1、复合材料测试方法复合材料测试方法 吉林大学化学学院 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章第第1章章 X射线衍射分析射线衍射分析 第一节第一节 X射线的产生及性质射线的产生及性质 1. X射线的发现和X射线学的发展过程 2. X射线的性质 3. 产生X射线的条件 4. 连续X射线谱 5. 特征X射线谱 第二节 X射线与物质的作用 第三节 X射线衍射原理 第四节 X射线衍射分析方法 第五节 X射线衍射分析的应用 第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析第一节第一节 X X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 1. X1. X射线的发现和射线的发现和X X射线学的发展过程射线学的发展过
2、程 18951895年，德国物理学家年，德国物理学家伦琴伦琴(W.C.Rontgen(W.C.Rontgen，1845-1845-19231923年年) )在实验中偶然发现，放在阴极射线管附近密封在实验中偶然发现，放在阴极射线管附近密封好的照相底片被感光。好的照相底片被感光。 伦琴伦琴当时就断言，这种现象必定是一种不可见的未当时就断言，这种现象必定是一种不可见的未知射线作用的结果。由于当时没有找到更适当的名称来知射线作用的结果。由于当时没有找到更适当的名称来称呼这种射线。称呼这种射线。伦琴伦琴就以数学上常用的未知数就以数学上常用的未知数X X作为它作为它的代名词，给这种射线取名为的代名词，给这
3、种射线取名为X X射线，射线，也称也称伦琴伦琴射线射线。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 伦琴伦琴对对X X射线的性质进行了多方面的观察和实验射线的性质进行了多方面的观察和实验后，在他的论文后，在他的论文(Nature(Nature、18961896年年) )中指出，中指出，X X射线穿射线穿过物质时会被过物质时会被吸收吸收；原子量及密度不同的物质，对；原子量及密度不同的物质，对X X射线的吸收情况不一样；轻元素物质对射线的吸收情况不一样；轻元素物质对X X射线几乎是射线几乎是透明的，而透明的，而X X射线通过重元素物质时，透明程度
4、明显射线通过重元素物质时，透明程度明显地被减弱。地被减弱。X X射线的突出特点就是它能穿过不透明物射线的突出特点就是它能穿过不透明物质。质。 伦琴在他的论文中还指出，伦琴在他的论文中还指出，X X射线能使亚铂氰酸射线能使亚铂氰酸钡等荧光物质发出钡等荧光物质发出荧光荧光，能使照相底片被，能使照相底片被感光感光以及以及气体发生气体发生电离电离等。等。 X X射线的这些性质很快就首先在射线的这些性质很快就首先在医学和工程探伤上得到应用，且至今不衰。医学和工程探伤上得到应用，且至今不衰。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 在X射线发现后的17年里，人们对X射线的本质一直没有深入全面的了解
5、。当时有人认为X射线是快速运动的微小粒子束， 与电子束相似；也有人认为X射线是一种电磁破，同光波、无线电波一样，只不过波长很短而已。这个问题经过多年的研究都未得出肯定的结果。 1912年，劳厄劳厄(M . V. Laue)等人，在前人研究的基础上，提出了X射线是电磁波的假设。劳厄假定这种电磁波的波长仅是原子线度的十分之一。当时晶体点阵理论已经成熟，劳厄对比了晶体点阵与平面光栅空间周期性的共同特点，推测波长与晶面间距(晶体中相邻两原子间的距离)相近的X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象。这个假设被著名物理学家索末菲索末菲的助手弗里德利希实验证实。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章
6、1908191119081911年，年，巴克拉巴克拉(C(CG GBarkla)Barkla)发现物质发现物质被被X X射线照射时，会产生次级射线照射时，会产生次级X X射线。次级射线。次级X X射线由两射线由两部分组成，一部分与初级部分组成，一部分与初级X X射线相同，另一部分与被射线相同，另一部分与被照射物质组成的元素有关，即每种元素都能发射出各照射物质组成的元素有关，即每种元素都能发射出各自的自的X X射线。巴克拉称这种与物质元素有关的射线的射线。巴克拉称这种与物质元素有关的射线的谱线为谱线为标识谱标识谱( (或特征或特征X射线射线谱）谱），并对这些谱线分别，并对这些谱线分别以以K K，
