《X射线物理学基础》PPT课件

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1、第一篇　材料X射线衍射分析第一章X射线物理学基础◆X射线的性质◆X射线的产生及X射线谱◆X射线与物质的相互作用1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时偶然发现,当时仅知其强穿透性、不可见性,不了解其性质,故称X射线(伦琴射线).至1912年德国劳埃发现X射线在晶体材料上的衍射现象,证实X射线是一种波,同时也诞生了X射线衍射分析技术.§1.1X射线的性质§1.1.1X射线的本质------电磁波1.波长介于紫外线、射线之间,0.001-10nm或0.01--100A0-晶体衍射:0.5—2.5A0,

2、金属无损探伤:0.05--1A0.短波长---硬X射线,反之-----软X射线.电磁波是“横波”,X射线传播方向垂直于磁场、电场振动方向,以光速直线(C=3×108m/s)传播.因磁场分量在与物质的相互作用中效应很弱,所以在衍射分析时,仅考虑电场分量.一束沿X方向传播、波长为λ的X射线波方程:A=A0COS2(x/λ－νt),或A=A0COS(ф－ωt)或A=A0ei(ф－ωt).2.由交替变化的电场和磁场组成§1.1.2X射线的性质1.不可见、强穿透性2.波粒二象性波动性:一定的波长或频率在空间

3、以光速直线传播.ν=c/λ.粒子性(微粒性):X射线是由大量以光速运动、且不连续的的粒子(光子)流组成,每个光子的能量为：є=hc/λ.(h:普朗克常数6.625×10－34J.S.)X射线强度:单位时间通过垂直X射线传播方向的单位面积的光子能量总和.I=n.є∝A02(n:单位时间穿过单位面积的光子数)§1.2X射线的产生及X射线谱§1.2.1X射线的产生及X射线管1.X射线管构造常用的X射线靶材有：Cr、Fe、Co、Cu、Mo、W、NiX射线由X射线管产生.高速运动的电子碰击阳极靶,约1%电子能

4、量以X射线形式辐射,其余能量转化为热能.X射线从铍窗口射出,其线束截面积大小取决于窗口位置和焦斑大小(一般为1mm×10mm),而焦斑又决定于聚焦罩和阴极灯丝的形状.2.X射线源产生X射线的装置称为X射线源：包括：X射线管，供电系统，控制系统。3.特殊结构的X射线管介绍X射线管功率愈大,X射线强度愈大,分析精度愈高.但99%ev热能经靶座不易散出,故固定靶管功率不能无限提高(Wmax=3KW).(1)旋转阳极X射线管:阳极靶以(2000-10000r/h)旋转,Wmax可提高.(2)细聚集X射线管:

5、阴、阳极间加静电透镜或磁透镜,使电子束聚集,焦斑尺寸下降,X射线截面减小,在单位时间射出的光子数不变时,X射线管强度提高.§1.2.2X射线谱仪器检测X射线管发出的X射线波长及其强度,得到λ-I谱线.即X射线强度随波长而变化的关系曲线.阳极靶发射出来的X射线由两部分组成：连续X射线谱：从某一短波限。开始，直至波长等于无穷大的一系列波长。特征X射线：具有一定波长的特强X射线，叠加于连续X射线谱上。一.连续X射线谱(多色X射线)特点◆短波限SWL:一定电压U下的最小波长.相当于能量为eU的电子能量

6、全部转化为光子的能量.eν=hc/λSWL:,λSWL:=1240/U(nm).◆I随U、I、Z变化，但λSWL仅与U有关。.◆连续X射线谱强度:任一波长强度I连=∫∞λSWLI=K1iZU2◆效率：η=I连/iU=K1ZU以钨z=74为例，U=100kv时，η≈1%。二．特征（标积、单色）X射线谱1．定义：当管电压达到阳极材料某特征UK时，在某特定波长范围处，产生的强度特别大的谱线。此波长反映了阳极靶的特性，与U、I无关，仅取决于阳极靶Z.2.产生机理：hν=wn2－wn1=(－En2)－(－En

7、1)=En1－En2原子n壳层电子能量En=－me4(Z－σ)2/8ε0h2n2..当(n2壳层→n1壳层跃迁),辐射的特征X射线能量为:莫塞莱定律:hν=En1－En2=======注：特征X射线波长取决于阳极Z、何激发态、原子跃迁层3.特征X射线谱的类型K系:L→K,Kα其中：LⅢ→Kα1，LⅡ→Kα2λKα1<λKα2,IKα1=2IKα2λKα=M→K,Kβ。λKβ<λKαIKα=5IKβL系：M→L，；N→L，等4．特征X射线谱强度:阳极原子n层的特征激发电压。m常数(K系，m=1.5,L

8、系，m=2).注：多晶衍射分析利用K系特征X射线谱，连续X射线谱产生背影。希望特征X射线谱与连续X射线谱强度比↑。一般之比为3-5§1.3X射线与物质的相互作用X射线与物质相遇,发生透射、吸收、散射.因吸收、散射使穿过物质的X射线强度减弱.§1.3.1X射线与物质的相互作用一.X射线的散射1.相干散射----衍射基础X射线与物质原子内层电子相撞,入射光子的能量全部转给相撞电子,在X射线电场作用下,产生强迫振动,电子成为新电磁波源,向四周辐射与入射光子等波长的电磁波.由