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1、第二章X射线的产生与性质X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen），作阴极射线实验时，发现了一种 不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。1909年，巴克拉（Barkla）利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电 子跃迁产生。19081909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅）， 产生了干涉条纹。1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近 似于1A数量级。1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照
2、射晶体时，将产生衍射。随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解19131914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线 荧光分析。X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在 不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：（1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、 强光源，使测量精度提高4个数量级。（2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测 量提高2个数量级。（3）新的数据记录及处理技术：高度
3、计算机化a. 实验设备、实验数据全自动化；b. 数据分析计算程序化；c. 衍射花样的计算机模拟。二. X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定 织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。第二章X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试 样）相互作用的物理效应及意义。（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象一一晶体进行了解）第一节X射线的本质1.1性质 1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。后 人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”。伦琴在实验室的
4、发现表明：X射线是用人的肉眼不可见的，但能使某些物质（铂氤化钡）发出可见荧光；具有感光 性，能使照相底片感光；具有激发本领，使气体电离。X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；具有很强的穿透能力，波长越短，穿透物 质的能力越大；与物质能相互作用。另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振化一一即经物质后，某些方 向强度强，某些方向弱；能杀死生物细胞，实验中要特别注意保护。1.2本质X射线是一种电磁波，有明显的波粒二象性X射线的波长为入=10-10cm10-6cm， 时叩侦1招或更短。X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续 的粒子流。这些粒子叫光量
5、子，每个光量子具有能量”知或IE = h A第二节X射线的产生和设备2.1 X射线的产生条件 实验证明，高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。因此，要获得X射线，必须满足以下条件：产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；在真空中（一般为10-mmHg），使电子作定向的高速运动；在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。上述条件构成了 X射线发生装置的基本原理，如图2-3所示。图2-3 X射线发生装置2.2 X射线的工作原理及结构2.2.1 X射线管基本工作原理 高速运动的电子与物
6、体发生碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一 小部分（1%左右）能量转变为X射线的能量产生X射线，其中绝大部分能量（约左右） 转变成热能使物体（靶）温度升高。2.2.2 X射线管的基本构造是X射线从阳极配向外射出的地方，校好的窗口材料的被片口是使电子突然减速和发射X射线的地方-常用的 阳极材料有Cr、Fc Co. Ni Mo. Ag、W等.是发射电子的地 方.田绕成螺线形 的钙丝制成n3跛窗:I甘冷却水玻璃X射线金属聚焦罩L鹤灯丝（明极）接变压器图2-4 X射线管示意图X射线管有一个上限的使用额定功率，它是由阴阳极之间的加速电压（又称管电压）和 阴极可能提供的电子束流（又称管电流
7、）所决定。2.2.3特殊结构的X射线管 旋转阳极X射线管：采用适当的方法使阳极高速旋转，这样，可使靶面受电子轰击的 部位一一焦斑随进改变，有利于散热，可以提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。细聚焦X射线管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发 射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦 斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，除了可以缩短拍摄照片得 到极细的X射线束，有利于提高结构分析的精度。2.3 X射线探测与防护 因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备和仪器进行间接探测。探测X 射线的主要仪器设备是：荧光屏、