7、L L，M M，N N，O O，等命名，以便区分。巴克拉等命名，以便区分。巴克拉同时还发现不同元素的同时还发现不同元素的X X射线吸收谱具有不同的吸收射线吸收谱具有不同的吸收限。经巴克拉严格测定的限。经巴克拉严格测定的X X射线谱为后来的德国物理射线谱为后来的德国物理学家劳厄的实验研究提供了方便条件。学家劳厄的实验研究提供了方便条件。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 就在就在劳厄劳厄的假定得到验证的同时，英国物理学家的假定得到验证的同时，英国物理学家布拉布拉格格(Bragg)父子从反射的观点出发，提出了父子从反射的观点出发，提出了X射线照射在晶射线照射在晶体中一系列相互平行的原
8、子面上将会体中一系列相互平行的原子面上将会发生反射发生反射的设想。的设想。 他们认为，只有当相邻两晶面的反射线因叠加而加强他们认为，只有当相邻两晶面的反射线因叠加而加强时才有反射；如果叠加相消，便不能发生反射，即反射是时才有反射；如果叠加相消，便不能发生反射，即反射是有选择性的。布拉格父子根据这一想法进行了数学演算，有选择性的。布拉格父子根据这一想法进行了数学演算，导出了著名公式：导出了著名公式： 2dsinn 这个公式就是著名的这个公式就是著名的布拉格定律布拉格定律。这为。这为X射线衍射分射线衍射分析奠定了理论基础。析奠定了理论基础。 1913年年布拉格布拉格根据这一原理，制作出了根据这一原
9、理，制作出了X射线分光计，射线分光计，并使用该装置确定了并使用该装置确定了巴克拉巴克拉提出的某些标识提出的某些标识X射线谱的波射线谱的波长，首次利用长，首次利用X射线衍射的方法测定了射线衍射的方法测定了NaCl的晶体结构，的晶体结构，从此开始了从此开始了X射线晶体结构分析的历史。射线晶体结构分析的历史。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 伦琴、劳厄和布拉格的工作，为人们以后从事伦琴、劳厄和布拉格的工作，为人们以后从事X X射射线衍射和线衍射和X X射线光谱研究奠定了理论和实验基础。射线光谱研究奠定了理论和实验基础。 他们杰出的工作对他们杰出的工作对X X射线学发展的整个进程都具有
10、射线学发展的整个进程都具有重要的指导意义，重要的指导意义，所以伦琴、劳厄和布拉格分别在所以伦琴、劳厄和布拉格分别在1901年、年、 1914年、年、1915年均获得诺贝尔奖。年均获得诺贝尔奖。2. X射线的性质射线的性质 劳厄的实验指出，劳厄的实验指出，X射线是一种波长很短的电磁波，射线是一种波长很短的电磁波，波长范围约波长范围约0.001l0nm。在电磁波谱上它处于紫外线。在电磁波谱上它处于紫外线和和射线之间射线之间(见图）。见图）。电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列 射线射线 X X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章
11、第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 测量其波长通常应用的单位是，国际单位制中的测量其波长通常应用的单位是，国际单位制中的nmnm。用于衍射分析的用于衍射分析的X X射线波长为射线波长为0.05-0.25nm0.05-0.25nm。一般波长短的一般波长短的X射线称为硬射线反之称为软射线称为硬射线反之称为软X射线。射线。 作为电磁波的作为电磁波的X X射线，它与可见光和所有的其他基本射线，它与可见光和所有的其他基本粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二象性；它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间象性；它的波动性
12、主要表现为以一定的频率和波长在空间传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。具有一定的质量、能量和动量。X X射线的频率射线的频率、波长、波长以及光子的能量以及光子的能量E E、动量、动量P P之间存在如下的关系：之间存在如下的关系： E Eh h =h =hc c P Ph h h hc c式中：式中： h h为普朗克常数，等于为普朗克常数，等于6.6266.6261010-34-34JsJs c c为光在真空中的传播速度，等于为光在真空中的传播速度，等于2.9982.99810101010cm/scm/s
13、 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 波粒二象性是波粒二象性是X射线的客观属性。但是，在一定条射线的客观属性。但是，在一定条件下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当件下，可能只有某一方面的属性表现得比较明显，而当条件改变时，可能使另一方面的属性表现得比较明显。条件改变时，可能使另一方面的属性表现得比较明显。例如，例如，X射线在传播过程中发生的干涉、衍射现象就突射线在传播过程中发生的干涉、衍射现象就突出地表现出它的波动特性，而在和物质相互作用交换能出地表现出它的波动特性，而在和物质相互作用交换能量时，就突出地表现出它的微粒特性。量时，就突出地表现出它的微粒特性。 从原则上讲，
