X射线的产生及其物理作用

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1、第一章X射线衍射分析材料研究方法的研究对象是材料的组织、成分及结构；采用的手段及方法是基于检测对象对电磁波及特征射线的反应；基础是材料的结构及电磁辐射。1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现X射线，至今因应用X射线研究取得成果而获诺贝尔奖的高达22个之多，其中物理奖6个，化学奖12个，生物医学奖4个。1908～1911年，巴克拉发现物质被X射线照射时会产生次级X射线。次级X射线除与初级X射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。1912年，劳厄等提出X射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相近的X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希(W.Friedrich)实验证实

2、—X射线衍射学。英国物理学家布拉格(Bragg)父子提出了X射线“选择反射”的观点，导出了著名的布拉格方程。1913年据此制作出了X射线分光计；1914年，莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定律，诞生了材料物相快速无损检测分析方法——x射线光谱学。伟大的发现一、电磁辐射基础二、X射线谱三、X射线与物质的相互作用四、X射线的探测与防护第一节X射线的产生及其物理作用一、电磁辐射基础1.原子的组成原子(Atom)原子核+核外电子电子波-粒二象性轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层，近似认为核外电子在各自的轨道(称原子轨道)上运动并用“电子(壳

3、)层”形象化描述电子的分布状况2.电子运动状态（1）每一运动状态具有确定的能量，不同状态能量数值不同，变化呈不连续（量子化）。能级图：把不同的能量数值（按一定比例）用一定高度的水平线代表，并将其按大小顺序排列（由下至上能量增大）而构成的梯级图形。一般最底层值为0。（2）为清晰准确表征核外电子的运动（能量）状态，提出五个参量：主量子数n、角量子数l、磁量子数m、自旋量子数s及自旋磁量子数ms，5量子数也相应表征了电子的能量状态(能级)。原子中的电子能级示意图2.电子运动状态量子数原子轨道电子（壳）层电子能级n电子离核的平均距离原子轨道离核的平均距离，n越大距离越远电子层离核的平均距离，n相同的

4、电子分布在同一亚层电子主能级，n越大能级越高l电子轨道运动角动量大小原子轨道形状电子亚层（电子支壳层），同一电子层对应于l的n个取值分为n个亚层亚能级，同一主能级对应l取值分为n个亚能级j越大，亚能级越高m轨道角动量在外磁场方向分量的大小原子轨道在空间的伸展方向电子亚层含有不同伸展方向的轨道数亚能级的分裂，当有外磁场存在时，同一亚能级对应于m的取值分裂为2l＋1个间隔更小的能级表1.n、l、m对核外电子状态的表征意义2.电子运动状态3.原子的激发(1)基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。（参见无机化学）泡利不相容原理：原子

5、中每个电子必须有独自一组四个量子数，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道。一、电磁辐射基础(2)激发态、激发—原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。激发条件：①：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定②：吸收能量等于两能级能量差。愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈远离，愈高，不稳定。电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道→高能级轨道（吸收能量）各层的轨道数为n2电子层→电子亚层（s.p.d.f.g）→不同轨道s亚层

6、1个轨道p亚层3个，px,py,pzd亚层5个，dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2f亚层7个，g亚层9个一、电磁辐射基础（3）激发能—电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳定，存在10－8～10－10s后返回基态。（4）电子（能级）跃迁—原子中电子受激向高能级跃迁或由高向低能级的跃迁。分为：辐射跃迁——多余能量以电磁辐射形式放出；无辐射跃迁——多余能量转化为内能。（5）电离能——使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eV）分为一次电离、二次电离等。一、电磁辐射基础4．辐射的吸收与发射电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射，部分被吸收，部分被透过。（1）辐射的吸收实质：吸收辐射

7、光子能量发生粒子的能级跃迁，hγ=ΔE=E2－E1不同物质因能级跃迁类型不同→对辐射的吸收不同→能级跃迁不同→辐射被吸收程度对λ或γ的分布——吸收光谱不同一、电磁辐射基础热能透射I0散射X射线荧光X射线（能级差），产生光电效应，X射线波长必须小于吸收限λk。能级差为周围某壳层上电子吸收受激逸出成为二次电子——俄歇电子吸收X光子失去内层电子外层电子填充放能能级跃迁一、电磁辐射基础（2）辐射的发射物质吸收能量后产