晶体X射线衍射学基础-燕山大学.pdf

晶体晶体X射线X射线衍射学基础 衍射学基础 X-ray Diffraction of Crystals X-ray Diffraction of Crystals(Foundations and Applications)(Foundations and Applications)材料近代分析测试方法 材料近代分析测试方法 材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法-I I I I 燕山大学 燕山大学 材料科学与工程学院 材料科学与工程学院 王利民王利民 联系方式联系方式：材料馆材料馆C楼楼411，LIMIN_WANGYSU.EDU.CN1，本课程的重要性本课程的重要性2，本科课程包含的内容本科课程包含的内容3，X射线的历史与发展射线的历史与发展4，X射线衍射的应用射线衍射的应用5，本课程的整体安排本课程的整体安排、教学以及其他 教学以及其他 第第0章章、绪论绪论 燕山大学材料科学与工程学院 材料现代分析测试方法课程教学团队 王利民教授/博导XX射线 射线 射线射线体检透视、安全检查、海关验货、工业探伤等等。材料结构分析 材料结构分析 材料性能材料性能 化学成分 物相组成 相结构 相形貌 相分布 相大小 缺陷 材料结构分析方法：建立在材料的各种物理化学效应基础上 物理方法：光束、X射线束射线束，电子束、中子束、其它粒子等 化学方法：利用X射线束和电子束射线束和电子束与材料相互作用产生效应来对材料进行分析测试的 方法是材料近代分析中最重要的方法（1）材料的X材料的X射线分析方法射线分析方法+（2）材料电子显微分析方法 材料电子显微分析方法 材料科学研究材料科学研究课程的中心是围绕：X射线射线衍射谱衍射谱1，X射线是怎么回事？X射线的基本物理2，衍射谱的构成3，衍射谱的形成原理4，如何从衍射谱中获取结构信息2，本课程包含的内容本课程包含的内容一个典型从X一个典型从X射线衍射仪中得到的衍射谱射线衍射仪中得到的衍射谱 物质的性质物质的性质、材料的性能决定于 材料的性能决定于 物质的性质物质的性质、材料的性能决定于 材料的性能决定于 它们的组成和微观结构它们的组成和微观结构。它们的组成和微观结构它们的组成和微观结构。如果你有一双 如果你有一双 如果你有一双如果你有一双XX射线的 射线的 射线的射线的“眼睛 眼睛 眼睛眼睛”，就，就，就，就 能把物质的微观结构看个清清楚 能把物质的微观结构看个清清楚 能把物质的微观结构看个清清楚 能把物质的微观结构看个清清楚 楚明明白白楚明明白白！楚明明白白楚明明白白！XX射线衍射将会有助于你探究为何 射线衍射将会有助于你探究为何 射线衍射将会有助于你探究为何 射线衍射将会有助于你探究为何 成份相同的材料，成份相同的材料，其性能有时会 其性能有时会 成份相同的材料，成份相同的材料，其性能有时会 其性能有时会 差异极大差异极大。差异极大差异极大。XX射线衍射将会有助于你找到获得 射线衍射将会有助于你找到获得 射线衍射将会有助于你找到获得 射线衍射将会有助于你找到获得 预想性能的途径。预想性能的途径。预想性能的途径。预想性能的途径。引自中南大学苏玉长引自中南大学苏玉长X射线衍射（XRD）边缘X-射线吸收微细结构（EXAFS）X射线吸收近边结构（XANES）X射线形貌（XRT）X射线成像（XRI）X射线小角散（XRS）X射线光刻（XRL）X射线荧光（XRF）3，X射线以及射线以及X射线衍射学发展历程射线衍射学发展历程 1.1895年年，德国，德国，伦琴伦琴，发现，医 疗，第一个诺贝尔物理奖；2.1912年，德国，劳埃，第一张X射线衍 射花样，晶体结构，电磁波，原子间距，劳埃方程，不方便；19131914年，英国，布拉格父子，布拉 布拉 格方程格方程，晶体结构分析；3.1916年，德拜、谢乐，粉末法，多晶 体结构分析；4.1928年，盖格，弥勒，计数管，X射线 衍射线强度，衍射仪。The Nobel Prize in Physics 1901 The Nobel Prize in Physics 1901 Wilhelm Conrad RoentgenWilhelm Conrad Roentgen Germany Munich University Munich,Germany 1845-1923 伦琴伦琴1901年获 1901年获 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖W.C.(WilhelmConradRoentgen18451923)18451845年3年3月27日生于德国莱茵省勒奈普市月27日生于德国莱茵省勒奈普市。18691869年在苏黎世大学获哲学博士学位年在苏黎世大学获哲学博士学位，并留，并留 校任教。校任教。