大于撞消耗其能量，因每次能量消耗不一样而产生大于 SWL不一不一样样波长波长X射线，组成连续谱射线，组成连续谱第二节 X射线产生及X射线谱习题习题：计算当管电压为：计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时速度时，电子在与靶碰撞时速度与动能以及所发射连续谱短波限和光子最大动能。与动能以及所发射连续谱短波限和光子最大动能。电子静止质量电子静止质量9.1X10-31 Kg，电子电量，电子电量 1.602X10-19 C17第17页第二节 X射线产生及X射线谱二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 当当 X射线管压高于靶材对应某一射线管压高于靶材对应某一特征值特征值UK 时，在一些时，在一些特定波长位置上，特定波长位置上，将出现一系列将出现一系列强度很高、波长范围很窄强度很高、波长范围很窄 线状光谱线状光谱，称为特征谱或标识谱称为特征谱或标识谱，见图见图1-4；其波长与阳极靶材原；其波长与阳极靶材原 子序数有确定关系，见式子序数有确定关系，见式(1-6)，故可作为靶材标志和特征，故可作为靶材标志和特征，(1-6)式中，式中，K2和和 是常数。表明是常数。表明阳极靶阳极靶 材材原子序数原子序数越大，同一线系特越大，同一线系特 征谱波长越短征谱波长越短图图1-4 特征特征X射线谱射线谱本曲线是那种材料？18第18页二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 特征特征X射线产生能够用图射线产生能够用图1-5示意说明，冲向阳极电示意说明，冲向阳极电子若含有足够能量，将内层电子击出而成为自由电子，此时子若含有足够能量，将内层电子击出而成为自由电子，此时 原子处于高能不稳定状原子处于高能不稳定状 态，必定自发地向稳态过态，必定自发地向稳态过 渡。若渡。若 L层电子跃迁到层电子跃迁到 K 层填补空位，原子由层填补空位，原子由K 激激 发态转为发态转为 L 激发态，能量激发态，能量 差以差以X 射线形式释放，射线形式释放，这就是特征这就是特征X射线，称为射线，称为 K 射线射线图图1-5 特征特征X射线产生示意图射线产生示意图第二节 X射线产生及X射线谱19第19页二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱因为因为L层内还有能量差异很小亚能级，不一样亚能级电子层内还有能量差异很小亚能级，不一样亚能级电子跃迁将辐射跃迁将辐射K 1和和K 2射线。若射线。若M层电子向层电子向K层空位补充，则层空位补充，则辐射波长更短辐射波长更短 K 射线射线。特征。特征 X射线频率可由下式计算射线频率可由下式计算 h =W2 W1=(-En2)(-En1)(1-8)式中，式中，W2、W1分别为电子跃迁前后原子激发态能量，分别为电子跃迁前后原子激发态能量，En2和和En1是所在壳层上电子能量。依据经典原子模型，原子是所在壳层上电子能量。依据经典原子模型，原子内电子分布在一系列壳层上，最内层内电子分布在一系列壳层上，最内层(K层层)能量最低，按能量最低，按L、M、N、次序递增次序递增第二节 X射线产生及X射线谱20第20页第二节 X射线产生及X射线谱二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 在莫塞莱定律在莫塞莱定律(1-6)式中，式中，其中其中R 称为里德伯常数，称为里德伯常数，R=1.0974 107m-1；n1和和n2是电子是电子跃迁前后壳层主量子数，如跃迁前后壳层主量子数，如 K 层层 n=1，L 层层n=2，M层层 n=3等，等，在在K激发态下，激发态下，L层电子向层电子向K层跃迁几率远大于层跃迁几率远大于M层跃层跃迁几率，所以迁几率，所以 K 谱线强度是谱线强度是 K 5倍倍；K 1和和K 2谱线谱线关系为关系为 K 1 K 2，IK 1 2IK 2。