第一章 x射线衍射分析原理

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1、第一章第一章 X射线衍射分析原理射线衍射分析原理 1.1 概述 1.2 X射线物理学基础 1.3 X射线衍射晶体学基础 1.4 X射线衍射方向 1.5 X射线衍射强度 1.1 概述 伦琴伦琴(W. C.Rontgen, 18451923, 德国物理学家、德国维尔 茨堡大学校长、物理所所长 德国物理学家、德国维尔 茨堡大学校长、物理所所长)1895年在研究真空管中的高压放 电现象时发现了 年在研究真空管中的高压放 电现象时发现了X射线。射线。 一一. X射线的发现射线的发现 VH 亚铂氰化钡屏亚铂氰化钡屏 一一. X射线的发现射线的发现 伦琴发现的射线成为伦琴发现的射线成为19世纪世纪90年代的

2、物理学上 的三大发现之一，为此他于 年代的物理学上 的三大发现之一，为此他于1901年获全世界首次 颁发的诺贝尔物理学奖。 年获全世界首次 颁发的诺贝尔物理学奖。 二二.X射线的特点射线的特点: 1. 穿透能力很强，可以穿透穿透能力很强，可以穿透23 cm厚的木板，厚的木板，1.5 cm的铝 板，但 的铝 板，但1.5 mm厚的铅板几乎把厚的铅板几乎把X射线完全挡住。射线完全挡住。 2. 能在晶体中产生衍射花样，对衍射花样进行分析可以确定 晶体结构，成为研究物质结构的主要手段。 能在晶体中产生衍射花样，对衍射花样进行分析可以确定 晶体结构，成为研究物质结构的主要手段。 1.1 概述 1.1概述

3、 三三. X射线衍射的应用及进展射线衍射的应用及进展 1.人体透视及医疗人体透视及医疗(X射线发现几个月后射线发现几个月后) 。 2.晶体结构研究晶体结构研究: 单晶单晶(1912，Laue，1914年荣获诺贝尔奖年荣获诺贝尔奖), 粉末粉末(1916，Debye Scherrer)。到目前为止，测定了成 千上万个晶体结构 。到目前为止，测定了成 千上万个晶体结构(包括遗传因子包括遗传因子DNA)，国际衍射中心负 责这方面工作的组织和测定工作。 ，国际衍射中心负 责这方面工作的组织和测定工作。 3.晶粒度测量晶粒度测量(1918)。 4. 相平衡研究相平衡研究(1919) 。 5.应力测定应力

4、测定(1925) 。 6. 择优取向测量择优取向测量(1926)。 6.非晶态的径向分布函数研究。 除了人体透视及医疗外，其他各项都属于材料领域。 非晶态的径向分布函数研究。 除了人体透视及医疗外，其他各项都属于材料领域。 三三.X射线衍射的应用及进展射线衍射的应用及进展 近年来，世界上有名的仪器公司，如近年来，世界上有名的仪器公司，如Bluker（Siemens）、）、 Panalytical（Philip）、）、Rigaku等推出了各种新的等推出了各种新的X射线源和 各种高度自动化的衍射仪及计算技术，使这方面的工作更快速、 准确和深入。 射线源和 各种高度自动化的衍射仪及计算技术，使这方面

5、的工作更快速、 准确和深入。 X射线衍射分析是研究材料的基本手段。有材料研究的单位 都武装了这样的大型仪器，是矿物、冶金、材料等专业的重要 课程。 射线衍射分析是研究材料的基本手段。有材料研究的单位 都武装了这样的大型仪器，是矿物、冶金、材料等专业的重要 课程。 多晶多晶(粉末粉末)X射线衍射仪射线衍射仪 1.2 X射线物理学基础射线物理学基础 一、一、 X射线的产生及其性质射线的产生及其性质 (一一) X射线的产生射线的产生 在一种装有阴阳极的真空密封管中， 在管子两极间加上高电压，使阴极发射 出的电子流高速撞击金属阳极靶，就会 产生 在一种装有阴阳极的真空密封管中， 在管子两极间加上高电压