18721872年年18791879年先后在斯特拉斯 年先后在斯特拉斯 堡大学，堡大学，霍恩海姆农学院霍恩海姆农学院、吉森大学等校任 吉森大学等校任 教教，18881888年起任维尔茨堡大学教授及物理所 年起任维尔茨堡大学教授及物理所 所长所长，后任校长。，后任校长。1896年成为柏林和慕尼黑 1896年成为柏林和慕尼黑 科学院通讯院士，科学院通讯院士，1900190019201920年任慕尼黑 年任慕尼黑 物理所所长，物理所所长，19231923年2月年2月10日逝世10日逝世。主要成就主要成就：从从1876年开始研究各种气体比 年开始研究各种气体比 热热，证实气体中电磁旋光效应存在。证实气体中电磁旋光效应存在。1888年 年 实验证实电介质能产生磁效应，实验证实电介质能产生磁效应，最重要在最重要在1895年年11月月8日在实验中发现：日在实验中发现：当克鲁克斯 当克鲁克斯 管接高压电源管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的，会放射出一种穿透力极强的 射线射线，他命名为，他命名为X射线。射线。X射线在晶体结构 射线在晶体结构 分析分析，金相材料检验，人体疾病透视检查即，金相材料检验，人体疾病透视检查即 治疗方面有广泛应用，因此而获得治疗方面有广泛应用，因此而获得1901年诺 年诺 贝尔物理奖。贝尔物理奖。伦琴伦琴伦 伦 琴琴李鸿章在李鸿章在X光 光 被发现后仅被发现后仅7个月就体验 个月就体验 了此种新技 了此种新技 术，术，成为拍成为拍X光片检查枪 光片检查枪 伤的第一个 伤的第一个 中国人。中国人。衍射分析技术的发展衍射分析技术的发展 与与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 年 份 学 科 得奖者 内 容 1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen X射线的发现 1914 物理 劳埃Max von Laue 晶体的X射线衍射 亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.1917 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 元素的特征X射线 1924 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学 戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson 1954 化学 鲍林Linus Carl Panling 化学键的本质 肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz 1962 生理医学 Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins 脱氧核糖核酸DNA测定 1964 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 青霉素、B12生物晶体测定 霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 电子显微镜 宾尼希G.Binnig 扫描隧道显微镜 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 中子谱学 沙尔 C.G.Shull 中子衍射 直接法解析结构 1915 物理 晶体结构的X射线分析 1937 物理 电子衍射 1986 物理 1994 物理 1962 化学 蛋白质的结构测定 1985 化学4，X射线衍射技术的主要应用领域射线衍射技术的主要应用领域1，晶体结构分析：人类研究物质微观 结构的第一种方法。2，物相定性分析3，物相定量分析4，晶粒大小分析5，非晶态结构分析，结晶度分析6，宏观应力与微观应力分析7，择优取向分析X射线射线（绪论、第一章）衍射方向 衍射方向（衍射峰的位置（衍射峰的位置）（第三章）衍射强度 衍射强度（衍射峰的高度（衍射峰的高度）（第四章）衍射形状 衍射形状（衍射峰的形状（衍射峰的形状）（第四、九章）物质物质（晶体、纳米晶、非晶与液体等）（第二章）吸收吸收、散射等等、散射等等 晶粒 晶粒 尺度 尺度 结构确定结构确定，物相标定，物相标定，点 点 阵参数确定，阵参数确定，应力分布应力分布（第六、七、八章）衍 衍 射射 衍射技术与设备（第五章）干涉 干涉 函数 函数 非非晶晶态 态 一一、课程总体结构课程总体结构二、二、课程特点课程特点1.课时安排：讲26学时，实验6学时；2.内容抽象，涉及知识面较广，物理学、化学、数 学、材料学等，但逻辑性很强，在原理方面说不清楚 的地方不多。三、三、教材与参考书教材与参考书 范雄 金属X射线学，经典、错少 李树棠晶体X射线衍射学基础，冶金工业出版 社四、四、上课要求上课要求1.