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XRD材料分析方法第一章 X射线的性质
第一章 X射线的性质 尹 孝 辉 材料科学与工程学院 1. X射线的发现 R?ntgen Wilhelm Conrad(1845.03.27-1923.2.10) 1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文:《一种新的射线--初步报告》 1.1 引 言 1895-1897年,伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质。 1901年,首位诺贝尔奖获得者。 1912年,劳埃(M. von Laue)发现晶体的X射线衍射,获得诺贝尔奖。 对晶体的认识由微米级深入到纳米级。 在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务 右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封 1.2 X射线的本质 一、X射线的本质 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(电磁辐射)。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。 二、X射线的波粒二象性 1、波动性 X射线的波长范围: 0.01~100 ? 表现形式: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。在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象,即证明了X射线的波动性。 在结构分析中,所使用的波长范围为0.25~ 0.05nm 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。 X射线波长的度量单位常用埃(?)或晶体学单位(kX)表示;通用的国际计量单位中用纳米(nm)表示,它们之间的换算关系为: 1nm=10 ? = 10-9 m 1kX=1.002056±0.000005 ? 2、粒子性 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量,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。 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应;二次电子等。 X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p 之间存在如下关系: h:普朗克常数,等于6.625×10-34J.s; c: X射线的速度,等于2.998×108 m/s. 三、X射线的强度 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: 四、相关习题: 1.试计算波长0.071nm(Mo-Kα)和0.154nm(Cu- Kα)的X射线的振动频率和每个量子的能量? 1.3 X射线的产生及X射线管 X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速,且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。 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。 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。 最常用的靶材料有:Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、W、Ag等。 4、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。 二、X射线机的工作原理 当电流通过阴极灯丝时,灯丝被加热到白炽,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阳极,被阳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
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