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1、X射线衍射分析技术射线衍射分析技术参考书：参考书：1)周玉：材料分析方法，机械工业出版社，周玉：材料分析方法，机械工业出版社，20042）周玉：材料分析测试技术，哈尔滨工业大学出版社，）周玉：材料分析测试技术，哈尔滨工业大学出版社，20013)李树棠：金属李树棠：金属X射线衍射与电子显微分析技术，冶金工业射线衍射与电子显微分析技术，冶金工业 出版社，出版社，1980第一章第一章 X射线的物理学基础射线的物理学基础 X射线的发现和研究历程射线的发现和研究历程1895年，伦琴发现年，伦琴发现X射线射线;1912年，劳厄发现年，劳厄发现X射线衍射射线衍射X射线是电磁波射线是电磁波;1913年，布拉格
2、提出年，布拉格提出X射线衍射公式测量晶体结构，射线衍射公式测量晶体结构，d，关系关系;1913年，莫塞莱确定年，莫塞莱确定X射线标识谱线能级跃迁射线标识谱线能级跃迁;1917年，康普顿发现康普顿效应非弹性散射；年，康普顿发现康普顿效应非弹性散射；1956年，西格班创建年，西格班创建X射线光电子能谱学成分分析。射线光电子能谱学成分分析。1.1 X射线的性质射线的性质 X射线是一种与可见光完全相同的射线是一种与可见光完全相同的电磁波电磁波，是由，是由高速带电高速带电粒子粒子与物质原子中的内层与物质原子中的内层电子作用电子作用而产生的。能量大，波长而产生的。能量大，波长短，穿透物质的能力强。短，穿透
3、物质的能力强。1015 104 106 107 108 1011 1012 1013 1015 波长，波长，m X射线波长：射线波长：0.01 10 nm用于衍射分析的用于衍射分析的X射线：射线：0.050.25nm1、X射线波长射线波长 无线电波无线电波 红外线红外线 可见光可见光 紫外线紫外线X射线射线e射线射线 宇宙射线宇宙射线Cu靶：靶：1.5406 AMo靶：靶：0.7071 A 对于对于 X射线射线:频率：频率：、波长：波长：其光子的能量：其光子的能量：=h.=h.c/、动量：动量：p=h/h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.62510-34 J.s;cX射线的速度，等于射线的速
4、度，等于2.9981010 cm/s.1.2 X射线的产生射线的产生 1、产生原理：、产生原理：高速运动的电子与物体（靶）碰撞时，突然高速运动的电子与物体（靶）碰撞时，突然减速减速时，时，就会发生电磁辐射，此电磁辐射即为就会发生电磁辐射，此电磁辐射即为x射线。射线。产生自由电子；产生自由电子；使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动;与靶材相互碰撞，突然减速。与靶材相互碰撞，突然减速。3 3、X X射线管的结构射线管的结构阴极：灯丝阴极：灯丝(钨丝钨丝)，通电加热后便能释放出电子。，通电加热后便能释放出电子。阳极：靶材，通常由纯金属制成阳极：靶材，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,
5、Cu,Mo,Ag,W等等)，使电子，使电子 突然减速并发射突然减速并发射X射线。射线。高压：使电子加速；高压：使电子加速；2550 KV真空管：维持管内高真空，减少对真空管：维持管内高真空，减少对X射线吸收。射线吸收。管流：管流：3050 mA高压：高压：2550 KV 1.3 X射线谱射线谱1、X射线谱：射线谱：X射线强度随波长而变化的关系曲线，它有两种形式：射线强度随波长而变化的关系曲线，它有两种形式：1)连续连续X射线谱，射线谱，2)特征（标识）特征（标识）X射线谱射线谱 2、连续、连续X射线谱：射线谱：特征：特征：X射线的波长连续变化（具有连续波长）。射线的波长连续变化（具有连续波长）