认真听讲；2.上课期间不许说话，请大家理解；五、五、考试考试 期末闭卷考试+平时表现第一章第一章 X射线的物理学基础射线的物理学基础11X射线的产生射线的产生12X射线的本质射线的本质13 X射线谱射线谱14 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用15 X射线的探测与防护射线的探测与防护11X射线的产生 射线的产生 X X-射线管 射线管 重点 重点 同步辐射光源 同步辐射光源 了解 了解 X X-射线激光 射线激光 激光等离子体光源 激光等离子体光源 产生X-射线的方式产生X-射线的方式：(1)产生原理产生原理重点(2)产生条件产生条件重点(3)X射线管射线管(4)过程演示 过程演示（一一）X射线管射线管重点重点产生原理 产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量 发生能量 转换转换，电子的运动受阻失去动能电子的运动受阻失去动能，其中一 其中一 小部分小部分（1左右左右）能量转变为能量转变为X射线射线，而 而 绝大部分绝大部分（99左右左右）能量转变成热能使 能量转变成热能使 物体温度升高物体温度升高。产生条件产生条件 1.产生自由电子产生自由电子电 电 子源子源，如加热钨丝产 如加热钨丝产 生热电子生热电子 2.使电子作定向的高 使电子作定向的高 速运动速运动 施加在阳 施加在阳 极和阴极极和阴极（钨丝钨丝）间 间 的电压的电压1236541-高压变压器;2-钨丝变压器；3-X射线管；4-阳极；5-阴极；6-电子；7-X射线7常规的X射线产生装置 3.在其运动的路径 在其运动的路径 上设置一个障碍物 上设置一个障碍物 使电子突然减速或 使电子突然减速或 停止停止。4.真空真空把阴极 把阴极 和阳极密封在真空 和阳极密封在真空 度高于度高于103Pa的真 的真 空中空中，保持两极洁 保持两极洁 净并使加速电子无 净并使加速电子无 阻地撞击到阳极靶 阻地撞击到阳极靶 上。上。1236541-高压变压器;2-钨丝变压器；3-X射线管；4-阳极；5-阴极；6-电子；7-X射线7产生条件产生条件 常规的X射线产生装置X射线管射线管 1.X射线管的结构射线管的结构 2.特殊构造的特殊构造的X射线管射线管 3.市场上供应的种类市场上供应的种类X射线管的结构射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（）二极管。基本组成包括：(1)阴极：阴极是发射电子的地方。(2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的 地方。mmHg751010 引自中南大学引自中南大学(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射 出的地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰 击的地方，正是从这块面积上发射出X射 线。接变压器 玻璃 钨灯丝 金属聚灯罩 铍窗口 金属靶 冷却水 电子X射线X射线 X X射线管剖面示意图射线管剖面示意图 过程演示过程演示特殊构造的特殊构造的X射线管射线管(1)细聚焦X射线管(2)旋转阳极X射线管市场上供应的种类市场上供应的种类(1)密封式灯丝X射线管(2)可拆式灯丝X射线管（1）产生原理）产生原理 利用电子 在作加速运动时能辐射电磁 波的原理，辐射电磁波的光子能量在2479.70.0496keV范围的称为同步 辐射X射线。（二（二）同步辐射）同步辐射（2）同步辐射光源）同步辐射光源：20世纪60年代末出现。是速度接近光速的带 电粒子在作曲线运动时，沿切线方向发出电磁辐 射同步光（同步辐射）。电子同步加速器（1947美国通用电器）。同步辐射最初是作为电子同步加速器的有害 物而加以研究的，后来成为一种从红外到硬X射 线范围内有着广泛应用的高性能光源。（3）同步辐射光的特点同步辐射光的特点（1）波段宽：具有频谱宽且连续可调（2）高亮度；（3）高准直度；（4）高偏振性；（5）高纯净性；（6）窄脉冲；（7）精确度高；（8）高稳定性；（9）高通量；（10）微束径；（11）准相干等独特的性能。（4）同步辐射装置同步辐射装置 世界上有近40台同步辐射光源正在运行，还有几十台在设计建造中。北京同步辐射装置（BSRF）合肥中国科技大学同步辐射装置（NSRL）上海光源（SSRF）属第三代光源。