X射线衍射基本原理

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1、X射线衍射基本原理燕山大学材料学院综合实验室燕山大学材料学院国家实验教学示范中心一、X射线的产生和性质(一)、X射线的产生X射线是1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现的。X射线是高速运动的荷电粒子(例如电子)在突然减速时产生的。高速运动的电子与靶材作用可能存在两种情况：(a)电子与原子的核心电场作用(b)电子与核外电子作用(二)、X射线特性X射线的波动性与粒子性是X射线具有的客观属性(a)波动性：1913年德国物理学家劳厄(M．V.Laue)等发现X射线衍射现象，从而证实了X射线本质是一种电磁波，它与可见光一样，X射线以光速沿直线传播，其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直，并

2、位于垂直于X射线传播方向的平面上。通常X射线波长范围为10～0.001nm，衍射分析中常用波长在0.05～0.25nm范围内。粒子性：X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量：每个光量子的能量是X射线的最小能量单位。当它和其他元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位被原子或电子吸收。(三)、X射线谱(1)连续X射线谱连续谱是由高能电子受到原子电场作用减速而引起的。电子能量的每一次递减E，部转化为相应频率v的X射线光子，服从关系式E＝hv。一电子在外加电场V的作用下，获得能量eV。如果电于将其

3、所获得的全部能量eV都转化为X射线光子(该机会是很小的)，此光子的能量：E＝eV＝hv最大＝hc/最小不同阳极靶在35kV外加电压下发出的X射线谱不同管压下钨阳极所发射的连续X射线谱(2)X射线特征谱对X射线强度按波长的分布曲线与管电压大小间关系的研究指出，当管电压超过某一临界值V激后(对Mo靶为20kV，对W靶为69.5kV)，在连续X射线谱某几个特定波长的地方强度突然明显地增加。由于它们的波长反映了靶材料的特征，故称之为特征X射线。不同管压下钼阳极所发射的X射线谱X射线特征谱有以下特点：(1)产生特征谱所需的最低电压(临界激发电压V激)对不同靶元素是不同的，随原子序数Z的增加而增加；

4、(2)特征谱的波长随靶元素原子序数Z的增加而变短；(3)当管电压达到V激后再进一步升高时，特征谱的波长不变，但强度按所超过电压的n次方增加。按量子理论原子是由原于核及绕核运动的电子组成的，电子分布在不同能级的壳层(轨道)上，即，K、L、M、N、0、P等层，能量逐渐增高。两相邻层间的能量差依K、L、M、N……的次序减小。当具有足够能量的电子(大于或等于壳层电子的结合能)轰击阳极靶时，可能将原子内层的某些电于逐出，使原子电离而处于激发态，空位将被较高能量壳层的电子来填充，能量差则以X射线光子的形式辐射出来，结果得到具有固定能量，固定频率或固定波长的X射线。如果是K完层的电子按逐出，接着由其它较

5、高能级的外层电子填充而产生的X射线称为K系射线，由L层电子填充者称为K。射线，由M层电子填充音称为K射线等等。同理，因L层电子被逐出而产生的X射线称为L系射线，其它类推。特征x射线的产生机构原子间各壳层的能量差随原子序数的增加而增加，故特征辐射的波长随原子序数的增加而变短，这一关系遵循所谓莫塞莱(Moseley)定律：这是成分分析的基础(四)、X射线与物质交互作用(1)相干散射经典电动力学理论指出，X射线是一种电磁波，当它通过物质时，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衡位置振动，同时向四周幅射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射。由于散射波与入射波的频率

6、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。相干散射是X射线在晶体中衍射的基础。(2)非相干散射当X射线光量子冲击束缚力较小的电子或自由电子时，产生一种反冲电子，而入射X射线光置于自身则偏离入射方向(散射角为)。散射X射线光量子的能量固部分转化为反冲电子的动能而降低波长增大。散射波的位向与入射波的位相之间不存在固定关及故这种散射波是不相干的，故称之为非相干散射或称康普顿－吴有训散射。非相干散射示意图(3)荧光辐射当X射线光量子具有足够高的能量时，可以将被照射物质原子中的内层电子激发出来，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X射线特征谱线。这

7、种利用X射线激发作用而产生的新特征谱线称为二次特征辐射也称为荧光辐射。入射X射线光量子的能量加必须等于或大于特此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。即：hK=hc/KeVK式中VK为K系辐照的激发电压，K为产生K系激发的最长波长，称为K系特征辐射的激发限。(4)X射线的衰减X射线穿透过物质时，其强度要衰减。衰减的程度随所穿过物质厚度的增加按指数规律减弱，即：I=I0e-lx式中I0和I分别为入射X射线强度和