6、。原因：原因：高速电子与阳极靶的原子碰撞时，碰撞高速电子与阳极靶的原子碰撞时，碰撞一次产生一个能量为一次产生一个能量为hv的光子的光子X射线。射线。到达靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能到达靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此形成连续形成连续X射线谱。射线谱。短波限短波限 0特点：特点：（1）强度随）强度随 连续变化，连续变化，（2）随电压增加，）随电压增加，X强度增加；向短波方向移动，强度增加；向短波方向移动，存在短波限；存在短波限；（3）不同电压，有不同的短波限）不同电压，有不同的短波限 0 U I 0 i I
7、0 不变不变Z I 0 不变不变 （I为为x射线强度）射线强度）0maxhcheV连续谱的影响因素：管压连续谱的影响因素：管压U;管流管流 i;原子序数原子序数 Z产生短波限的原因：产生短波限的原因：假设电子在一次碰撞中将假设电子在一次碰撞中将全部能量全部能量(h)一次转换一次转换为一个光量子（即为一个光量子（即X射线），这个光量子具有最高能量（光射线），这个光量子具有最高能量（光量量子能量不可能超过电子的能量）子能量不可能超过电子的能量）,最高能量最高能量 最短波长最短波长。)(24.10nmV连续谱短波限连续谱短波限0只与管电压有只与管电压有关，与管电流和靶材无关。关，与管电流和靶材无关。
8、连续连续X射线的强度射线的强度l X射线的强度是指行垂直射线的强度是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是常用的单位是J/cm2.s.l X射线的强度射线的强度I是由光子能量是由光子能量h和它的数目和它的数目n两个因素决定的两个因素决定的,即即I=nh.连续连续X射线强度最大值在射线强度最大值在 1.50 处。处。连续谱强度为分布曲线下所包络的面积：连续谱强度为分布曲线下所包络的面积：2IiZV连X射线的效率射线的效率:2XiZVZVXiV连续 射线总强度射线管功率当用钨阳极当用钨阳
9、极(Z=74),管电压为管电压为100 kV,约为约为1.11.4X10-9,此时此时,=1%.x射线管的效率特别低。射线管的效率特别低。为获得强的连续为获得强的连续X射线谱射线谱,常选用原子序数较大的元素和较高的电压值常选用原子序数较大的元素和较高的电压值.3、特征（标识）、特征（标识）X射线谱射线谱特征特征X射线的产生与阳极物质射线的产生与阳极物质的原子内部结构紧密相关。的原子内部结构紧密相关。原因原因：（：（1）靶材中的电子分布在靶材中的电子分布在K，L,M,N,各层，各具有特定的能量。各层，各具有特定的能量。（2）若电子将）若电子将K层能级中的电子击出，原子层能级中的电子击出，原子 将
10、呈将呈K激发态。激发态。（3）其他高能态的电子向）其他高能态的电子向K层跃迁，放出特定层跃迁，放出特定 波长的波长的X光子光子特征特征X射线。射线。特征：对一特定靶材，当管电压特征：对一特定靶材，当管电压V增加到某一增加到某一特定特定Vk时，在连续谱上某一时，在连续谱上某一特定波长特定波长 0处，处，产生产生强度很高强度很高的的的的X射线。若电压继续增加，射线。若电压继续增加，0 不变，仅强度增加，此不变，仅强度增加，此 0为该靶材的特征为该靶材的特征X射线波长。射线波长。与靶材（与靶材（Z）相关，）相关，0 与与 V,i 无关无关K Z1莫塞莱定律莫塞莱定律（K 和和是两个常数）是两个常数）
11、开始产生特征开始产生特征X射线的临界电压射线的临界电压Vk激发电压激发电压如如 L层电子跃迁到层电子跃迁到K层层,此时能量降低为此时能量降低为:KLLK这一能级跃迁，产生一固定波长的这一能级跃迁，产生一固定波长的X射线射线KLchh对于原子序数为对于原子序数为Z的物质而言的物质而言,各原子能级所各原子能级所具有的能量是固定的具有的能量是固定的,所以所以,kL变为固定值变为固定值.也随之固定。这就是特征也随之固定。这就是特征X射线波长为定值的射线波长为定值的原因。原因。LK,K L亚层亚层K,K 1,K 2M K,K M亚层亚层K,K 1，K 2 1)需要最低的管电压需要最低的管电压Vk（激发电