台湾新竹的同步辐射装置（SRRC）BSRF4w1漫散射漫散射XAFSX射线成像射线成像4B9衍射和小角散射 衍射和小角散射 光电子能谱光电子能谱3B1光刻光刻VUV3W1软软X射线光学射线光学4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1B1W1荧光分析荧光分析4W2生物大分子 生物大分子 高压高压3B3中能束线中能束线LIGA13条光束线 13条光束线 13个实验站13个实验站北京同步辐射装置北京同步辐射装置（5）同步辐射的特殊应用同步辐射的特殊应用：利用高的空间分辨率：1，同步辐射X衍射技术在三维结构生 物学中的应用2，细胞膜通道的研究3，光合作用机制的研究4，能量转换的研究5，信号转导的研究6，基因转录的研究7，病毒生物大分子结构的研究12X射线的本质射线的本质X射线的本质是电磁波电磁波，与可 见光完全相同，仅是波长短 而已，因此具有波粒二像性。(1)波动性(2)粒子性波动性波动性 X射线的波长范围：0.01100或者1081012m 1=1010m 表现形式：在晶体作衍射光栅观察 到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。X射线是波长在射线是波长在108到到1012米范围内，具有极强 米范围内，具有极强 穿透能力的电磁波。穿透能力的电磁波。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，可用于分析非金属的分 析。X射线波长的度量单位常用埃（）,或者 通用的国际计量单位中用纳米（nm）表 示，它们之间的换算关系为：1=1010m1nm=109m粒子性粒子性 特征表现为以光子光子（光量子光量子）形式辐射和吸收 时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。X射线的频率、波长以及其光子的能量光子的能量、动量p之间存在如下关系：式中h普朗克常数，等于6.625J.scX射线的速度，等于2.998m/s.hch=hp=3410 810相关习题：相关习题：1.试计算波长试计算波长0.71（MoK）和和1.54（CuK）的的X射线束射线束，其频率和每个量子的能量其频率和每个量子的能量。cv=nmmo1.010A110=hv=J108.21023.410625.6)Hz(1023.41071.0/10315183418108 =hvcv Mo靶靶X射线射线:Cu靶靶X射线射线:J103.11095.110625.6)Hz(1095.11054.1/10315183418108 =hvcv 13X射线谱射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以 分为两种类型：(1)连续（白色）X射线(2)特征（标识）X射线 连续辐射，特征辐射 X X射线谱指的是X射线谱指的是X射线的强度随波长变化的关系曲线射线的强度随波长变化的关系曲线。X。X射 射 线强度大小由单位面积上的光量子数决定线强度大小由单位面积上的光量子数决定。连续连续X射线射线 具有连续波长的X射线，构成连续X射线 谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。产生机理 演示过程 短波限 X射线的强度0.00.20.40.60.81.001220kV30kV40kVIntensitywavelength50kV产生机理产生机理 能量为eV的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，碰撞一次产生一个能量为hv的 光子，这样的光子流即为X射线射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很 多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐 渐地损耗自身的能力，即产生多次辐射，由于多次辐射中光子的能量不同，因此出 现连续连续X射线谱射线谱。K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子 中性原子WkWlWmWn0原子的能量 连续X射线产生过程 电子冲击阳极靶X射线射出 演示过程 引自中南大学引自中南大学短波限短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为 短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所 产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因 素的影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于（库仑）V管电压 h普朗克常数，等于C19106.1 0max hcheV=sj 3410625.6eVhc=0 或者或者相关习题相关习题 试计算用试计算用50千伏操作时千伏操作时，X射线管中的电子 射线管中的电子 在撞击靶时的速度和动能在撞击靶时的速度和动能，所发射的所发射的X射线 射线 短波限为多少短波限为多少？