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1、武汉理工大学资环学院 管俊芳,1,第一部分 X ray diffraction (XRD) X射线衍射分析,武汉理工大学资环学院 管俊芳,2,第一章. X射线的性质,1 概述 2 X射线的性质 3 X射线的产生 4 X射线与物质的相互作用 5 物质对X射线的吸收,武汉理工大学资环学院 管俊芳,3,1 概述 （1）,第一章. X射线的性质,1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”，故称之为X射线。这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用X射线透视技术。1912年劳埃(M.Von Laue）以晶体
2、为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。 此后，X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。由于X射线的重大意义和价值，所以人们又以它的发现者的名字为其命名，称之为伦琴射线。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,5,1 概述 （3）,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,6,1 概述 （4）,第一章. X射线的性质,可见光光谱： （单位 nm） 390446464500578592620720 紫 青 兰 绿 黄 橙 红,武汉理工大学资环学院 管俊芳,7,2 X射线的性质 （1）,第一章. X射线的性质,（1） 一般性质 X射线和其它电磁波
3、一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。 但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像可见光那样用透镜成像。因为 n1，所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响。X射线能产生全反射，但是其掠射角极小，一般不会超过2030。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,8,2 X射线的性质 （2）,第一章. X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 - 10左右）正好落在X射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对X射线的散射和衍
4、射能够传递极为丰富的微观结构信息。 可以说，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。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,9,2 X射线的性质 （3）,第一章. X射线的性质,（3） 穿透性质 X射线穿透物质时都会被部分吸收,其强度将被衰减变弱；吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。在此过程中X射线与物质的相互作用是很复杂的，会引起多种效应，产生多种物理、化学过程。 例如，它可以使气体电离；使一些物质发出可见的荧光；能破坏物质的化学键，引起化学分解，也能促使新键的形成，促进物质的合成；作用于生物细胞组织，还会导
5、致生理效应，使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。然而，就X射线与物质之间的物理作用而言，可以分为两类：入射线被电子散射的过程以及入射线能量被原子吸收的过程。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,10,2 X射线的性质 （4）,第一章. X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（或康普顿效应），此过程同时产生反冲电子（光电子）。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,11,2 X射线的性质 （5）,第一章. X
6、射线的性质,（5） 吸收性质 物质吸收X射线的过程主要是光电效应和热效应。物质中原子被入射X射线激发，受激原子产生二次辐射和光电子，入射线的能量因此被转化从而导致衰减。二次辐射又称为荧光X射线，荧光是受激原子的特征射线，与入射线波长无关。辐射是X射线光谱分析的依据。如果入射光子的能量被吸收，却没有激发出光电子，那么其能量只是转变为物质中分子的热振动能，以热的形式成为物质的内能。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,12,2 X射线的性质 （6）,第一章. X射线的性质,综上所述，X射线的主要物理性质及其穿过物质时的物理作用可以概括地用下图表示:,武汉理工大学资环学院 管俊芳,13,3 X射线的产生
7、（1）,第一章. X射线的性质,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）轰击对阴极（靶）的表面。各种各样专门用来产生X射线的X射线管工作原理可用下图表示：,武汉理工大学资环学院 管俊芳,14,3 X射线的产生 （2）,第一章. X射线的性质,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，这种形式产生的辐射称为轫致辐射。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为
8、X射线能。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,15,3 X射线的产生 （3）,第一章. X射线的性质,电子的动能转化为X射线的物理解释： （1） 连续谱的产生 电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去动能以光子形式辐射，这个光子流就是X射线。 设电子的动能为eV，若一个电子转化成一个光子（若不考虑效率问题），那么这个X光子将获得最大能量 hm = eV s = C/m 该光子将具有最短的波长s。 实际上电子的数量是极其巨大的，碰撞时的角度千差万别，损耗越大，频率越小，相应地波长越长，从而构成从s开始到m的连续谱。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,16,3 X射线的产生 （4）,第一章. X射线的性质,连续
