《材料科学研究方法》教学课件合集（非AI生成）.pptx

第二章X射线物理基础;;1.1X射线的历史;1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。;1913年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCI晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。;1913—1914年，莫塞莱（H.G.J.Moseley）发现了原子序数与发射X射线的频率之间的

关系—莫塞莱定律，并最终发展成为X射线发射光谱分析（电子探针）和X射线荧光分析。

1916年，德拜（P.Debye）、谢乐（P.Scherrer）提出采用多晶体试样的“粉末法”，给X射线衍射分析带来了极大方便。

1928年，盖革（H.Geiger）、弥勒（W.Müller）首先用计数器来记录X射线，这种方法导致衍射仪的产生，并于20世纪50年代起获得普遍使用。;1.1X射线的产生;;X射线产生装置示意图;X射线管;X射线管的工作原理;X射线管的工作原理;产生X射线的条件：;1.X射线本质上是一种电磁波，具有波粒二象性；

X射线的波长：10－3~10nm

X射线晶体结构分析0.05~0.25nm，材料探伤0.005~0.1nm.

;4.X射线可看成具有一定能量E、动量P、质量m的X光量子

E=h?或E=hc/?

P=h/?

h为普朗克常数，h=6.626176?10-34J.s，是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特性的表征。;X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸

及许多对于可见光不透明的物质；

X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片

感光。在通过一些物质时，使物质原子中的

外层电子发生跃迁发出可见光；

X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织

在受到X射线的辐射时，生理上会产生一定

的反应。;1.4X射线谱;1.4.1连续X射线谱;电子与阳极靶碰撞产生光子，光子的能量hν应小于或最多等于电子的能量eV。故光子有频率上限νmax或短波限λ0：;大多数高速电子与阳极靶撞击时，其部分能量消耗于对阳极靶的各种激发，而且有的电子需经多次碰撞才能激发出光子，或一个电子激发出多个光子，故大多数Ｘ射线的能量小于电子能量，即大多数Ｘ射线的波长大于短波限λ0，???而形成了连续Ｘ射线谱。;连续谱的X射线强度分布经验公式可表达为：;可见，连续谱的总强度与管流强度、靶的原子序数及管压的平方成正比。

Ｘ射线管的效率：η定义为Ｘ射线强度与Ｘ射线管功率的比值：;1.4.2特征X射线;两个强度特别高的窄峰为钼的Ｋ系Ｘ射线，分别称为Kα和Kβ射线，强度比约为5∶1。

Kα又可分为Kα1和Kα2两条线，其波长差约为0.0004nm，强度比约为2∶1。

在通常的Ｘ射线衍射中，一般均采用强而窄的Kα谱线。;特征谱的理论解释：原子结构壳层理论;对于从L，M，N…壳层中的电子跃入K壳层空位时所释放的X射线，分别称之为K?、K?、K?…谱线，共同构成K系标识X射线。;特征Ｘ射线的规律：;b.不同阳极靶元素的特征谱波长不同，阳极靶元素的原子序数Z与特征谱波长λ之关系为：

其中Ｋ和σ均为常数。这个关系式就是著名的莫塞莱定律。莫塞莱定律已成为现代X射线光谱分析法的基础

;原子序数Z与特征谱线波长λ之间的关系;管流和管压的增加只增强特征射线的强度，不改变波长。管流Ｉ和管压V与特征射线强度Ｉ特的关系为：;1.5X射线与物质的相互作用;相干散射：Ｘ射线是一种波长很短的电磁波，当它射到物质上时，Ｘ射线周期性变化的电磁场便与物质中的原子相互作用，迫使原子中的电子和原子核围绕其平衡位置振动，因原子核质量比电子大得多，原子核的振动可忽略不计，故主要是电子的振动。这些原子就成了新的电磁波波源，以球面波方式，向四周散射波长与入射Ｘ射线相同、位相差恒定的散射Ｘ射线，这种现象称为经典散射，又称为相干散射。

相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。;在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，由一个电子引起的散射Ｘ射线的强度符合汤姆逊公式：;a.不同方向散射波的强度不同，在入射方向（2θ=0o）上强度最强，在入射线垂直方向（2θ=90o）上强度最弱。

b.散射波强度与入射波频率或波长无关

c.散射强度与R的平方成反比，即