eVm=2021 0 mp=eVhc=0 kgm311011.9 =Jsh3410625.6 =smc/1038 =Ce19106.1 =X射线的强度射线的强度 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光子数目（能 能 量量）的总和的总和。常用单位是J/cm2.s.X射线的强度射线的强度I是由光子能量是由光子能量h和它的数目和它的数目n两个因素决定的两个因素决定的,即I=nh，连续X射线强 度最大值在1.50,而不在0处。连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连 续X射线的总强度，也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶 的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:miZVKI1=连ZVKiVZVKXX121=电子流功率 射线功率 射线管效率 1，各种波长的X射线的 相对强度一致增高，2，最高强度的射线的波 长逐渐变短（曲线的峰 相左移动），3，短波极限逐渐变小，即 0向左移动，4，波谱变宽。因此因此，管电压既影响连续管电压既影响连续X射线谱的强度，射线谱的强度，也影响其波长 也影响其波长 范围范围。0.00.20.40.60.81.001220kV30kV40kVIntensitywavelength50kV当增加当增加X射线管的电压射线管的电压，连续，连续X射线谱有下列特征射线谱有下列特征特征特征X射线射线 是在连续谱的基础上叠加若干条具 有一定波长的谱线，它和可见光中 的单色相似，亦称单色X射线。对于一定元素的靶，当管电压小于 某一限度时，只激发连续谱。随着 管电压升高，射线谱向短波及强度 升高方向移动，本质上无变化。但 当管电压升高到超过某一临界值（如对钼靶为20kV）后，曲线产生明 显的变化，即在连续谱的几个特定 波长的地方，强度突然显著增大，如图所示。由于它们的波长反映了 靶材的特征，因此称之为特征特征X射 射 线谱线谱。钼阳极管发射的X射线谱 波长，0.1nm相对强度35kV25201.特征特征X射线的特性 射线的特性 管电压特征 管电压特征 强度特征 强度特征 特征波长取决于原子序数特征波长取决于原子序数莫塞莱定律莫塞莱定律2.产生机理产生机理3.K系激发机理系激发机理1、特征特征X射线的特射线的特性 性（1）激发管电压特征激发管电压特征：每一条谱线对应 一定的激发电压，只有当管电压超 过激发电压时才能产生相应的特征 谱线，且靶材原子序数越大其激发 电压越高。当电压达到临界电压 时，特征谱线的波长不再变，强度 随电压增加。()nkVViKI =2特K系特征X射线的强度与管电压、管电流的 关系为：强度特征强度特征：每个特征射线都对应一个特定的 波长，不同靶材的特征谱波长不同。如管电 流和管电压V的增加只能增强特征X射线的 强度，而不改变波长。2、特征、特征X射线的特性 射线的特性（2）同系同系（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，是物质的固有特性物质的固有特性。且存在如下关系：莫塞莱定律莫塞莱定律：同系同系特征X射线谱的波长或 频率与原子序数Z关系为：()=ZC13、特征、特征X射线的特性 射线的特性（3）莫塞莱定律莫塞莱定律C，C1与为常数()=ZC1或者0.51.01.52.02.53.08070605040302010Mo(42)La1AtomicNumberZWavelength (A)Ka1Cu(29)()=ZC1()=ZC11.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.21020304050607080AtomicNumberZWMoCuLa1Ka1 1/2(109Hz1/2)莫塞莱定律莫塞莱定律K 1:C=3*103 =2.9K 1:C1=5.2*107 =2.9产生机理产生机理 特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内 部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最 低原理分布于各个能级。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，系统能量升高，处于 不稳定激发态。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。KK态 态 态态LL态 态 态态MM态 态 态态NN态 态 态态 kk l l mm nn0 0原 原 原原子 子 子子的 的 的的能 能 能能级 级 级级h lk=l kK K K L L h nk=n kh nl=n l特征 特征 特征特征XX射线产生过程 射线产生过程 射线产生过程射线产生过程 特征 特征 特征特征XX射线是波长一定的特征辐射射线是波长一定的特征辐射。