14、对同一个辐射过程所具有的特性，既从原则上讲，对同一个辐射过程所具有的特性，既可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用在可以用时间和空间展开的数学形式来描述，也可以用在统计上确定的时间和位置出现的粒子来描述。因此，必统计上确定的时间和位置出现的粒子来描述。因此，必须同时接受波动和微粒两种模型。强调其中的哪一种模须同时接受波动和微粒两种模型。强调其中的哪一种模型来描述所发生的现象要看具体的情况而定。但是，由型来描述所发生的现象要看具体的情况而定。但是，由于于X射线的波长较短，它的粒子性表现得比较突出。射线的波长较短，它的粒子性表现得比较突出。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章
15、阴极加热放阴极加热放射出辐射电子，射出辐射电子，在阴、阳两极间在阴、阳两极间的直流高压作用的直流高压作用下，高速奔向阳下，高速奔向阳极。极。 高速电子撞高速电子撞击使阳极元素的击使阳极元素的内层电子激发；内层电子激发；产生产生X X射线辐射。射线辐射。产生产生X射线的电射线的电气线路示意图气线路示意图X线管工作原理示意复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章3.3.产生产生X X射线的条件射线的条件 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章产生X射线须具备如下条件： （1）产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； （2）设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用出产生X射线； （3）施
16、加在明极和阳极之间的高压，用以加速阴极电子朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器； （4）将阴阳极封闭在10-3 Pa的高真空中，保持两极间的纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。4.4.连续连续X X射线谱射线谱 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 X射线谱射线谱指的是指的是X射线的强度射线的强度I随波长随波长变化的关系变化的关系曲线。曲线。 X射线强度大小由单位时间内通过与射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播方射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，X射射线管阳极靶发射出的线管阳极靶发射出的X射线谱分为两类：射线谱分为
17、两类：连续连续X射线谱射线谱和和特征特征X射线谱射线谱。 连续连续X射线射线是高速运动的电子被阳极靶突然阻止是高速运动的电子被阳极靶突然阻止而产生的。它由某一短波限而产生的。它由某一短波限0开始一直到波长等于无开始一直到波长等于无穷大穷大的一系列波长组成。的一系列波长组成。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章它具有如下实验规律它具有如下实验规律： （1 1）当增加）当增加X X射线管电压时，各种波长射线的相对射线管电压时，各种波长射线的相对强度强度致增高，最大强度致增高，最大强度X X射线的波长射线的波长 m m和短波限和短波限 0 0变
18、变小。小。 （2 2）当管电压保持恒定、增加管电流时各种波）当管电压保持恒定、增加管电流时各种波长长X X射线的相对强度一致增高，但射线的相对强度一致增高，但 m m和和0数值大小不变。数值大小不变。 （3 3）当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度）当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数随靶元素的原子序数Z Z增加而增高，而增加而增高，而 m和和0数值大小数值大小不变。不变。 在阳极靶所辐射的全部在阳极靶所辐射的全部X射线光子中，射线光子中， X射线光子射线光子能量的最大值不能大于入冲电子的能量，具有最大能量能量的最大值不能大于入冲电子的能量，具有最大能量的光子波长为短波极
