2019/2/14,1/32,2/32,2019/2/14,Chapter 3 X-Ray Diffractometry,第三章 X射线衍射分析,Reference: R. Jenkins, R.L. Snyder. X-Ray Powder Diffractometry. 2. 王培铭、许乾慰. 材料研究方法,3/32,2019/2/14,本章内容、重点和难点 X射线的物理基础，X射线衍射原理（布拉格方程），样品制备及实验方法，XRD在材料研究中的应用； 重点是X射线的产生，XRD中的布拉格方程及其在材料研究中的应用； 难点是X射线与物质的相互作用，XRD在材料研究中的实验设计和实验技巧。,4/31,2019/2/14,X射线的历史,1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线； 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。 1912年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCI晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。,5/32,2019/2/14,1. X射线是一种电磁波，具有波粒二象性； 2. X射线的波长： 102 102 3. X射线的 （ ）、振动频峰 和传播速度C （ms-1）符合 = c / (3-1),X射线的性质,6/32,2019/2/14,4. X 射线可看成具有一定能量 E、动量 P、质量 m 的 X 光流子 E = hv （3-2） P = h / （3-3） h 为普朗克常数，h = 6.62617610-27尔格，是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特性的表征。,X射线的性质,7/32,2019/2/14,X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可见光不透明的物质； X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光。在通过一些物质时，使物质原子中的外层电子发生跃迁发出可见光； X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线的辐射时，生理上会产生一定的反应。,X射线的性质,8/31,2019/2/14,X 射线的产生,高速运动的电子流 射线 X 射线 中子流,高能 辐射流,在突然被减速时均能产生X射线,9/32,2019/2/14,X 射线管,图3-3 X射线管示意图,10/32,2019/2/14,11/32,2019/2/14,X射线机,图3-2 X射线机的主要线路图,12/32,2019/2/14,X射线管的工作原理,X射线管,电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。 金属靶：发射x射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。,13/32,2019/2/14,X射线管的工作原理,整个X射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，这些X射线通过用金属铍（厚度约0.2mm）做成的x射线管窗口射出，即可提供给实验所用。,14/31,2019/2/14,x 射线谱,连续谱： 强度随波长连续变化的连续谱。 （见图3-6） 特征谱：波长一定、强度很大的特征谱特征谱只有当管电压超过一定值Vk（激发电压）时才会产生，只取决于光管的阳极靶材料，不同的靶材具有其特有的特征谱线。 特征谱线又称为标识谱，即可以来标识物质元素。（见图3-7）,x射线谱,15/32,2019/2/14,连续X射线谱,图3-6 各管电压下W的连续谱,16/32,2019/2/14,连续X射线谱,X 射线连续谱的强度随着X射线管的管电压增加而增大，最大强度所对应的波长 max 变小，最短波长界限 0 减小； 连续谱中接近最短波长处的辐射较多。,2019/2/14,连续谱的经验公式可表达为：,（3-7）,C为常数，Z为阳极材料的原子序数。,18/32,2019/2/14,特征X射线,图3-7 Mo靶X光管发出X光谱强度（35kV时）,19/32,2019/2/14,原子结构壳层理论,高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中K层电子撞出电子壳层，在K壳层中形成空位，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，L、M、N一层中的电子会跃人K层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多余的能量以X射线光量子的形式释放。,20/32,2019/2/14,21/32,2019/2/14,K 系标识X射线： 对于从L，M，N 壳层中的电子跃入 K 壳层空位时所释放的X射线，分别称之为K、 K 、 K谱线，共同构成K系标识X射线。,22/32,2019/2/14,产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如： 使一些物质发出可见的荧光； 使离子固体发出黄褐色或紫色的光； 破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； X射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。,X射线与物质的作用,23/32,2019/2/14,图3-8 X射线与物质作用示意图,X射线与物质的作用,2019/2/14,24/31,X射线与物质的作用,X射线的吸收 设入射X射线强度为I0，透过厚度为d的物质后强度为I，I I0,在被照射的物质中取一深度为X处的小厚度元dX，照到此小厚度元上的X射线强度为Ix，透过此厚度元的X射线强度为Ix十dx，则强度的改变为：,图3-6 X光减弱规律的图示,L为线吸收系数（cm-1)，与入射X射线束的波长及被照射物质的元素组成和状态有关。,25/31,2019/2/14,X射线通过整个物质厚度的衰减规律： I / I0 = e -L d 式中 I/I0 称为 X 射线穿透系数， I/I0 1。 I/I0 愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。,X射线与物质的作用,26/32,2019/2/14,相关概念及物理意义 X射线穿透系数： I/I0 ， I/I0愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。 线吸收系数，L：就是当X 射线透过单位长度（1cm）物质时强度衰减的程度, L值愈大，则强度衰减愈快。,27/32,2019/2/14,质量吸收系数 m：是单位质量物质（单位截面的1g物质）对X射线的衰减程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无关，但与X射线波长及被照射物质的原子序数有关。 m = m / 为被照射物质的密度,相关概念及物理意义,28/31,2019/2/14,X射线的物理基础,质量吸收系数具有加和性：,相关概念及物理意义,29/31,2019/2/14,元素的质量系数m是所用辐射波长及元素的原子序数的函数。,吸收与波长及原子序数的关系,A、b为常数，与吸收物质有关。,Z 为元素的原子序数,30/32,2019/2/14,吸收与波长及原子序数的关系,图3-10 金属铂的/关系曲线,图3-11 波长为1.00辐射的质量吸收系数,31/32,2019/2/14,32/32,2019/2/14,X射线的散射,原子对X射线的散射：使得X射线发生散射的物质主要是物质的自由电子及原子核束缚的非自由电子，后者有时可称为原子对X射线的散射。 相干散射：X射线的散射，当入射线与散射线波长相同时，相位滞后恒定，散射线之间能相互干涉，称为相干散射。 非相干散射：当散射线波长与人射线波长不同时，散射线之间不相干，则称之为非相干散射。,33/32,2019/2/14,本节重点 （1）X 射线的产生 （2）X 射线与物质的相互作用,