射线是波长一定的特征辐射射线是波长一定的特征辐射。特征 特征 特征特征XX射线产生过程 射线产生过程 射线产生过程射线产生过程KK态 态 态态LL态 态 态态MM态 态 态态NN态 态 态态 kk l l mm nn0 0原 原 原原子 子 子子的 的 的的能 能 能能级 级 级级h lk=l kK K K L L h nk=n kh nl=n l 特征 特征 特征特征XX射线是波长一定的特征辐射射线是波长一定的特征辐射。射线是波长一定的特征辐射射线是波长一定的特征辐射。当K系电子被激发时，原子的系统能量便由 基态升高到K激发态，即K系激发系激发。同样，L系，电子被激发，称为L系激发，依此类 推。当K层电子出现空位，其被高能级电子填充 时产生K系辐射系辐射。具体地，当K层空位被L层电子填充时，产生K 辐射，而被M层电子 填充时，产生K 辐射。同样，电子从高能 态填充到L时产生的辐射为L系辐射，依此 类推。激发与辐射激发与辐射K系激发机理 K层 电 子 被 击 出 时，原子系统能量 由基态升到K激发 态，高能级电子向K层空位填充时产 生K系辐射。L层电 子填充空位时，产 生K 辐射；M层电 子填充空位时产生K 辐射。由能级可知K 辐射的光子能量大于K 的 能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电 子填充几率大，所以K 的强度约为K 的5倍。产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少 等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。返回莫赛莱定律返回莫赛莱定律14X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X射线与物质相互作用 时，产生各种不同的 和复杂的过程。就其 能量转换而言，一束X射线通过物质时，可 分 为 三 部 分：一部分被散射一部分被散射，一部 一部 分被吸收分被吸收，一部分透 一部分透 过过物质继续沿原来的 方向传播。X射线的散射 射线的散射；X射线的吸收 射线的吸收；X射线的衰减规律射线的衰减规律；吸收限的应用吸收限的应用；X射线的折射射线的折射；总结 总结。X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 穿透 入射X射线束 散射 吸收 相干的（经典散射）非相干 的 光电子+二次特征辐射 热能1.4.1X射线的散射射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射 相干散射（也称为经典散射也称为经典散射）非相干散射非相干散射1.4.1.1相干散射相干散射 定义 定义 物质中的电子在物质中的电子在X射线电场的作用下，产生 射线电场的作用下，产生 强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频 射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频 率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个 率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个 散射波散射波符合干涉条件符合干涉条件，因此称为相干散射。，因此称为相干散射。电子将入射X电子将入射X射线向其四周散射射线向其四周散射；或者说入射波将自；或者说入射波将自 身的能量传给电子身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与，而电子又将该能量转化为与 入射波长相同的散射X射线入射波长相同的散射X射线。干涉条件干涉条件：1，1，频率相同 频率相同 2，2，相位差固定 相位差固定 3，3，振动方向一致振动方向一致X 射 线 X 射 线 原子或离子中的电子 原子或离子中的电子 受迫振动。受迫振动。振动着的电子 振动着的电子 成为次生成为次生X射 射 线的波源，线的波源，向 向 外辐射与入射 外辐射与入射 X X 射线同频率 射线同频率 的电磁波的电磁波，称，称 为为散射波散射波。相干散射并未损失相干散射并未损失X射线的能量 射线的能量（频率或者波长没变（频率或者波长没变），而只），而只 是改变了它的传播方向。因此 是改变了它的传播方向。因此 相干散射又称为相干散射又称为弹性散射弹性散射。*相干散射是相干散射是X X射线在晶体中产生衍射的基础。射线在晶体中产生衍射的基础。