19、限的光子波长为短波极限0 。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 这些实验规律可以用电动力学知识解释：这些实验规律可以用电动力学知识解释： 当当X X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时、射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将发生急剧产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电子轰击阳极靶的的变化，辐射出电磁波。由于大量电子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，辐射出的电磁波具有各种不时间和条件不完全相同，辐射出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了连续同的波长，因而形成了连续X X射线谱。射线谱。 也可根据量子力
20、学观点解释，能量为根据量子力学观点解释，能量为eVeV的电子和的电子和阳极靶碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该阳极靶碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该小于或最多等于该电子的能量。因此，光子能量有一小于或最多等于该电子的能量。因此，光子能量有一频率上限频率上限m或短波限或短波限0与它相对应，可以表示为：与它相对应，可以表示为： eV= heV= hm=hc/ 0 0=hc/eV = 1.24/V (nm) V:千伏千伏 e=1.60210-19 ; h=6.62610-34Js ；c= 2.9981010cm/s 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 连续连续X射线谱有短波
21、限射线谱有短波限0存在，且与电压成反比。存在，且与电压成反比。但是，在被加速的电子中的大多数高速电子与阳极靶但是，在被加速的电子中的大多数高速电子与阳极靶撞击时，其部分能量撞击时，其部分能量 要消耗在电子对阳极靶的各种要消耗在电子对阳极靶的各种激发作用上，所以转化为激发作用上，所以转化为X射线光量子的能量要小于射线光量子的能量要小于加速电子的全部能量：加速电子的全部能量： 即即 eV- 此外，一个电子有时要经过几次碰撞才能转换成光此外，一个电子有时要经过几次碰撞才能转换成光量子，或者一个电子转换为几个光量子，这说明大多量子，或者一个电子转换为几个光量子，这说明大多数辐射的波长均应大于短波极限数
22、辐射的波长均应大于短波极限0 ，因而组成了连续，因而组成了连续X射线谱。射线谱。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 库伦坎普弗库伦坎普弗(Kulenkampff)综合各种连续综合各种连续X射线强度射线强度分布的实验结果，得出一个经验公式：分布的实验结果，得出一个经验公式：IdKZI-2（1/0 1/）d 式中：式中： Id表示波长在表示波长在+d之间之间X射线谱线的强度射线谱线的强度(I称为对于波长称为对于波长的的X射线谱的强度密度射线谱的强度密度)；Z是阳极靶元是阳极靶元素的原子序数；素的原子序数；I是是X射线管的电流强度：射线管的电流强度：K为常数。为常数。 X X射线的强度
23、是一个物理量，它是指垂直于射线的强度是一个物理量，它是指垂直于X X射线射线传播方向的单位面积上单位时间内通过的光子数目的传播方向的单位面积上单位时间内通过的光子数目的能量总和。能量总和。 X X射线的强度射线的强度I I和它的数目和它的数目n n和光子的能量和光子的能量hh两个因素所决定的。两个因素所决定的。 即：即：I= nh 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 对上式从对上式从0到到进行积分就得到在某一实验条件进行积分就得到在某一实验条件下发出的连续下发出的连续X射线的总强度：射线的总强度： I连连=KIZV2 式中，式中，K为常数，此实验测得为常数，此实验测得K1.1-1.
24、510-9。此式说明连续此式说明连续X射线强度与靶的原子序数射线强度与靶的原子序数Z 、管电流以、管电流以及管电压及管电压V的平方成正比。的平方成正比。 X射线管的效率射线管的效率定义为定义为X射线强度与射线强度与X射线管功率射线管功率的比值的比值 ：= KIZV2/IV =KZV 当用钨阳极管当用钨阳极管Z74，管电压为，管电压为100kv时，时，X射线管射线管的效率为的效率为1或者更低，这是由于或者更低，这是由于X射线管中电子的能射线管中电子的能量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失，只有量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失，只有极少部分能量转化为极少部分能量转化为X射线能。所以射线