9、光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限m开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零。连续光谱的短波限s只决定于X射线管的工作高压。 hm = hCs = eV s = 12.395V V的单位为KV, s的单位为 1 10-8 cm (angstrum),武汉理工大学资环学院 管俊芳,17,3 X射线的产生 （5）,第一章. X射线的性质,(2) 特征谱的产生 从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强。
10、当外来电子将 K层 的一个电子击出后，这时原子就处于高能的不稳定状态(激发态)，必然自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能量的 L层 电子可以跃迁到K层。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,18,3 X射线的产生 （6）,第一章. X射线的性质,在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于 K层 与 L层 的能级差， E=EL-EK=h 该差值能量将以X射线的形式放射出去。 放射出的X射线的波长 h/E 必然是仅取决于原子序数的常数。这种由LK的跃迁产生的X射线称为K辐射，同理还有K辐射，K辐射。不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小，所以高次辐射的强度也很小。 把这种K、K、及K等辐射称
11、之为特征谱。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,19,3 X射线的产生 （7）,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,20,3 X射线的产生 （8）,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,21,3 X射线的产生 （9）,第一章. X射线的性质,通常情况下，在特征谱中，K1、K2、K的强度分布如下： I1：I2：I：100：50：13.8 而且 K1、K2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均作为K射线的波长，计算方法如下： K = （2K1 +K2 ）3 至于K射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,22,3
12、X射线的产生 （10） 典型的X射线谱 （含连续谱和特征谱）,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,23,3 X射线的产生 （11） 几种常用阳极靶材料的特征谱参数,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,24,3 X射线的产生 （12）,第一章. X射线的性质,1） 可拆式管这种X射线管在动真空下工作，配有真空系统。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。 2） 密封式管这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。 3） 转靶式管这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强
13、靶面的冷却，即所谓旋转阳极X射线管，是目前最实用的高功率X射线发生装置。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,25,4 X射线与物质的相互作用（X射线散射）（1）,第一章. X射线的性质,物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光子的相互作用。 当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强），则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波-散射波。 这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将有可能发生相互干涉-相干散射。 X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,26,4 X射线与物质的相互作用（X射线散射）（2）,第一章.
14、 X射线的性质,当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变。 由于波长不一致，入射波与散射波将不再具有相干能力，成为非相干散射。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,27,5 物质对X射线的吸收 （1）,第一章. X射线的性质,除了被散射和透射掉一部分外，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。 光电效应 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。被打掉了内层电子的受激原子将产生如前所述的外层电子向
15、内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射（散射），若能得此时的辐射波长，就应该能推测出相应的物质组成-这个过程叫做X荧光光谱分析，这是光电效应的具体应用。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,28,5 物质对X射线的吸收 （2）,第一章. X射线的性质,俄歇效应 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子-俄歇电子。这种现象叫做俄歇效应（俄歇电子谱仪专门分析这种电子的能量，从而从西物质的成分）。
16、 除此之外，X射线穿透物质时还有热效应，产生热能。我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的真吸收。可见，由于散射和真吸收过程的存在（主要是真吸收），与物质作用后入射X射线的能量强度将被衰减。,武汉理工大学资环学院 管俊芳,29,5 物质对X射线的吸收 （3）,第一章. X射线的性质,物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述： /= K 3 Z3 式中K为常数， 为X射线的波长，Z为物质的原子序数， 为吸收系数，为物质的密度， /为称质量吸收系数，记为m 。 由公式可知，m随原子序数及X射线的波长急剧增大，但其增大的过程很有意义,见下图：,武汉理工大学资环学院 管俊芳,30,5 物质对X射线的吸收 （4）,第一章. X射线的性质,武汉理工大学资环学院 管俊芳,31,5 物质对X射线的吸收 （5）,第一章. X射线的性质,m出现台阶状跳跃的原因 ： 用光电效应来解释： （1） 波长恒定， m随原子序数的