晶体 晶体 底底片 片 铅铅屏屏 X 射射线线管 管 因此因此，晶 晶 体可看作 体可看作 三维立体 三维立体 光栅光栅。（1）劳厄方法 劳厄方法（2）衍射仪法衍射仪法X射线衍射射线衍射X射线衍射的成功证明了两个问题射线衍射的成功证明了两个问题 1.人们对可见光的衍射现象有了确切的了 1.人们对可见光的衍射现象有了确切的了 解解：光栅常数光栅常数(a+b)只要与点光源的光波波(a+b)只要与点光源的光波波 长为同一数量级，长为同一数量级，就可产生衍射，就可产生衍射，衍射花 衍射花 样取决于光栅形状样取决于光栅形状。2.晶体学家和矿物学家对晶体的认识2.晶体学家和矿物学家对晶体的认识：晶 晶 体是由原子或分子为单位的共振体体是由原子或分子为单位的共振体（偶极 偶极 子子）呈周期排列的空间点阵呈周期排列的空间点阵，各共振体的 各共振体的 间距大约是间距大约是10 10-8-8-10-10-7-7 cm，cm，M.A.Bravais已计 M.A.Bravais已计 算出算出14种点阵类型14种点阵类型。相干散射强度相干散射强度)22cos1(109.722260 +=RIIe一个电子的散射强度 一个电子的散射强度 讨论讨论：1 1，由一个电子散射到相距，由一个电子散射到相距R的P点的散射波强度只是入射波的强 R的P点的散射波强度只是入射波的强 度的极小一部分度的极小一部分。2 2，散射强度与距离的平方成反比。，散射强度与距离的平方成反比。3 3，各个方向上散射强度不同，各个方向上散射强度不同。PR入射入射X射线 射线 散射散射X射线 射线 电子电子2)22cos1(224240 +=RcmeIIe1.4.1.2非相干散射 非相干散射（量子散射，量子散射，或非弹性散射或非弹性散射）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 能成为反冲电子反冲电子，X射线 光子离开原来方向，能量 损失，波长增加。)(2cos1(0243.0)2cos1(012oAcmh =入射入射X射线 射线 量子散射 量子散射 电子电子2 这种散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关系，这种散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关系，不能产生干 不能产生干 涉效应涉效应，因此称为非相干散射因此称为非相干散射非相干散射是康普顿康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训吴有训等人发现的，亦 称康普顿效应或康普顿吴有训效应。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。它会增加连续背影，给衍射 图象带来不利的影响，特别对轻元素。1.4.2X射线的吸收射线的吸收 物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通 过物质时转变为其它形式的能量，X射线发 生了能量损耗。物质对X射线的非热能的吸 非热能的吸 收收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效 应。光电效应光电效应；俄歇效应俄歇效应。热能热能光电效应 光电效应（荧光辐射（荧光辐射）（1）定义：当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到 物质的原子时，也可以击出原子内层(如K层)的电子而产生电子空位，且高能级的电子填 充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐 射，即产生特征X射线。这种以这种以X X射线光子激发物质原子所发生的 射线光子激发物质原子所发生的 激发和辐射的过程称为光电效应激发和辐射的过程称为光电效应。被击出的 电子被称为X射线光电子光电子，所辐射的特征X射 线称为次级次级（或二次）（或二次）X射线射线，或称为，或称为荧光荧光X射线射线。（2）产生条件：产生光电效应，X射线光子波长 必须小于吸收限k吸收限k。当X光子激发K系（电子）产生光电效应时，光子的能量必须大于击出一个 K层电子所做的功（临界值）：)(4.12oAVeVhc =此式把吸收限与激发电压联系起来。从激发光电效应角度讲，我们可以称 K 为激发限波长激发限波长，即只 有波长小于 K的X光子才能激发K系产生X光电效应而使X射线 的能量被吸收。?吸收限与光电效应相关联吸收限与光电效应相关联。为单位 以kVV K系光电效应（K系光电效应（荧光辐射荧光辐射）L系光电效应（L系光电效应（荧光辐射荧光辐射）俄歇效应俄歇效应 原子在入射X射线光子或电子的作用下 失掉K层电子，处于K激发态；当L层电 子填充空位时，放出ELEK能量，产生两 种效应：(1)荧光X射线；(2)产生二次电离，使另一个核外电子成 为二次电子俄歇电子。