25、能。所以X射线管工作时必射线管工作时必须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目地。须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目地。5.5.特征特征X X射线谱射线谱 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 当加在当加在X X射线管两端射线管两端的电压增高到与阳极靶材的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值相应的某一特定值V Vk k时，时，在连续谱的某些特定的波在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可格恒定的数值，此波长可
26、作为阳极靶材的标识或特作为阳极靶材的标识或特征，故称为标识征，故称为标识X射线射线谱谱或特征或特征X射线射线谱。谱。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 特征特征X射线谱的波长不受管电压、管电流的影响，射线谱的波长不受管电压、管电流的影响，只取决于阳极靶材元素的原子序数。莫塞莱只取决于阳极靶材元素的原子序数。莫塞莱(Moseley，H.G.J.)对特征对特征X射线谱进行了系统研究，并于射线谱进行了系统研究，并于1913 1914年得出特征年得出特征X射线谱的波长射线谱的波长和阳极靶的原子序数和阳极靶的原子序数Z之间的关系之间的关系 莫塞莱定律莫塞莱定律： (1/)1/2K (Z -
27、) 式中式中K 和和均为常数。均为常数。 该定律表明：只要是同种原子，不论它所处的物理该定律表明：只要是同种原子，不论它所处的物理状态和化学状态如何，它发出的特征状态和化学状态如何，它发出的特征X射线均具有相同射线均具有相同波长。波长。 阳极靶原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长阳极靶原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长越短。越短。特征特征X射线射线有特定波长的有特定波长的X射线，也称单色射线，也称单色X射线。射线。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章特征特征X射线谱涉及核内层电子能级的改变射线谱涉及核内层电子能级的改变 当高能粒子（如电子、质子）或当高能粒子（如电子、质子）或
28、X射线光射线光子撞击原子时，会使原子内层的电子被撞出，子撞击原子时，会使原子内层的电子被撞出，而使该原子处于受激态。被撞出电子的空位将而使该原子处于受激态。被撞出电子的空位将立即被较高能量电子层上的电子所填充，在此立即被较高能量电子层上的电子所填充，在此电子层上又形成新的空位，该新的空位又能由电子层上又形成新的空位，该新的空位又能由能量更高的电子层上的电子所填充，如此通过能量更高的电子层上的电子所填充，如此通过一系列的跃迁（一系列的跃迁（LK，ML，NM），直），直至受激原子回到基态。至受激原子回到基态。特征特征X X射线谱产生：射线谱产生：碰撞碰撞跃迁跃迁(高高) ) 空穴空穴跃迁跃迁(低低
29、) )特征谱线的频率：特征谱线的频率： 212221)(2121nnZcRhEEnnnn R R=1.097=1.09710107 7 m m-1-1,Rydberg,Rydberg常数；常数；核外电子对核电荷的屏蔽常数；核外电子对核电荷的屏蔽常数；n n电子壳层数；电子壳层数；c c光速；光速；Z Z原子序数原子序数 不同元素具有自己的特征谱线不同元素具有自己的特征谱线一定性基础一定性基础 。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章跃迁规则：跃迁规则：(1)主量子数主量子数 n0 (2)角量子数角量子数 L=1(3)内量子数内量子数 J=
30、1，0 J为为L与磁量子数矢量和与磁量子数矢量和S， n=1,2,3，可分为可分为 线系、线系、 线系、线系、 线系；线系；LK层层K ： K 1 、 K 2 MK层层K ： K 1 、 K 2NK层层K ： K 1 、 K 2 M L 层层L ： L 1 、 L 2 NL层层L ： L 1 、 L 2 NM层层M ； M 1 、M 2复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 这一系列跃迁（除无辐射跃迁外）都以这一系列跃迁（除无辐射跃迁外）都以X射线的形射线的形式放出能量，即发射特征的式放出能量，即发射特征的X射线光谱。产生特征射线光谱。产
31、生特征X射线射线光谱线的示意图光谱线的示意图 如下：如下：KLMNO核K1K2KLL电子层电离限产生光谱线的来源LLK层；层；K 线系；线系；n1 =2，n2 =1；212221)(2121nnZcRhEEnnnn2)()43(ZcRK2)(34ZRcKK 不同元素具有自己的特不同元素具有自己的特征谱线征谱线 定性基础；谱线定性基础；谱线强度强度 定量；定量；复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 可以得出：可以得出： h K h K ， 亦即亦即K K 。 但由于在但由于在K激发态下，激发态下，L层电子向层电子向K层跃迁的几率层跃迁的几率远大于远大于M层向层向K层跃迁的几率。因此，尽