12、（激发电压），它由阳极靶的原子序数压），它由阳极靶的原子序数Z决决定。定。2)靶不同，特征靶不同，特征X射线谱的波长也射线谱的波长也不同。不同。3)VV激激时时,特征特征X射线谱的波长不射线谱的波长不变，仅强度增大。变，仅强度增大。特征特征X射线谱的特点射线谱的特点Mo靶靶X射线管的射线管的X射线强度曲线射线强度曲线1.4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X射线与物质相互作用时，就其能量转换而言，一束射线与物质相互作用时，就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：射线通过物质时，可分为三部分：l一部分被散射（一部分被散射（相干散射相干散射和和非相干散射非相干散射）l一部分被
13、吸收（真吸收、光电效应、俄歇效应）一部分被吸收（真吸收、光电效应、俄歇效应）l一部分透过物质继续沿原来的方向传播一部分透过物质继续沿原来的方向传播 1、相干散射相干散射 X射线与物质的作用实际是与原子中的电子相互作用，作用的结果射线与物质的作用实际是与原子中的电子相互作用，作用的结果是使电子在其平衡位置发生受迫振动。每个受迫振动的电子在各方向是使电子在其平衡位置发生受迫振动。每个受迫振动的电子在各方向反射电磁波，若该电磁波与入射反射电磁波，若该电磁波与入射X射线射线频率频率、波长波长相同，这些电磁波相同，这些电磁波之间就可以发生干涉现象，称为相干散射。之间就可以发生干涉现象，称为相干散射。相干
14、散射是晶体相干散射是晶体衍射的物理基础衍射的物理基础2、非相干散射（、非相干散射（康普顿散射康普顿散射）X射线光子与束缚力不大的射线光子与束缚力不大的外层电子外层电子 或自或自由电子碰撞由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为时，电子获得一部分动能成为反冲电子，反冲电子，X射线光子离开原来方向，能射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加量减小，波长增加。此时，此时，散射线间不能发生干涉作用，不散射线间不能发生干涉作用，不能产生衍射能产生衍射。4、荧光、荧光X射线射线荧光荧光X射线适合作射线适合作 Z20 的重元素的成分分析的重元素的成分分析光电效应：当一个具有足够高能量的光子（光电效应：当一个具有
15、足够高能量的光子（X射线）从原子内部击出射线）从原子内部击出一个一个K层电子时，层电子时，然后通过电子跃迁放出特征然后通过电子跃迁放出特征X射线射线，这种以光子激发，这种以光子激发原子所发生的辐射过程称为原子所发生的辐射过程称为光电效应光电效应。所释放的。所释放的特征特征X射线称为荧光射线称为荧光X射线或二次特征射线或二次特征X射线。射线。光电子光电子荧光荧光X射线射线5、俄歇效应（、俄歇效应（Auger）K层电子被光量子击出后，层电子被光量子击出后，L层电子跃入层电子跃入K层，若此时不发生光电效层，若此时不发生光电效应（即不产生特征应（即不产生特征X射线），而是多余的能量（射线），而是多余的
16、能量（ElEk）被另一）被另一L层电子层电子吸收而逸出吸收而逸出L层，层，这样，一个这样，一个K层空位造成两个层空位造成两个L层空位，这一过程称为层空位，这一过程称为俄歇效应俄歇效应。跃出。跃出L层的电子称为层的电子称为俄歇电子。俄歇电子。俄歇电子的能量与激发源（光或电子）的能量无关，只取决于物质的俄歇电子的能量与激发源（光或电子）的能量无关，只取决于物质的能级结构，是元素的特征值，能级结构，是元素的特征值，俄歇俄歇效应效应特别适合做表面轻元素的分析。特别适合做表面轻元素的分析。俄歇电子俄歇电子 E（ElEk）3、X射线的吸收射线的吸收X射线通过均匀物质射线通过均匀物质,其强度的衰减符合下式其强度的衰减符合下式:dIdxI其中其中为线吸收系数为线吸收系数,表示在表示在X 射线的传播方向上射线的传播方向上,单位长度物质引起单位长度物质引起X 射射线强度衰减的程度。线强度衰减的程度。物质种类物质种类 密度密度 有关有关 X 射线波长射线波长为便于处理为便于处理,令令:m为质量吸收系数为质量吸收系数,表示单位重量物质对表示单位重量物质对X 射线的衰减量射线的衰减量.2/(/)mcmg I=I
