二、X-Ray简介和结构分析.PDF

二、X-Ray簡介與結構分析 放射線的發現可說是人類科學史上一個重要的里程碑，百餘年來 無數的科學家以不眠不休的努力及犧牲奉獻的精神，投入原子科學的研 究行列，放射線才能在今日廣泛地運用 於工業、農業、醫學、環保等各 種領域，造福人類。西元 1895 年間，德國物理學家侖琴( W.C. Röntgen) 在一次實驗中，發現到一種肉眼看不見的光線，這種光線能使螢光物發 光，並能穿透許多物質。更讓侖琴驚訝的是，當他把自己的手放在照相 板前，竟出現一張手掌骨骼的詭異影像[44] 。侖琴將這種 不可知又不可見 的光線命名為ｘ光(ｘ -Ray)。侖琴的發現不但為當時沉寂已久的物理界重 新燃起了希望。當諾貝爾獎創立時，ｘ 光更為侖琴獲得首屆物理諾貝爾 獎。 一九一二年德國的物理學家馮勞允(Max von Laue)將一硫酸銅之晶 體置於一束較細之 X 光通路中，同時置照相底片於晶體之後面，用以記 錄是否有 X 光繞射之存在。結束第一次之實驗其底片之花樣就顯示 X 光 真的有繞射之影像。次年英國學者布拉格(W.L. Bragg)使用 X-ray 繞射方 法獲得NaCl 結晶之晶體結構後，X 光繞射已被用來判定所有晶體之結構 （有機、無機、元素、合金）。同時也廣泛地用於化學分析，應力之量測， 相圖（ Phase Diagram ）之研究，量度顆粒之大小，決定單晶體之晶面及 晶體內所具有之各種晶面等。 2-1 X-Ray的產生： 從電磁學原理知道當帶電粒子在加速或減速的過程中，會釋放出電 磁波，而在巨大加速過程中所放出之電磁波具有高能量，當其波長在 -12 -8 10 ~10 m 則成 X 光。因此當以經高電壓加速之電子束撞擊陽極標靶，高 速電子受到標靶原子的阻擋急劇停止下 來，電子在這種非彈性碰撞過程 17 中的能量損失部分轉變成 X 光子的能量，因這些碰撞可以許多不同的方 式發生，故會形成連續X 光帶，亦稱為白光(white radiation) [45] 光譜。此 外，電子束與試片之原子碰撞時，原子內層 1s電子被打出，可能會產生 特徵線，當內層電子射出時，原子外層之電子立即會掉入內層的電子空 位，同時伴隨射出特徵 X 光子，對於前者所形成之光譜則稱為特性光譜 (characteristic spectrum)，如圖 14所示。 (b) (a) 圖 14 、(a) Cu 之 Kα X-ray發生，此藉由 1S電子游離而 2P電子填入 1S 軌域而放出。 (b) Cu 之 X-ray 2-2 X-ray 繞射： 在 X-ray 被發現的時代，人們對於固體的內部結構所知甚少。然而 晶體外部的規則形狀使科學家相信其內部結構亦有規則性。德國物理學 家Laue 推測假使晶體確定由規則排列的原子所組成，則晶體應可作用成 三度空間的光柵，而具有將短波長輻射繞射的能力。此現象引發了布拉 格父子的興趣，並成功的運用 X-ray 繞射決定一些晶體結構。布拉格並不 以三度空間光柵之觀點考慮X-ray 繞射，而是基於 X-ray被原子平面反射 的觀點設想出一更簡單的處理方式。如圖 15所示，一單色 X-ray 以一θ 角度入社於一晶體表面， A 、B代表一組間距為 d的兩晶面。當兩反射線 18 1’和 2’之路徑差等於波長λ或其倍數時，會產生建設性干涉。如此 X-ray 繞射之條件為： 2dsin θ=n λ xy = yz = d sinθ Therefore, xyz = 2 d sinθ xyz = n λ 2 d sinθ= n λ 圖 15 、符合Braggs law 之繞射示意圖 2-3數據的收集 常見的繞射技巧是使用由許多細小且方向雜亂顆粒所組成的粉末 暴