32、管层跃迁的几率。因此，尽管K 光子本光子本身的能量比身的能量比K 的高，但是产生的的高，但是产生的K 光子的数量却很少。光子的数量却很少。所以，所以， K 谱线的强度大于谱线的强度大于K 谱线的强度，约为谱线的强度，约为K 谱线谱线强度的五倍左右。强度的五倍左右。L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K层跃迁所层跃迁所发射的发射的K 1和和K 2的关系是：的关系是： K 1 K 2， I K 12I K 2 。 I K 1 ：I K 2 ：I K =100：50：22复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 1. X 1. X射线的波射线的波粒二象性粒二象性 2. 2. 连续连续X
33、X射线谱的特点射线谱的特点 3. X3. X射线产生的基本条件射线产生的基本条件 4. 4. 特征（标识）特征（标识）X X射线的特点射线的特点, ,结构结构 5. 莫塞莱定律的物理意义是什么？莫塞莱定律的物理意义是什么？问题复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章第第1章章 X射线衍射分析射线衍射分析 第一节 X射线的产生及性质 第二节第二节 X射线与物质的作用射线与物质的作用 1. 相干散射 2. 非相干散射 3. 衰减 4. 吸收 第三节 X射线衍射原理 第四节 X射线衍射分析方法 第五节 X射线衍射分析的应用第二节第二节X X射线与
34、物质的相互作用射线与物质的相互作用 散射散射 相干相干 非相干非相干X射线作用于物质射线作用于物质 吸收吸收 光电效应光电效应 俄歇效应俄歇效应 透过透过衰减衰减 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 一束一束X X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：一射线通过物质时，它的能量可分为三部分：一部分被吸收；一部分透过物质继续沿原来的方向传播；部分被吸收；一部分透过物质继续沿原来的方向传播；还有一部分被散射。透过物质后的射线束由于吸收和散还有一部分被散射。透过物质后的射线束由于吸收和散射的影响，强度被衰减。射的影响，强度被衰减。 1.相干散射复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一
35、章 X射线在穿过物质后强度衰减，除主要部分是由于射线在穿过物质后强度衰减，除主要部分是由于真吸收消耗于光电效应和热效应外，还有一部分是偏离真吸收消耗于光电效应和热效应外，还有一部分是偏离了原来的方向，即发生了散射。在散射波中有与原波长了原来的方向，即发生了散射。在散射波中有与原波长相同的相干散射和与原波长不同的非相干散射。相同的相干散射和与原波长不同的非相干散射。 经典电动力学理论指出：经典电动力学理论指出：X射线通过物质时，在入射线通过物质时，在入射束电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平射束电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射与入射衡位置振动，同时向
36、四周辐射与入射X射线波长相同的射线波长相同的散射散射X射线，称之为经典散射。由于散射波与入射波的射线，称之为经典散射。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频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，故又称为相干散射。符合相干条件，故又称为相干散射。 经过相互干涉后，这些相干散射并不是在各经过相互干涉后，这些相干散射并不是在各个方向都存在，而是集中在某些方向上，于是可个方向都存在，而是集中在某些方向上，于是可以得到一定的花样，从这些花样中可以推测原子以得到一定的花样，从这些花样中可以推测原子的位置，这就是晶体衍射效应的根源。的位置，这就是晶体衍射
37、效应的根源。X射线射线碰撞碰撞新振动波源群新振动波源群相干散射相干散射复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 按电动力学理论：当一束偏振的按电动力学理论：当一束偏振的X X射线照射在质量射线照射在质量为为m m，电荷为，电荷为e e的电子上时，在与入射角的电子上时，在与入射角2 2角度方向上角度方向上距离为距离为R R处由电子引起的散射处由电子引起的散射X X射线的强度为：射线的强度为： 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 这就是这就是Thomson公式。它表示一个电子散射的公式。它表示一个电子散射的X射线射线的强度。式中的强度。式中fe=e2/mc2称为电子散射因子。如果
