X射线衍射学1,X射线物理学（参考）.ppt

标识X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。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 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。 * 由能级可知K β 辐射的光子能量大于K α 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K α 的强度约为K β 的5倍。 产生K系激发要阴极电子的能量eVk 至少等于击出一个K层电子所作的功Wk 。Vk就是激发电压。 * 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。 即莫塞莱定律。该发现是原子知识进展的一个里程碑。 莫塞莱的主要业绩是：用实验证明元素的主要特性由其原子序数决定，而不是由原子量决定，确立了原子序数与原子核电荷之间的关系。 * X射线与物质相互作用时，产生各种不同和复杂的过程。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射线被物质散射时，产生两种现象： § 相干散射：物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。 § 非相干散射。 * 物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射波符合干涉条件，因此称为相干散射。 干涉条件： 1，频率相同 2，相位差固定 3，振动方向一致 * 相干散射并未损失X射线的能量（频率或者波长没变），而只是改变了它的传播方向。因此相干散射又称为弹性散射。 相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础。 * * 讨论： 1、由一个电子散射到相距R的P点的散射波强度只是入射波的强度的极小一部分。 2、散射强度与距离的平方成反比。 3、各个方向上散射强度不同。 * （2）衍射仪法 （1）劳厄方法 X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。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。 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射线的非热能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射线的光电效应和俄歇效应。 § 光电效应； § 俄歇效应； § 热能。 * 光电效应 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。 产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk(引起原子内层电子跃迁的最低能量) * 原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出能量，产生两种效应： 荧光X射线； 当释放的能量传递到另一层的一个电子，产生二次电离，这个电子就可以脱离原子发射，被称为俄歇电子（Auger electron ）。 * * 俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。 * I0 入射X射线强度，Ix 为穿透厚度为x的物质后的X射线强度，μl 为线衰减系数，衰减与散射的关系很小，因此， μl 也称线吸收系数。 μm为质量吸收系数 * X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率M非常接近1,M约为0.99999-0.999999 。 * 因此，一般衍射实验中可以不考虑X射线折射的影响。 * § X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。 § 电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。 § 辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生