几个元素特征波长和。几个元素特征波长和K系系谱线激发电压见表谱线激发电压见表1-121第21页二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱靶靶材材ZK系列特征谱波长系列特征谱波长/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1nmUK/kVU适宜适宜/kVK 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055表表1-1 几个阳极靶材及其特征谱参数几个阳极靶材及其特征谱参数注：注：K=(2 K 1+K 2)/3第二节 X射线产生及X射线谱22第22页第三节 X射线与物质相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 如图如图1-6，强度为，强度为I0X射线照射厚度为射线照射厚度为t均匀物质上，均匀物质上，穿过深度为穿过深度为x处处dx厚度时强度衰减量厚度时强度衰减量dIx/Ix与与dx成正比，成正比，(1-11)式中，式中，l 是常数，称线吸收系数是常数，称线吸收系数 (1-12)I/I0称为透射系数，称为透射系数，l是是X射线经过射线经过 单位厚度单位厚度(即单位体积即单位体积)物质强度衰物质强度衰 减量减量，图，图1-7表示强度随透入深度表示强度随透入深度 指数衰减关系指数衰减关系图图1-6 X射线经过物质射线经过物质后衰减后衰减23第23页第三节 X射线与物质相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 单位体积内物质量随其密度而异，所以对于一确定物质单位体积内物质量随其密度而异，所以对于一确定物质 l 并不是常量，并不是常量，为表示物质本质吸收特征，采取质量吸收系为表示物质本质吸收特征，采取质量吸收系数数 m=l/(是吸收物质密度是吸收物质密度)，代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14)m为单位面积厚度为为单位面积厚度为 t 体积中物质体积中物质 质量。所以质量。所以，m 物理意义是物理意义是X射射 线经过单位面积单位质量物质强度线经过单位面积单位质量物质强度 衰减量衰减量 它避开了密度影响，能够作为反应它避开了密度影响，能够作为反应 物质本身对物质本身对X射线吸收性质物理量射线吸收性质物理量图图1-7 X射线强度随透入射线强度随透入深度改变深度改变24第24页习题习题X射线试验室用防护铅屏厚度通常最少为射线试验室用防护铅屏厚度通常最少为1 mm，试计算这种铅屏对，试计算这种铅屏对Cr K、Mo K辐射透射系数各为多少？辐射透射系数各为多少？已知已知Pb=11.34 g/cm3 注：各注：各元素质量吸收系数元素质量吸收系数见附录见附录B，书本，书本P324325页页25第25页第三节 X射线与物质相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l复杂物质质量吸收系数复杂物质质量吸收系数 对于多元素组成复杂物质，如固溶体、化合物对于多元素组成复杂物质，如固溶体、化合物和混合物等，其质量吸收系数仅取决于各组元质和混合物等，其质量吸收系数仅取决于各组元质量系数量系数 mi及各组元及各组元质量分数质量分数wi，即，即 (1-15)习题习题厚度为厚度为1mm铝片能把某单色铝片能把某单色射线束强度降低射线束强度降低为原来为原来23.9，试求这种，试求这种射线波长。试计算含射线波长。试计算含Wc0.8，Wcr4，Ww18高速钢对高速钢对Mo K辐射质量吸收系数。辐射质量吸收系数。26第26页一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 关系关系 质量吸收系数取决于质量吸收系数取决于X 射线波长射线波长 和吸收物质原子和吸收物质原子序数序数Z，其关系经验式以下，其关系经验式以下 m K4 3 Z3 (1-16)式中，式中，K4为常数。