38、将称为电子散射因子。如果将e、m和和c代入上式得：代入上式得： 由此可见：由此可见：（1 1）在各个方向上散射波的强度不同，在）在各个方向上散射波的强度不同，在2=02=0处处最强，最强， 2=902=90处最弱。处最弱。（2）散射波的强度与入射）散射波的强度与入射X射线波长无关。射线波长无关。（3）散射强度与观测距离）散射强度与观测距离R成反比，如成反比，如R=1cm散射波散射波强度仅为原强度的强度仅为原强度的10-26，实际测量只能是大量电子的，实际测量只能是大量电子的散射波干涉的结果。散射波干涉的结果。（4）散射强度与电子的质量平方的倒数成正比，可见，）散射强度与电子的质量平方的倒数成正
39、比，可见，如原子这样的重粒子的散射可以忽略不计。如原子这样的重粒子的散射可以忽略不计。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 X射线射线 光量子光量子 碰撞碰撞(原子中原子中束缚较束缚较紧、紧、Z较大较大电子电子)新振动波源群（原子中新振动波源群（原子中的电子）；与的电子）；与X射线的周期、频率相同，射线的周期、频率相同，方向不同。方向不同。 实验可观察到该现象，这是实验可观察到该现象，这是X射线在射线在晶体中产生衍射的基础，也即测量晶体结晶体中产生衍射的基础，也即测量晶体结构的物理基础。构的物理基础。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 2.2.非相干散射非相干散射 当当
40、X射线光量子冲击束缚较松的电子或自由电子，会射线光量子冲击束缚较松的电子或自由电子，会产生一种反冲电子，这种新的散射现象是由康普顿产生一种反冲电子，这种新的散射现象是由康普顿(A. H.Compton)及我国物理学家吴有训等首先发现的，故称及我国物理学家吴有训等首先发现的，故称之为康普顿散射或康普顿之为康普顿散射或康普顿吴有训散射。为解释这一散吴有训散射。为解释这一散射现象必须把一束射现象必须把一束X射线看成是由光量子组成的粒子流，射线看成是由光量子组成的粒子流，其中每个光量子的能量为其中每个光量子的能量为h，当每个光子与一个束缚较，当每个光子与一个束缚较松的电子发生弹性碰撞时，电子被碰到一边
41、，成为反冲松的电子发生弹性碰撞时，电子被碰到一边，成为反冲电子，同时在电子，同时在 角度下产生一角度下产生一 个新光子，由于入射光子个新光子，由于入射光子一部分能量转化成为电子的动能，因此，新光子的能量一部分能量转化成为电子的动能，因此，新光子的能量必然较碰撞前的能量必然较碰撞前的能量h为小。散射辐射的波长为小。散射辐射的波长应略较入应略较入射光束的波长射光束的波长为长。由于这种散射的波长、相位和角度为长。由于这种散射的波长、相位和角度都不同，因此不会产生干涉现象，故称之为非相干散射。都不同，因此不会产生干涉现象，故称之为非相干散射。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章X射线非弹性碰
42、撞 ，方向，变化反冲电子波长、周期波长、周期和相位不同和相位不同 不相干不相干 波长变化根据能量及动量守波长变化根据能量及动量守恒定律有：恒定律有： = - = 0.00243 (1-cos ) Z，非相干散射，非相干散射；在衍射图上；在衍射图上出现连续背景，给衍射分析带来出现连续背景，给衍射分析带来不利。不利。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 3.X射线的衰减射线的衰减 如图所示，强度为I的入射线照射到厚度为t的均匀物质上，实验证明，当X射线通过深度为x处的dx厚度物质时，其强度的相对衰减d I xI x与dx成正比，即： d I
43、xIL一 Ldx称线吸收系数。上式经积分得： I=I0e-t I为透过强度，为透过强度，I0为入射强为入射强度，度，线吸收系数，线吸收系数，t为厚度。为厚度。4. X射线吸收射线吸收光电效应与俄歇效应光电效应与俄歇效应 (1) 光电效应光电效应以以X射线产生射线产生X射线的过射线的过程。程。 (2) 俄歇效应俄歇效应以以X射线产生射线产生X射线，射线，但该射线不辐射出而是再激发其它电子的但该射线不辐射出而是再激发其它电子的过程。过程。复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 (1) 光电效应光电效应 当当X射线光电子具有足够高的能量时，可以
44、将被照射射线光电子具有足够高的能量时，可以将被照射物质原子中内层电子激发出来，使原子处于激发状态、物质原子中内层电子激发出来，使原子处于激发状态、通过原子中壳层上的电子跃迁，辐射出通过原子中壳层上的电子跃迁，辐射出X射线特征谱线。射线特征谱线。这种利用这种利用X射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做二次射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做二次特征辐射，也称为荧光特征辐射，也称为荧光X射线。显然，入射射线。显然，入射X射线光量子射线光量子的能量的能量hv必须等于或大于将此原子某一完层的电子激发必须等于或大于将此原子某一完层的电子激发出所需要的脱出功。例如，激发出所需要的脱出功。例如，激发K系荧光系
