固体物理实验方法

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1、固体物理实验方法X射线结构分析2010固体物理实验方法——（二）X射线结构分析教学、考核方法教学：讲课为主，阅读文献为辅考核：阅读一篇以上近五年内发表在学术刊物上的有关X射线的英文论文，并写出一千字（中文）左右的文献阅读报告，交阅读报告并附上一篇主要的英文文献；或参加开卷考试。主要内容：X射线源及其发射谱、X射线与物质的相互作用、晶体的X射线衍射、X射线吸收精细结构。参考书目王华馥，吴自勤．固体物理实验方法，第二章固体X射线学．高等教学出版社，1990黄胜涛．固体X射线学．高等教学出版社B.E.Warren,X-rayDiffraction,Add

2、ison-WesleyPub.Co.Inc.JensAls-Nielsen,DesMcMorrow,ElementsofModernX-rayphysics,JohnWiley&SonsLtd，2000§1．X射线源及其发射谱1．X射线的发现及其本质的确定1)1895RöntgenW.C.发现X射线（1901年首届诺贝尔物理奖）1912Laue.M.晶体的X射线衍射，Laue方程（1914年诺贝尔物理奖）1913Bragg，W.H&W.L.Bragg定律(1915年诺贝尔物理奖)——X射线是一种波长很短(～À)的电磁辐射1923A.ComptonX

3、射线的Compton散射（1927年诺贝尔物理奖）——X射线的量子特性X射线是波长很短的电磁辐射，是光子能量很高(～Kev)的光子流。它具有典型的波粒二象性。22)X射线波长λ与光子能量E的关系式xcEhh==υxλ3E(eV)=1239.8/λ(nm)≈1.24×10/λ(nm)x3)X射线在电磁辐射谱中的位置4)典型的波粒二象性波λ偏振相干散射界面的反射、折射用经典电磁理论处理d光子能量E，动量P光电吸收不相干散射用量子理论处理x2．X射线管及其发射谱1)X射线机的组成X射线管高压发生器水冷系统控制电路X射线管结构电子枪（阴极）电子聚焦罩金属靶

4、（阳极）水冷通道窗口(Be)2）X射线管发射谱（1）连续谱辐射机制：轫致辐射由电子束打到靶上时突然减速产生轫致辐射最短波长λ(nm)=1.24/V(KV)min（2）标识谱（特征谱）波长（光子能量）由靶元素确定的线谱，它在所加电压高于靶元素的激发电压V时叠加在连续谱上。0A.辐射机制：靶原子内壳层的电子跃迁3能量高于束缚能的电子打击原子时将原子内层电子逐出，原子内电子壳层产生空位，次外层电子向内层跃迁填补空位时发射Ｘ射线。B.主要谱线KLIII→Kα1KLII→Kα2KM→Kβ例CuKλ=0.15406nmKλ=0.15444nmα1α2Kλ=0.

5、1542nmαKλ=0.13923nmβV=8.98KV0C.特征谱强度In与电压V电流i的关系I=−BiVV()n=1.5--20与连续谱比，当V=(3−5)V时，强度强两个量级。0K系三条谱线的强度比α:αβ:=100:50:2012（3）X射线管的主要性能指标靶元素确定谱特征常用靶元素MoCuWAg功率密封管1-3KW旋转靶12KW,18KW(100KW)焦斑标准焦斑11mm×0mm细聚焦管0.4mm×4mm3．同步辐射1)同步辐射和同步辐射光源速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲线运动时沿轨道切线4方向发出的电磁辐射称为同步辐射

6、，因为这种辐射是1947年首先在电子同步加速器上发现的。产生同步辐射的装置，即电子同步加速器或电子储存环就称为同步辐射光源。目前世界上已有几十个同步辐射光源在运行。代表性的光源有：第一代（兼用机）SSRL（美国）BSRF（北京）第二代（专用机）NSLS（美国）PF（日本）NSRL（合肥）SRRC（新竹）第三代APS（美国）ESRF（欧洲）SSRF（上海，在建）SPRING8（日本）2)同步辐射装置及发射元件二极弯转磁铁（BendMagnet）、扭摆磁铁（WigglerMagnet）、波荡器（undulator）3)同步辐射的优异特性（一）广宽平滑的

7、连续谱根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外直至真空紫外，软X射线，3硬X射线，甚至γ射线。其特征波长λ为λπ=4/R3rcc3特征频率ω为ω=3γc/2Rcc其中R为电子弯转半径，γ为电子能量与其静止能量（0.511Mev）之比在特征频率ω的两侧有相同的辐射功率c(二)高强度、高亮度5X射线源亮度BX=N/(t⋅Δθ⋅Δϕ⋅S⋅0.1%BD)N为光子数，t为时间（秒），Δθ、Δϕ分别为光束的垂直方向和水平方向的发散度（mrd）2S为光源面积（mm），BD为带宽(三)方向性好同步辐射功率集中在电子运动方向上极小的立体角内，其立体角的大小约为1/γ。

8、例：1Gev的电子所发射的同步辐射集中在0.5mrd的立体角内(四)偏振性(五)洁净(六)脉冲时间结构(七)高稳定性(八)