上式表明，为常数。上式表明，物质原子序数越大，对物质原子序数越大，对X射射线吸收能力越强线吸收能力越强；对于一定吸收体，对于一定吸收体，X射线波越短，穿射线波越短，穿透能力越强，吸收系数下降透能力越强，吸收系数下降。但随波长减小，但随波长减小，m 并非单调下并非单调下降降，见图，见图1-8第三节 X射线与物质相互作用27第27页一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 关系关系 如图如图1-8所表示，所表示，吸收系数在一些波长位置突然升高，吸收系数在一些波长位置突然升高，所所 对应波长称为吸收限对应波长称为吸收限 每种物质都有其特定一每种物质都有其特定一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素特征量收元素特征量，将这种，将这种 带有特征吸收限吸收系带有特征吸收限吸收系 数曲线称该物质吸收谱数曲线称该物质吸收谱 为何会存在吸收限？为何会存在吸收限？图图1-8 质量吸收系数与波长关系曲线质量吸收系数与波长关系曲线第三节 X射线与物质相互作用28第28页第三节 X射线与物质相互作用l光电效应光电效应 当当 入射入射X射线光量子能量射线光量子能量等等于或略大于于或略大于吸收体原子某壳层电吸收体原子某壳层电子结合能时，电子易取得能量子结合能时，电子易取得能量从内层逸出，成为自由电子，称从内层逸出，成为自由电子，称为光电子，这种光子击出电子为光电子，这种光子击出电子现象称为光电效应。现象称为光电效应。将消耗大量将消耗大量入射能量，造成入射能量，造成吸收系数突增吸收系数突增.光电效应引发入射能量消耗为光电效应引发入射能量消耗为真吸收真吸收光电效应、荧光效应和俄歇效光电效应、荧光效应和俄歇效应过程示意图应过程示意图29第29页二、二、X射线真吸收射线真吸收l吸收限应用吸收限应用如图如图1-9所表示，可利用吸收所表示，可利用吸收限两侧吸收系数差异很大限两侧吸收系数差异很大现象选取滤波片，用以现象选取滤波片，用以吸收不需要辐射，而得吸收不需要辐射，而得到基本单色到基本单色X射线射线图图1-9 滤波片原理示意图滤波片原理示意图第三节 X射线与物质相互作用30第30页二、二、X射线真吸收射线真吸收l吸收限应用吸收限应用 参考图参考图1-9，可选择一个适当材料，使其吸收限恰好位，可选择一个适当材料，使其吸收限恰好位于特征谱于特征谱K 和和K 波长之间，且尽可能靠近波长之间，且尽可能靠近K 线波长。把这线波长。把这种材料制成薄片种材料制成薄片滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸收滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸收 K 线，而对线，而对 K 线吸收极少，能够取得基本上为单色辐射线吸收极少，能够取得基本上为单色辐射 惯用靶材滤波片选择见表惯用靶材滤波片选择见表1-2，滤波片比靶材原子序，滤波片比靶材原子序数小数小12，经过调整滤波片厚度，使滤波后，经过调整滤波片厚度，使滤波后I K /I K 1/600 当当 Z靶靶 40 时，时，Z滤滤=Z靶靶-1 当当 Z靶靶 40 时，时，Z滤滤=Z靶靶-2第三节 X射线与物质相互作用31第31页二、二、X射线真吸收射线真吸收l吸收限应用吸收限应用阳阳 极极 靶靶滤波片滤波片(使使 IK =1/600)I/I0(K)元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K/nm厚度厚度/mm t/g cm-2银银 470.05610.0497铑铑 450.05340.0790.0960.29钼钼 420.07110.0632锆锆 400.06880.1080.0690.31铜铜 