X射线衍射原理及应用

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1、X射线原理及其应用,2,主要内容,一、X-ray,二、X射线的应用,1.1 X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-ray,1.1.1 X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。,1.1 X射线的产生,5,1.1.1 X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，并且被

2、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。,6,1.1.1 X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。,7,1.1.2 X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2030)时，X射线能产生

3、全反射。,1.1.2 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 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）2dsin=n, n=1,2,.,1.1.2 X射线的性质,（3） 穿透性质X射线可以穿透由较轻元素组成的物质。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

4、应，使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。,1.1.2 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，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。,1.2 X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）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

5、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，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

6、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

7、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,1.3 X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，测定该光电子的能量就可以确定物质的化学成分。 （XPS原理）,（1）光电效应,被光电效应打掉了内层电子的原子将处于激发状态，当原子由激发状态转变为稳定状态时，和前面讲述

8、的X射线产生的原理一样，将产生X射线，称之为二次X射线荧光辐射。该X射线的波长，完全取决与物质中的原子类型，而与入射线的波长无关。若测定该二次射线的波长，即可得到物质的化学组成。（XRF原理）,（1）光电效应,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AES专门分析这种电子的能量，从而获得物质的成分）。,（2）俄歇效应,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

9、是真吸收），与物质作用后入射X射线的能量强度将被衰减。,（3）除此之外，X射线穿透物质时还有热效应，产生热能。,用X射线衍射方法对高聚物进行结构分析，获得的信息远比低分子物质少得多。原因： （1）至今尚未培养出适合于x射线衍射用的0.1mm以上的单晶（生物高分子例外），因此常用单轴取向聚合物材料，用单晶回转法获取纤维图。但由此法试图得到的三维反射数据很困难，除非使用双轴取向样品或固态聚合产物。 （2）随衍射角增加，衍射斑点增宽，强度迅速下降。这是由于在聚合物样品中共存着晶区和非晶区，晶区仍包含无序部分，晶区微尺寸一般在800埃以内。 （3）随微晶取向不完善性的增加，在纤维图上衍射斑点渐增宽并成

10、一个弧。 （4）可观察到独立反射点的数目是有限的（多者200，一般在40100），而低分子单晶常多于1000.由于诸上原因，迄今，高聚物X射线结构分析，主要采用尝试法。然而今年来数种方法已被提出并获得成功。,1.4高聚物衍射特点,二、X射线方法应用,2.1 X射线在医学上的应用由于X射线的穿透性与物质密度有关，密度大的物质，对X射线的吸收多，透过少，利用该性质，可以把密度不同的骨骼、肌肉、脂肪等软组织区分开来，这正是CT透视，摄影的物理基础。,2.2 金属探伤射线探伤是利用放射线（X射线、射线或其他高能射线）能够穿透金属材料，并由于材料对射线的吸收和散射作用的不同，从而使胶片感光不一样，于是在

11、底片上形成黑度不同的影像，据此来判断材料内部缺陷情况的一种检验方法，简称RT。当X射线穿透被检验的金属时，由于原子对射线的吸收与散射作用，射线的强度受到削弱，材料厚度愈大，强度减弱愈多。,射线探伤适用于各类钢材、有色金属材料等，特别适用于检查焊缝的质量。它具有发现缺陷直观、检查结果准确可靠、可将底片保留备查等优点。但是，射线对人体有害，消耗胶片使探伤成本提高、对垂直于射线方向的裂纹发现较为困难等缺点。,2.3,2.4 X射线在 安检中的应用X射线遇到物体时可能出现三种情况：穿过物体、被物体吸收、遇物体发生散射。在安检中就是利用X射线的康普顿散射理论，X射线遇到不同物质会发生不同的散射，遇到低原

12、子序数物质时，散射较强；遇到高原子序数物质时，散射相对较弱。而且散射概率与密度有关，因此，被检测物质的原子序数越低，密度越大，散射就越强。能够凸显低原子序数的有机物，特别是液体炸药、塑性炸药、毒品等。,2.5,主要用于各种无机和有机固体材料的表面元素或其价态的定性和定量分析，表面元素的化学成像及深度剖析。 可用于腐蚀、摩擦、浸润、粘接、催化、包覆、氧化等表面和界面过程的研究。,2.6 X射线衍射的应用2.6.1 物相定性分析即固体由哪几种物质构成不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同,它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异,衍射花样与多晶体的结构和组成有关,一种特定的物相具有

13、自己独特的一组衍射线条(即衍射谱),反之不同的衍射谱代表着不同的物相.若多种物相混合成一个试样,则其衍射谱就是其中各个物相衍射谱叠加而成的复合衍射谱.因而,我们可以通过测定试样的复合衍射谱,并对复合衍射谱进行分析分解,从而确定试样由哪几种物质构成,2.6.2物相定量分析物相定量分析的任务是用X射线衍射技术,准确测定混合物中各相的衍射强度,从而求出多相物质中各相的含量.其理论基础是物质参与衍射的体积或者重量与其所产生的衍射强度成正比,因而,可通过衍射强度的大小求出混合物中某相参与衍射的体积分数或者重量分数,从而确定混合物中某相的含量,2.6.3宏观应力的测定在材料部件宏观尺度范围内存在的内应力分

14、布在它的各个部分,相互间保持平衡,这种内应力称为宏观应力,宏观应力的存在使部件内部的晶面间距发生改变,所以可以借助X射线衍射方法来测定材料部件中的应力.按照布拉格定律可知,在一定波长辐射发生衍射的条件下,晶面间距的变化导致衍射角的变化,测定衍射角的变化即可算出宏观应变,因而可进一步计算得到应力大小.总之,X射线衍射测定应力的原理是以测量衍射线位移作为原始数据,所测得的结果实际上是应变,而应力则是通过胡克定律由应变计算得到。借助X射线衍射方法来测定试样中宏观应力具有以下优点:(1)不用破坏试样即可测量;(2)可以测量试样上小面积和极薄层内的宏观应力,如果与剥层方法相结合,还可测量宏观应力在不同深度上的梯度变化;(3)测量结果可靠性高等.,Thank you ！,