8、照相底片和探测器等。过量的X射线对人体会产生有害影响。且影响程度取决于X射线的强度，波长和人体的 受害部位。操作调试时，要严格遵守安全条例，注意采取防护措施，要特别注意不要让 的或身体的其它部位直接暴露在X射线束照射之中。第三节X射线谱X射线谱：即X射线强度I随波长入而变化的关系曲线。X射线强度：单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的X射线总能量，以 J/cm2s为单位。且I村!=13.1连续X射线谱 实验表明：特定的阳极材料，在某特定管压以下，产生连续谱一一强度随波长连续变 化，即在强度可测范围内，包含各种不同的波长，叫连续谱，又叫白色谱或多色谱。3.1.1实验规律 连续X射线谱上
9、有一个强度最大值，并在短波方向有一波长极限，称为短波限入。随管电压增大，强度I普遍增大，短波限向短波方向移动，即入。减小；强度最高的 射线波长为入减小。即随V增大，整个曲线向左上方移动。管压V和管电流I保持一定的条件下，当阳极物质改变时，随阳极物质的原子序数Z 增大，各种波长的相对强度I增高，整个曲线向上方移动，但其入、入均不变。由此可知：入、入的数值与阳极材料的种类无关，只与加速电压有关。m3.1.2形成机制 经典电动力学阐明：任何微对带电粒子，得到加速度时，其周围的电磁场急剧变化，向 周围辐射电磁波。X射线管中，高速运动的阴极电子到达阳极表面时，受到几万伏的加速，具有相当大的 动能一一几万
10、电子伏特eV，由于阳极阻止，产生极大的负加速度，动能转换为热能和X 射线电磁波能量。从量子理论的观点来分析，电子被阳极靶突然制止时，其动能的一部分将转化为一个或 几个X射线光子，其余部分将转化为热能。当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一 个X射线光子时，光子的能量： =j/2 mv2=eV=hv 二 he：/邕 光子达到了最高的能量，最大的频率和最短的波长。即得到短波限公式:,眼 124 .、=时”昌矿矿（E 但是绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，它的部分能量p要消耗于高速电子的全部内能 上，所以转化为X射线光子的能量小于高速电子的全部能，即：e=hu=eVp另外，一个电子的能量也可能转化为几
11、个光子或分几次转化，这都说明大部分辐射波长 入入，即入012.4/入并呈连续的分布，也就是构成了连续X射线谱。3.2标识X射线谱 即迭加于连续谱上，具有特定波长的X射线谱，又称单色X射线谱。在一个X射线管中，保持管电流不变，使管电压逐渐增加，管电压被提高到某一定的临 界值以后（激发电压），便会在一定的波长处出现尖锐的强度上限叠加在连续光谱上， 由于这些谱线非常狭窄，又由于它们的波长为制靶金属的特征，因此称之为特征谱线。 见图1-5，有两个强度特别高的窄峰称为K系X射线。波长较短的是射线，波长较长 的是K射线，K又可细分为K和K两条线，有强度比K : K =2：1，K : K =5：1 当用原子
12、序数较高的金属作阳极靶时，2除有K系射线外，还得到彳、M等系特征&射 线。在通常的X射线衍射工作中，一般均采用强而窄的Ka谱线。当继续提高电压时，各特征X射线的强度不断提高，但其波长Ka、不变。3.2.1实验规律（以K系为例）根据实验结果证明：存在一临界电压VK,当V NV,eVNeV时，则产生标识谱。不同的阳极物质，有 不同的标识谱，即不同的激发电底，这由阳极靶的原子序数决定。当管电压超过V而进一步升高时，K系特征X射线的波长不变，而强度按n次方的规 律增大，即波长不因外界条件而变，工作电压V工作只改变强度I，不改变入、 入KH、入眼2的值。K且、二由V-V）n式中:标I为管电流；V为管电压
13、；V为激发电压，由阳极靶所决定；n为常数，约为1.52； K为比例常数，与特征乂射线的波长有关。不同阳极材料，有不同的标识谱波长，即对某一特定材料，具有波长恒定的标识谱。 遵循莫塞来定律（X-ray成分分析基础）其中：入：某系标识射线的波长；c为常数；。：屏蔽常数。3.2.2标识谱产生机制一一原子内层电子转移 任何物质，原则上说，不管外界激发因素是由电子、中子、X光子等，一旦激发能达到 或超过物质的结合能，就有标识X射线产生，而这种射线又是物质属性的标志。可见， 其产生机制必与原子内层电子迁移密切相关。高能阴极电子激发靶原子，使K电子跃入外层轨道或原子之外而形成K空位，能量升 高，原子处于亚稳
14、态，此X射线波长由原子能级结构决定。（1）由于K层电子被激发，并接着由其它高能级的外壳层电子跃入而产生的特征X射线 称为K系射线。由L层电子业层所产生的称氐射线，波长知由M层电子-K层所产生的称射线j波长小 *特征谱九Y -由于各壳层电子能量不同，.辐射出的特征X射线的波长七、入m,也各不相同。不同原子(如Fe、Cu、W),其原子能级结构不同。.*识不同 (3)由于L层电子被激发而产生的特征X射线称L系射线，其它类推第四节X射线与物质的相互作用实质：电磁波与电子的相互作用 意义：可用于结构分析、成分分析、解释实验现象、选择实验条件、避免不利影响的发 生。实验证明：X射线经过物质后，1。一I+散
15、射+吸收，从能量角度看，W入射Ow穿透+W散射+W吸收w穿透衰减4.1 X射线的衰减规律实验证明，当X射线透过物质时，其强度将被衰减，衰减程度随物质的厚度不同而呈指 数规律变化。如图，假定入射线束的强度为I。，通过厚度为H的物质后勤部，强度被衰减为I盘=品亨-逮线衰减系数U：表示单位体积物质对X射线强度的衰减程度，与物质密度P成正比，单位为长度的倒数（m-i、cm-1等）T - T 曰*6班T 上式又可写成：n 一誓一冬um质量衰减系数。表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。单位：cm2/g, 与P无关。混合物的质量衰减系数：（化合物、混合物、合金或溶液）亍叽土 +叽口展+叽口冲=豚4（物相定量分析）Wj：各物相的重量分数，或元素的重量分数。 umj :相应的物相的质量吸收系数。4.2 X射线的散射X射线的散射是物质中电子成为了波源，产生次级X射线的过程，它又分为相干散射和 非相干散射。4.2.1相干散射（经典散射）X射线是电磁波，当它通过物质时，在入射线的交变电场的作用下（交变磁场的影响很 小，忽略不计）
