第二讲X射线衍射分析预案.ppt

材料化学研究方法-XRD 绪论 材料化学研究方法 本节课授课内容 2.2.2 X射线谱 2.2.3 X射线与物质的相互作用 2.2.4 X射线的吸收 2.2.2 X射线谱 如果对X射线管施加不同的电压，用适当地方法去测量X射线管发出的X射线的波长和强度，则得到X射线强度与波长的关系曲线，称之为X射线谱。 X射线的强度：指行垂直X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。 常用的单位是J/cm2.s. X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv. 2.2.2 X射线谱 实验表明，X射线谱由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱；另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱--它迭加在连续谱上。 量子理论观点：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。 按照经典动力学概念，一个高速运动的电子到达靶面上时，因突然减速而产生很大的负加速度，结果引起周围电磁场的急剧变化，产生电磁波或电磁辐射。 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系： 特征X射线谱 当V超过一定的数值Vk时，这种谱线的波长与V、i等工作条件无关，只决定于阳极材料，不同阳极将发出不同波长的谱线，因此称之为特征X射线或标识X射线。其中Vk称为激发电压。 或者说当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。 产生机理 与阳极靶物质的原子结构紧密相关 原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。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，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。 K系标识X射线 产生K系激发阴极电子的能量Vk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。 Vk就是激发电压 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。 特征X射线谱 由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。 此外，根据量子力学的理论，原子外壳层还存在次（子或亚）壳层，L层即存在L1，L2，L3三个子壳层 根据电子跃迁选择规则，只存在L2与L3到K的跃迁，因此，存在Kα1与Kα2 莫塞莱定律 标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为： 标识X射线的绝对强度特征 K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：Ik=Bi(V-Vk)n 注意：当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3～5倍，连续谱造成的衍射背影最小。 X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。 X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律； 吸收限的应用； X射线的折射； 总结 。 X射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射； 非相干散射。 非相干散射 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。 它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。？？ X射线的吸收 物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应、荧光辐射和俄歇效应。 光电效应 荧光辐射 俄歇效应 光电效应 当入射X光子的能量足够大时，能把原子中处于某一能级上的电子击出使其成为光电子，并使原子处于高能的激发态，这种过程我们称为光电吸收或光电效应。 与此同时，由于原子处于高能激发态，内层会出现空穴，这时外层电子会往此空位上跃迁，由此会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。(荧光光谱分析原理是光电效应) 俄歇