6、，使阴极发射 出的电子流高速撞击金属阳极靶，就会 产生X射线。射线。 获得获得X射线应具备的条件：射线应具备的条件： (1) 产生并发射自由电子产生并发射自由电子(如加热钨灯丝发射热电子如加热钨灯丝发射热电子)；(2) 在真空中迫使电子朝一定方向加速运动，以获得尽可能高的 速度； 在真空中迫使电子朝一定方向加速运动，以获得尽可能高的 速度；(3) 在高速电子流的运动路线上设置一障碍物在高速电子流的运动路线上设置一障碍物(阳极 靶 阳极 靶)，使高速运动的电子突然受阻而停止下来。，使高速运动的电子突然受阻而停止下来。 (二二) X射线的性质射线的性质 1.X射线是一种电磁波，波长范围：射线是一种

7、电磁波，波长范围：0.01100 10310-210110010210-410-610-810-1010-12 (cm) 红外线无线电波 可见光 紫外线X射线射线宇宙射线 2. 具有波粒二象性，产生干涉、衍射、吸收和光电效应 由于 具有波粒二象性，产生干涉、衍射、吸收和光电效应 由于X射线的波长短能量高、穿透力强，但不能像可见光那样 用透镜会聚或发散，也不能用棱镜分光。波长越短，穿透越 强，反射越弱，所以用于光刻的 射线的波长短能量高、穿透力强，但不能像可见光那样 用透镜会聚或发散，也不能用棱镜分光。波长越短，穿透越 强，反射越弱，所以用于光刻的X光都是用波长较长的光。光都是用波长较长的光。

8、1.2 X射线物理学基础射线物理学基础 = h hc/ (二二) X射线的性质射线的性质 3. X射线的波长与晶体中的原子间距同数量级，所以晶体可以 用作衍射光栅。用来研究晶体结构，常用波长为 射线的波长与晶体中的原子间距同数量级，所以晶体可以 用作衍射光栅。用来研究晶体结构，常用波长为0.52.5 。 4. 不同波长的不同波长的X射线具有不同的用途。一般称波长短的为硬射线具有不同的用途。一般称波长短的为硬X射 线，反之，称为软 射 线，反之，称为软X射线。用于金属探伤的射线。用于金属探伤的X射线波长为射线波长为 0.050.1 。 5. 当当X射线与物质射线与物质(原子、电子原子、电子)作用

9、时作用时, 显示其粒子性，具有能 量 显示其粒子性，具有能 量 = h 。产生光电效应和康普顿效应等。产生光电效应和康普顿效应等 6. 当当X射线与射线与X射线相互作用时，主要表现出波动性。 我们这门课主要讨论其波动性。 射线相互作用时，主要表现出波动性。 我们这门课主要讨论其波动性。 7. X射线的探测射线的探测: 荧光屏荧光屏(ZnS), 照相底片照相底片, 探测器。探测器。 1.2 X射线物理学基础射线物理学基础 二. X射线谱 通过测定通过测定X射线管发出的射线管发出的X射线发现射线发现: X射线谱射线谱 = 连续谱连续谱 + 特征谱（标识谱）特征谱（标识谱） 强度随波长连续变化的部分

10、称为强度随波长连续变化的部分称为连续 谱 连续 谱，它和白光相似，是多种波长的混合 体，也称 ，它和白光相似，是多种波长的混合 体，也称白色白色X射线射线； 叠加在连续谱上的强度很高的具有一 定波长的 ； 叠加在连续谱上的强度很高的具有一 定波长的X射线称为特征谱，它和单色 光相似，也称单色 射线称为特征谱，它和单色 光相似，也称单色X射线。 任何管电压下都会出现连续谱；而只 有加到一定的电压后才会出现标识谱。 射线。 任何管电压下都会出现连续谱；而只 有加到一定的电压后才会出现标识谱。 X射线谱射线谱: X射线强度射线强度I与波长与波长 的关系曲线。的关系曲线。 不同管压下不同管压下Mo的的

11、X射线谱射线谱 (一一) X射线连续谱射线连续谱 1. 存在最短波长（存在最短波长（短波限短波限0） 在各种管压下，连续谱都有一强 度最大值，并在短波方面有一波长极 限，称为短波限 在各种管压下，连续谱都有一强 度最大值，并在短波方面有一波长极 限，称为短波限0。随。随X射线管压的 升高，各种波长的 射线管压的 升高，各种波长的X射线的强度一致 升高， 射线的强度一致 升高，最大强度对应的波长变短，短 波限也相应变短，同时波谱变宽 最大强度对应的波长变短，短 波限也相应变短，同时波谱变宽。管 压既影响连续谱的强度，也影响其波 长范围。 。管 压既影响连续谱的强度，也影响其波 长范围。 不同管压

