[理学]X射线晶体学第二章.ppt

第二章 X射线物理基础 §2-1 X射线的本质 一、X射线的波长范围 X射线也是一种电磁波，就其本质而言，它和一般的可见光、红外线、紫外线、γ射线、α射线以及宇宙射线一样，都属于电磁波，在电磁波谱中，它也占据有一定的范围。在 cm之间，它是一种人的肉眼看不见的射线，但是可以穿过黑纸等物质和使铂氰化钡荧光屏发光。 在结构分析中，所使用的波长范围为0.25～ 0.05 nm之间。 一般将波长短的X射线称为硬X射线，反之，则称为软X射线。所谓硬、软是指其穿透物质的能力而言的。 二、 X射线的波、粒二象性 它的波动性主要表现在：以一定的波长和频率在空间传播，具有干涉、衍射、偏振等特性。 它的微粒性主要表现在：以光子的形式辐射和吸收，具有一定的质量和动量，遵守能量守恒定律和动量守恒定律。 光就是这样的粒子流，粒子被称为光子。 每一个光子的能量为： 把单位时间内投射到垂直于入射线的单位面积上的能量称为X射线的强度。设单位时间投射到单位面积上光子数为N，则认为X射线的强度为： 三、强调 X射线光子不带电性，因此它不受电场和磁场的作用，即不能用电场或磁场来改变它的运动方向。因此不能用电场或磁场来使它会聚或发散。 §2-2 X射线的产生 能够产生X射线的形式是多种多样的,实验已经证实,凡是高速运动的带电粒子被突然减速时,都能发射出X射线。 但是，在一般情况下，所产生的X射线的强度太弱，所以不能用来作衍射实验用。目前用来进行衍射实验用的X射线，都是以高速运动的电子流轰击金属的方法获得的。因此能够产生的X射线的装置必须具备： （1）能够产生自由电子；（2）使电子作定向运动；（3）使运动的电子突然减速的装置。 按照上述要求制成的装置称为X射线机 一、X射线管 X射线管是X射线机的核心,它是产生X射线的源，它为一个大型的真空二极管。其由阳极、阴极、窗口等组成。下图为X射线管示意图。 1、阴极，是产生电子的地方，它是由绕成各种形状的钨丝制成。 2、阳极，又称为靶，是使高速运动的电子突然减速并发射出X射线的地方。 由于高速运动的电子轰击靶时。只有不到1%的能量转变为X射线的能量，其余的能量都转变成了热，因此阳极均由两种材料制成，其本底是由熔点较高且导热性能好的纯铜制成，在本底的端面镶上或镀上一块靶材料。 最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W、Ag等 在使用过程中，必须连续用水冷却。 3、焦斑（焦点），是靶面上被电子轰击的地方， X射线就是从这里发出的。其形状和尺寸是由制成的灯丝的形状和尺寸决定。 从焦斑发射出来的X射线在各个方向的强度是不同的，一般在3～6°方向接受X射线。在各个方向所看到的有效焦斑是不同的。 二、X射线机的工作原理 当电流通过灯丝时，被加热到白炽。，辐射出电子，由于X射线管两端与高压电源相连，在高压作用下，电子以很高的速度飞向阴极，被阴极阻挡而突然停止下来。在靶面，伴随能量的转换而发射出X射线。 三、特殊X射线管 1、旋转阳极靶 一般X射线机发出的X射线强度都不够高，因而需要较长的爆光时间。而提高强度的主要途径是提高X射线管的功率，即使更多和能量更高的电子轰击靶面，这就会使阳极产生的热不能及时散发出去。现在主要采用旋转阳极靶的方法来解决这个问题，使电子轰击的地方不断改变，而充分散热。 2、细聚焦X射线管 为了提高衍射花样的分辨本领，必须使入射X射线束很细，但因为X射线不受电磁场的作用，其本身的折射率又很小，因而其本身不能产生聚焦作用。因此要想得到细的X射线束，就只能从缩小焦斑这方面入手，其方法是： 采用一套静电透镜或电磁透镜，使电子束高度聚焦，其焦点可达几十微米甚至几微米，从而产生出精细的衍射花样。 3、采用闪光X射线管、同步加速器X射线源、闪光轰击法等。 §2-2 X射线谱 所谓X射线谱，就是X射线强度随波长λ变化的关系曲线。 一、 X射线谱的种类 1、连续X射线谱 由从某一波长开始，直到λ∞的一系列波长所组成的谱线。也称为白色X射线、多色X射线。 2、特征X射线谱 由在连续谱上叠加的若干条具有一定波长的强度很高的谱线构成。又称为标识X射线、单色X射线 二、连续X射线谱 1、实验现象 1）取一W靶X射线管，与高压相连，若保持管电流 i 不变，而改变X射线管两端的高压v，在某一给定高压下， X射线的强度与波长的关系如图。i 一定， v增加，Iλ(具有某一波