最新X射线衍射分析教学讲义PPT课件.ppt

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1、X射线衍射分析为了获得X射线，需具备如下条件：产生并发射自由电子（如加热钨灯丝发射热电子）；使电子朝一定方向加速运动，获得尽可能高的速度；在高速电子流的运动路线上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。图X射线发生装置示意图1—高压变压器2—灯丝变压器3—X射线管4—阳极5—阴极7—X射线X射线管——获得X射线最常用的办法灯丝——真空——高压——靶式中h——普朗克常数；c——光速。描写波动性的物理量频率ν、波长λ和描写粒子性的物理量光子能量E、动量P之间，遵循爱因斯坦关系式：X射线能量X射线在传播过程中载有一定的能量，能量的多少表示其强弱的程度。通常以单位时间

2、内，通过垂直其传播方向的单位截面的能量来表示其强度。以波动形式描述，强度与波的振幅平方成正比。按粒子形式表达，则它的强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。X射线波长X射线存在于一个波长范围内，不同波长的X射线有不同的用途。一般称波长短的为硬X射线，反之，称软X射线。波长愈短穿透能力愈强，用于金属探伤的X射线波长约为0.1～0.05Å或更短，适用于晶体结构分析的X射线，波长约为2.5～0.5Å。二、X射线谱图2不同管压下Mo的X射线谱X射线管发出二种谱线：连续谱特征谱连续谱图中强度随波长连续变化的部分，它和白光相似，是多种波长的混合体，故也称白色X射线。特征谱叠加在连续谱上面的是

3、强度很高的具有一定波长的X射线，它和单色光相似，故也称单色X射线。1.连续谱规律：各种管压下，都有一强度最大值，有一短波限（λ0）随管压的升高,各波长的X射线的强度一致升高，最大强度对应的波长变短，短波限变短，波谱变宽。产生机理由击靶电子的突然减速时产生的。高速运动的电子受阻减速，其损失的动能便以X射线的形式放射出来。由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，有的电子还可能与阳极作多次碰撞而逐步转移其能量，因此所产生的电磁波具有各种不同的波长，形成了连续X射线谱。短波限极限情况，电子将全部动能转化为一个光子，此光子能量最大，波长最短，相当于短波限的X射线。此光子的能量E为：如电

4、压U用kV为单位，波长λ用Å表示，将光速c、普朗克常数h、电子电荷e值代入上式，则可得：短波限只与管压有关。短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度极大值不在短波限处，而在位于1.5λ0附近。当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的X射线光子的能量都会增加，这就解释了图所显示的连续谱变化规律。连续谱的总强度就是图曲线下所包围的面积，即：总强度与管压U、管流i及阳极靶材料的原子序数Z有下列关系：式中k——常数，约为1.1～1.4×10-9。X射线管的效率当用钨阳极（Z=74），管压为100kV时，η≈1%。可见效率是很低的。电子能量的绝大部分生成热

5、能而损失掉，因此必须设法强烈地冷却阴极。为了提高X射线管发射X射线的效率，要选用重金属靶并施以高电压。X射线管发射连续X射线的效率η：式中Z——原子序数。（二）特征谱当管压增高到某一临界值Uk时，则在连续谱上叠加特征X射线谱。刚好激发特征谱的临界管压称为激发电压。特征谱的波长不受管压和管流的影响，只决定于阳极靶材的原子序数。对一定材料的阳极靶，产生的特征谱的波长是固定的，此波长可以做为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。图3特征X射线产生原理图当K层中有一空位出现时（K激发态），L、M、N…层中的电子就会跃入此空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来（见图3），这

6、一过程称之为跃迁。辐射出的X光子能量由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定。为了方便起见，我们定义由不同外层上的电子跃迁至同一内层而辐射出的特征谱线属于同一线系，并按电子跃迁所跨跃的电子能级数目多少的顺序，将这一线系的谱线分别标以α、β、γ等符号。如图3所示，电子由L→K，M→K跃迁，辐射出的是K系特征谱线中的Kα及Kβ线；M→L，N→L电子跃迁辐射出L系的Lα、Lβ谱线，以此类推还有M线系等。原子同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，而分属于若干个亚能级。如L层8个电子分属于L1、L2、L3三个亚能级；M层的18个电子分属五个亚能级等。亚能级间有微小的能量差，因此，电子从同层

7、不同亚层向同一内层跃迁，辐射的特征谱线波长，必然有微小的差值。电子在各能级间的跃迁并不是随意的，要符合“选择定则”，L1亚能级上的电子就不能跃迁到K层上来，所以Kα谱线是电子由L3→K和L2→K跃迁时辐射出来的Kα1，Kα2两根谱线组成的。由于能级L3与L2能量值相差很小，因此Kα1，Kα2线的波长很相近，通常无法分辨。为此以Kα1和Kα2谱线波长的加权平均值作为Kα线的波长。根据实验测定，Kα1线的强度是Kα2的两倍，故Kα线的平均波长为：特征谱的相对强度是由电子在各能级之间的