KLILIILIIIMKLILIIKLL俄歇跃迁俄歇跃迁 俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决 于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能 谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。真空能级X射线与物质相互作用的总结 射线与物质相互作用的总结 热能 热能 透射透射X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I0散射散射X射线 射线 电子 电子 荧光荧光X射线 射线 相干的 相干的 非相干 非相干 的 的 反冲电子 反冲电子 俄歇电子 俄歇电子 光电子 光电子 康普顿效应 康普顿效应 俄歇效应 俄歇效应 光电效应光电效应1.4.3X射线的衰减规律 射线的衰减规律（由于散射由于散射+吸收而引起的衰减吸收而引起的衰减）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 质中的距离成正比。dxdx0IdIxxlxxxdxxxleIIdxIdIIII +=0I 0 入射X射线强度，I x 为穿透厚度为x的物质后的X射线强度，l 为线衰减系数，衰减与散射的关系很小，因此，l 也称线 吸收系数（附表上单位为厘米-1）。ml=m 为质量吸收系数质量衰减系数质量衰减系数m 表示单位质量物质对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 m随的变化是不连续的其间被尖锐的突 变分开。突变对应的波长为K吸收限。33ZKm iiNimmW =1)(m/)i 为第种元素的质量吸收系数，W为各元素原子的质量分数(%)对于多元素体系：思考题 1，X射线实验中用于防护的铅屏，厚度至少 为1毫米。试计算这种铅屏对Cu K 、Mo K 的 透射因数（I 透射/I 入射）。xxleII =0查表可得铅对CuK、MoK线吸收系数是241和141。113/1.241.02410 =eeeIIx75.7/1.141.01410 =eeeIIx吸收限的应用吸收限的应用 吸收限吸收限主要是由主要是由光电效应光电效应引起的引起的：当X射线的波长等于或小于K时，光子的 能量高于击出一个内层电子所做的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使 m 突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。滤波片的选择:(1)它的吸收限位于辐射源 的K 和K 之间，且尽量靠近K。强烈 吸收K，K 吸收很小；(2)滤波片将K 强度降低一半最佳。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。1.4.4X射线的折射射线的折射 X射线从一种介质进入另一种介 质产生折射，折射率M非常接近1,M约为0.999990.999999。2222222121mcnemcneM =因此因此，一般衍射实验中可以不考虑一般衍射实验中可以不考虑X X射线折射的影响。射线折射的影响。15X射线的探测与防护射线的探测与防护（1)X射线的探测（2）X射线的安全防护X射线的探测射线的探测 荧光屏法；照相法；辐射探测器法：X射线光子对气体和某 些固态物质的电离作用可以用来检查X射线的存在与否和测量它和强度。按照 这种原理制成的探测X射线的仪器电离 室和各种计数器。X射线的安全防护射线的安全防护 X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损 伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在 的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时 可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏 后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生 育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带 笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。致 致 谢谢 本章课件在制作过程中使用了中南大 本章课件在制作过程中使用了中南大 学学、中科院高能所同步辐射中心、中科院高能所同步辐射中心、中 中 国科技大学国科技大学、武汉工程大学的部分图 武汉工程大学的部分图 片片。