290.15420.1392镍镍 280.14880.0210.0190.40钴钴 270.17900.1621铁铁 260.17430.0180.0140.44铁铁 260.19370.1757锰锰 250.18950.0160.0120.46铬铬 240.22910.2085钒钒 230.22680.0160.0090.50表表1-2 与几个惯用阳极靶及及配用滤波片参数与几个惯用阳极靶及及配用滤波片参数第三节 X射线与物质相互作用32第32页二、二、X射线真吸收射线真吸收l吸收限应用吸收限应用 在衍射分析时，希望试样对在衍射分析时，希望试样对 X射线吸收尽可能少，以射线吸收尽可能少，以取得高衍射强度和低背底。所以应按图取得高衍射强度和低背底。所以应按图1-10所表示选取靶所表示选取靶 材，入射线波长材，入射线波长 T 略大于或略大于或 远小于试样远小于试样 K，即依据样，即依据样 品品选择靶材选择靶材标准是，标准是，Z靶靶 Z样样+1 或或 Z靶靶 Z样样 图图1-10 X射线管靶材选择射线管靶材选择第三节 X射线与物质相互作用33第33页第三节 X射线与物质相互作用三、三、X射线散射射线散射lX射线穿过物质后强度产生衰减射线穿过物质后强度产生衰减l强度衰减主要是因为真吸收消耗于光电效应和热效应强度衰减主要是因为真吸收消耗于光电效应和热效应l强度衰减还有一小部分是偏离了原来入射方向，即散射强度衰减还有一小部分是偏离了原来入射方向，即散射lX射线射线散射散射包含包含 与原波长相同相干散射与原波长相同相干散射 与原波长不一样不相干散射与原波长不一样不相干散射34第34页三、三、X射线散射射线散射1.相干散射相干散射l当入射当入射 X射线与受射线与受原子核束缚较紧电子原子核束缚较紧电子相遇，使电子在相遇，使电子在X射线交变电场作用下发生受迫振动，像四面辐射与入射射线交变电场作用下发生受迫振动，像四面辐射与入射X射线波长相同辐射射线波长相同辐射l因各电子散射因各电子散射X射线波长相同，有可能相互干涉，所以称射线波长相同，有可能相互干涉，所以称相干散射相干散射，亦称经典散射，亦称经典散射l物质对物质对X射线散射能够认为射线散射能够认为只是电子散射只是电子散射l相干散射波仅占入射能量极小部分相干散射波仅占入射能量极小部分l相干散射是相干散射是 X 射线衍射分析基础射线衍射分析基础第三节 X射线与物质相互作用35第35页三、三、X射线散射射线散射1.相干散射相干散射X 射线是非偏振光，如图射线是非偏振光，如图1-11,电子在空间电子在空间P点相干散射强度点相干散射强度 (1-18)式中，式中，I0为入射线强度；为入射线强度；Ie为一个电为一个电 子相干散射强度；子相干散射强度；R 为电子到空为电子到空 间一点间一点P距离；距离；2 为散射角；为散射角；电子散射因数电子散射因数 fe2=7.94 10-30m2，说说 明明一个电子相干散射强度很小一个电子相干散射强度很小；(1+cos2 2)/2 称偏振因数，表明称偏振因数，表明相相干干 散射线是偏振，强度随散射线是偏振，强度随2 而改变而改变第三节 X射线与物质相互作用图图1-11 一个电子相一个电子相干散射干散射36第36页第三节 X射线与物质相互作用三、三、X射线散射射线散射1.相干散射相干散射 定义原子散射因数为一个定义原子散射因数为一个原子中全部电子相干散射波原子中全部电子相干散射波合成振幅与一个电子相干散射波振幅比，则有合成振幅与一个电子相干散射波振幅比，则有 f=V (r)ei dV (1-21)式中，式中，(r)是原子中总电是原子中总电 子分布密度；子分布密度；dV是位矢是位矢r端端 点周围体积元，点周围体积元，是相位是相位 差，差，是是r与与(k-k)间夹角间夹角(图图1-12)图图1-12 一个原子中电子一个原子中电子相干散射相干散射37第37页第三节 X射线与物质相互作用三、三、X射线散射射线散射1.