X射线衍射原理及应用

《X射线衍射原理及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、X射线原理及其应用主要内容一、X-ray二、X射线的应用21.1X射线的产生及其性质X射线是1985年德国物理学家伦琴在研究阴极射线是发现的，他的本质是一种电磁波，波长范围在0.001nm-1nm之间，大约与晶体中的原子间距是一个数量级。一、X-ray1.1.1X射线的产生现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线（高速电子束）轰击阴极（靶）的表面。1.1X射线的产生1.1.1X射线的产生（1）高速电子流轰击金属靶材获得X-ray（2）同步辐射X-ray当电子做曲线运动，并且

2、被加速到足够的能量时，它便向轨迹的切线方向辐射X-ray波段范围的电磁波。真空高真空10-4—10-6Pa至至高压发生器40-120kV接地高速电子流X射线51.1.1X射线的产生当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，而大部分都转变成为热能。61.1.2X射线的性质（1）一般性质X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、波动、衍射、偏振和吸

3、收等现象。但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。只有在其掠射角极小(不超过20‘－30’)时，X射线能产生全反射。71.1.2X射线的性质（2）衍射性质在物质的微观结构中，原子和分子的距离（1－10A左右）正好落在X射线的波长范围内，所以物质对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射方面。X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法之一。布拉格公式（x射线衍射公式）2dsinθ=nλ,n=1,2,...1.1.2X射线的性质（3）穿透性质X射线可以穿透由较轻

4、元素组成的物质。在X射线穿透物质的过程中，有一部分会被物质吸收。吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。X射线作用生物细胞组织，还会导致生理效应，使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。1.1.2X射线的性质（4）散射性质X射线散射的过程又可分为两种，一种是只引起X射线方向的改变，不引起能量变化，即不引起波长变化的散射，称为相干散射，这是X射线衍射的物理基础；另一种是既引起X射线光子方向改变，也引起其能量的改变的散射，称为不相干散射或康普顿散射。1.2X射线谱分类X射线分为两类：（1）具有连续波长的X射线——连续X射线，也称为多色X射线，形成的是连续谱。（2

5、）在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，构成标识（特征）谱，与可见光中的单色光相似，故也称为单色X射线。1.2.1连续X射线谱如右图不同管电压下的连续X射线谱的特点（1）连续X射线的强度是随波长的变化而连续变化。（2）每条曲线都有一个强度最大值。（3）短波长方向有一个短波极限（4）管电压升高，X射线强度增加连续谱的产生机理带电粒子在加速（或减速）时必伴随着辐射，而当带电粒子与原子相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射为韧致辐射，又称刹车辐射。由于在带电粒子到达靶子时，在靶核的库仑场的作用下带电粒子的速度是连续变化的，因此辐射的x射线具有连续谱

6、的性质。连续谱的最小波长与外加电压的关系（通过测量V和λ，可精确测量普朗克常数h）1.2.2标识谱标识X射线是在连续谱的基础上产生的，当管电压达到一定程度（激发电压）时，才可以产生标识X射线谱。标识X射线的产生机理标识X射线的产生机理与阳极物质的的原子内部结构密切相关。原子内的电子按泡利不相容和能量最低原理分布在各个能级。原子系统内的能级是不连续的，按其能量的大小分为数层，用K、L、M、N、O、P、Q命名。K层能量最高，最靠近原子核。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，低能级上出现空穴，原子系统的能量升高，处于激

7、发状态，而激发态是不稳定的，随后较高能级上的电子向低能级上的空穴跃迁，使原子的系统能量重新降低而趋于稳定，这种跃迁将以光子的形式辐射出标识X射线谱。因此空穴的存在是产生标识辐射的先决条件，且标识谱只与元素的原子序数Z有关。除了被散射和透射的一部分外，X射线将被物质吸收，吸收的实质是发生能量转换。这种能量转换主要包括光电效应和俄歇效应。1.3.1物质对X射线的吸收1.3X射线与物质的相互作用当入射X光子的能量足够大时，还可以将原子内层电子击出使其成为光电子。若入射X射线的波长是单色，具有恒定的能量值，被击打出的光电子的能量为：＝入射线的能量－电子在

8、原子核外所具有的能量由于不同元素的核外电子具有不同的能量，因此，测定该光电子的能