45、荧光X射线的入射射线的入射X射线光量子的能量最小值为：射线光量子的能量最小值为： hk=hc/ keVk 或者波长必须满足：或者波长必须满足： k1.24/Vk复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 原子中一个原子中一个K层电子被激发出以后，层电子被激发出以后，L层的一层的一个电子跃入个电子跃入K层填补空穴，剩下的能量不是以辐层填补空穴，剩下的能量不是以辐射光量子能量辐射出来，而是促使射光量子能量辐射出来，而是促使L层的另一个电层的另一个电子跳到原子之外，即子跳到原子之外，即K层的一个空穴被层的一个空穴被L层的两个层的两个空位所代替，此过程称为俄歇空位所代替，此过程称为俄歇(Auger
46、)效应。效应。 它也造成原它也造成原X射线的减弱，但也被利用于材料射线的减弱，但也被利用于材料表面物理的研究。表面物理的研究。(2) 俄歇效应俄歇效应复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章（1）利用吸收限作原子内层能级图）利用吸收限作原子内层能级图 如果入射如果入射X射线刚好能击出原子内的射线刚好能击出原子内的K层电子，层电子，则则X射线光子能量为射线光子能量为Wk，则：，则：Wk=hk=hc/ k 用仪器测出用仪器测出X射线的波长射线的波长k ，即可得到物质的，即可得到物质的吸收限，从而确定出吸收限，从而确定出K系的能级图。同样，系的能级图。同样，L，M，N的能级也可根据的能级也可根
47、据L，M，N得吸收限定出对得吸收限定出对应各壳层的能级图。应各壳层的能级图。吸收限的应用吸收限的应用 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章(2)激发电压的计算激发电压的计算利用加速电子束轰击某元素作成产生利用加速电子束轰击某元素作成产生K标识谱标识谱线，电子束能量至少等于：线，电子束能量至少等于：Wk=eVk=hk=hc/ k由此得出所需的由此得出所需的K层激发电压为：层激发电压为： k1.24/Vk （nm) Vk=1.24/ k （千伏）（千伏） k称为激发限，从称为激发限，从X射线吸收的角度讲又可称吸射线吸收的角度讲又可称吸收限，收限，Vk称称 K系激发电压。系激发电压。 (3
48、) X射线探伤射线探伤(透视透视) X射线探伤射线探伤(透视透视)是是X射线穿透性的应用。是对吸射线穿透性的应用。是对吸收体收体(材料或生物体材料或生物体)进行无损检验的一种方法。这种进行无损检验的一种方法。这种方法主要是根据方法主要是根据X射线经过衰减系数不同的吸收体时，射线经过衰减系数不同的吸收体时，所穿过的射线强度不同而实现的。若被检验的物质中所穿过的射线强度不同而实现的。若被检验的物质中存在着气泡、裂纹、夹杂物或生物体中的病变等，这存在着气泡、裂纹、夹杂物或生物体中的病变等，这些部位对些部位对X射线的吸收各不相同。因此，在透射方向射线的吸收各不相同。因此，在透射方向的感光底片上使出现深
49、浅各异的阴影。根据阴影可判的感光底片上使出现深浅各异的阴影。根据阴影可判断出物质内部缺陷的部位和性质。一般缺陷的厚度仅断出物质内部缺陷的部位和性质。一般缺陷的厚度仅为吸收体厚度的为吸收体厚度的1时，即可被检验出来。时，即可被检验出来。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章(4)滤波滤波(光光)片片 可以利用吸收限两侧吸收系数差别很大的现象制可以利用吸收限两侧吸收系数差别很大的现象制成滤光片，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的成滤光片，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的光源。光源。 如前所述，如前所述，K系辐射包含系辐射包含K 和和K
50、 谱线，在多晶衍谱线，在多晶衍射分析中，必须除去强度较低的射分析中，必须除去强度较低的K 谱谱线。为此可以选线。为此可以选取一种材料制成滤波片，放置在光路上，这种材料的取一种材料制成滤波片，放置在光路上，这种材料的K吸收限吸收限k处于光源的处于光源的k和和k辐射线之间，即：辐射线之间，即： k (光源光源) k(滤片滤片) k (光源光源) 它对光源的它对光源的K 辐射吸收很强烈，而对辐射吸收很强烈，而对K 吸收很少，吸收很少，经过滤波片后的发射光谱变成如图的形态。经过滤波片后的发射光谱变成如图的形态。 复合材料测试方法复合材料测试方法 第一章第一章滤波片原理示意图滤波片原理示意图 复合材料测