相干散射相干散射 若原子中电子云相对原子核呈球形对称分布，若原子中电子云相对原子核呈球形对称分布，U(r)为其为其径向分布函数径向分布函数(半径为半径为r球面上电子数球面上电子数)，U(r)=4 r2(r)，令令 则则 =Krcos (1-19)(1-22)见图见图1-13，当，当 =0时，时，f=z；当；当 0时，时，f z，且随且随sin/增大快增大快速速 衰减衰减图图1-13 f 随随sin /改变改变 f f38第38页三、三、X射线散射射线散射1.相干散射相干散射 原子相干散射强度，原子相干散射强度，Ia=f 2Ie 以上分析将电子看成以上分析将电子看成是自由电子，忽略了原子查对电子束是自由电子，忽略了原子查对电子束缚和其它电子排斥作用。所以对原子散射因数需进行修正缚和其它电子排斥作用。所以对原子散射因数需进行修正 f有效有效=f0+f +if (1-23)式中，式中，f 和和f 称色散修正项。虚数项称色散修正项。虚数项f 通常可忽略不计；对通常可忽略不计；对于给定散射体和波长，于给定散射体和波长，f 与散射角无关，它仅与与散射角无关，它仅与(/K)值值相关，此值越靠近相关，此值越靠近1，f有效有效与计算值与计算值f0差值越大差值越大第三节 X射线与物质相互作用39第39页第三节 X射线与物质相互作用三、三、X射线散射射线散射2.不相干散射不相干散射 当当 X射线与自由电子或受核束缚较弱电子碰撞时，使射线与自由电子或受核束缚较弱电子碰撞时，使电子取得部分能量离开原子核而成为反冲电子，电子取得部分能量离开原子核而成为反冲电子，X 射线能量射线能量 损失，而发生损失，而发生波长变长不相波长变长不相 干散射干散射 不相干散射效应首先由康普顿不相干散射效应首先由康普顿 和吴有训发觉，并用和吴有训发觉，并用 X射线光射线光 量子与自由电子碰撞量子理量子与自由电子碰撞量子理 论解释这一现象，见图论解释这一现象，见图1-14 不相干散射亦称量子散射不相干散射亦称量子散射图图1-14 康普顿康普顿-吴有训效应吴有训效应40第40页第三节 X射线与物质相互作用三、三、X射线散射射线散射2.不相干散射不相干散射l不相干散射引发波长改变不相干散射引发波长改变为为 =0.00243(1 cos2 )=0.00468sin2 (1-24)l不相干散射波长与入射波不一样，且随散射方向不相干散射波长与入射波不一样，且随散射方向(2 )改改变，不能发生衍射，而形成衍射图背底变，不能发生衍射，而形成衍射图背底l不相干散射强不相干散射强 度随度随 sin /增大而增大，入射波长愈短，增大而增大，入射波长愈短，被照物质轻元素愈轻，康普顿被照物质轻元素愈轻，康普顿-吴有训效应愈显著吴有训效应愈显著41第41页 图图1-15归纳了归纳了X射线穿过物质时，射线穿过物质时，X射线与物质发生复射线与物质发生复杂相互作用，即物质对杂相互作用，即物质对X射线吸收、散射；入射射线吸收、散射；入射X射线射线对样品原子电离，及随即荧光效应和俄歇效应等对样品原子电离，及随即荧光效应和俄歇效应等图图1-15 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用入射入射X射线射线第三节 X射线与物质相互作用42第42页1.什么厚度镍滤波片可将什么厚度镍滤波片可将Cu K辐射强度降低至入射辐射强度降低至入射时时70？假如入射？假如入射X射线束中射线束中K和和K强度之比是强度之比是5:1，滤波后强度比是多少？已知，滤波后强度比是多少？已知m49.03 cm2g，m290 cm2g。2.为使为使Cu K线强度衰减线强度衰减12，需要多厚，需要多厚Ni滤波片？滤波片？CuK1和和CuK2强度比在入射时为强度比在入射时为2:1，利用算得，利用算得Ni滤波片之后其比值会有什么改变？滤波片之后其比值会有什么改变？（Ni密度为密度为8.90 gcm3）课堂作业课堂作业 当当X射线发生装置是射线发生装置是Cu靶，滤波片应选靶，滤波片应选()，为何？，为何？A.Cu；B.Fe；C.Ni；D.Mo。43第43页