12、下不同管压下Mo的的X射线谱射线谱 产生原因：任何高速运动的带电 粒子突然减速时，都会产生电磁辐 射 产生原因：任何高速运动的带电 粒子突然减速时，都会产生电磁辐 射以以X射线的形式放射出来。 强度极大值位于 射线的形式放射出来。 强度极大值位于1.50处。 连续谱短波限只与管压有关。 处。 连续谱短波限只与管压有关。 (一) X射线连续谱 累积强度 连续谱效率 累积强度 连续谱效率 例如， 对例如， 对W阳极阳极(Z = 74) U = 100 kV时时, 1%， 由此可 见， ， 由此可 见，X光的转换效率相当低。大部分转化为热量，必须设法 强烈地冷却阳极。为了提高效率，常选用重金属靶并施

13、加高 电压。 光的转换效率相当低。大部分转化为热量，必须设法 强烈地冷却阳极。为了提高效率，常选用重金属靶并施加高 电压。 9 2 104 . 11 . 1 I min = k kiZUdI 连续 kZU iU kiZU = 2 X射线管功率 连续谱总强度 (二二) X射线特征谱标识谱射线特征谱标识谱 1. 概述概述 当管压增高到某一临界值当管压增高到某一临界值Uk时，则在连续谱的某些特定 波长上出现一些强度很高的锐峰，它们构成了 时，则在连续谱的某些特定 波长上出现一些强度很高的锐峰，它们构成了X射线特征谱。 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

14、阳极靶 材的原子序数。 对一定的材料的阳极靶，产生的特征谱的波长是固定 的，此波长可以作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱 或标识谱。 射线特征谱。 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。 对一定的材料的阳极靶，产生的特征谱的波长是固定 的，此波长可以作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱 或标识谱。 (二二) X射线特征谱标识谱射线特征谱标识谱 2. 产生机理产生机理 原子结构的壳层模型：原子中的电子分布 在以原子核为中心的若干壳层中，光谱学中 依次称为 原子结构的壳层模型：原子中的电子分布 在以原子核为中心的若干壳层中，光

15、谱学中 依次称为K、L、M、N壳层，分别相应于 主量子数 壳层，分别相应于 主量子数=1、2、3、4。在稳定状态下，每 个壳层有一定数量的电子，它们具有一定的 能量，最内层 。在稳定状态下，每 个壳层有一定数量的电子，它们具有一定的 能量，最内层(K层层)电子的能量最低，然后按电子的能量最低，然后按 L、M、N的顺序递增，从而构成一系列的 能级。在正常情况下，电子总是先占满能量 低的壳层。 的顺序递增，从而构成一系列的 能级。在正常情况下，电子总是先占满能量 低的壳层。 (二二) X射线特征谱标识谱射线特征谱标识谱 2.产生机理产生机理 从从X射线管中的阴极发出的电子， 在高电压的作用下，以很

16、快的速度 撞到阳极上时，如果电子的能量足 够大，就可以将阳极物质原子中的 内层电子击出成为自由电子 射线管中的阴极发出的电子， 在高电压的作用下，以很快的速度 撞到阳极上时，如果电子的能量足 够大，就可以将阳极物质原子中的 内层电子击出成为自由电子(二次电 子 二次电 子)，于是原子就处于高能的不稳定 状态，称为 ，于是原子就处于高能的不稳定 状态，称为激发态激发态。这一过程称之 为 。这一过程称之 为激发激发。按能量最低原理，电子具 有自发地向低能级跑的趋势，所以 当 。按能量最低原理，电子具 有自发地向低能级跑的趋势，所以 当K层中有一空位时层中有一空位时(K激发态激发态)，外 层中的电子就会跃入此空位，同时 ，外 层中的电子就会跃入此空位，同时 多余的能量以多余的能量以X射线光子的形式释放射线光子的形式释放 出来，这一过程称之为出来，这一过程称之