第二章X射線的產(chǎn)生與性質(zhì)

1、第二章 X射線的產(chǎn)生與性質(zhì) 緒 論一X射線實驗技術(shù)的發(fā)展概況    1895年，德國物理學(xué)家倫琴（W.K.Rontgen)，作陰極射線實驗時，發(fā)現(xiàn)了一種不可見的射線，由于當(dāng)時不知它的性能和本質(zhì)，故稱X射線，也稱倫琴射線。    1909年，巴克拉（Barkla)利用X射線，發(fā)現(xiàn)X射線與產(chǎn)生X射線的物質(zhì)（靶）的原子序數(shù)（Z）有關(guān)，由此發(fā)現(xiàn)了標(biāo)識X射線，并認為此X射線是原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生。    19081909年，德國物理學(xué)家Walte.Pohl，將X射線照金屬（相當(dāng)于光柵）

2、，產(chǎn)生了干涉條紋。    1910年，Ewald發(fā)現(xiàn)新散射現(xiàn)象，勞埃由此得出：散射間距（即原子間距）近似于1A數(shù)量級。    1912年，勞埃提出非凡預(yù)言：X射線照射晶體時，將產(chǎn)生衍射。隨后，為解釋衍射圖象，勞埃提出了勞埃方程；    1913年，布拉格父子導(dǎo)出了簡單實用的布拉格方程；隨后，厄瓦爾德把衍射變成了圖解的形式：厄瓦爾德圖解    19131914年，莫塞萊定律的發(fā)現(xiàn)，并最終發(fā)展成為X射線光譜分析及X射線熒光分析。 

3、   X射線衍射理論已基本完善，是一門相當(dāng)成熟的學(xué)科，而X射線衍射技術(shù)仍在不斷發(fā)展，近年來，發(fā)展尤為顯著，其主要方面和原因有：    （1）新光源的發(fā)明：轉(zhuǎn)靶、同步輻射、X射線激光、X射線脈沖源，高效率、強光源，使測量精度提高4個數(shù)量級。    （2）新的探測器：由氣體探測器到固體探測器，高分辨率、高靈敏度，使測量提高2個數(shù)量級。    （3）新的數(shù)據(jù)記錄及處理技術(shù)：高度計算機化      

4、60;  a. 實驗設(shè)備、實驗數(shù)據(jù)全自動化；        b. 數(shù)據(jù)分析計算程序化；         c. 衍射花樣的計算機模擬。 二X射線分析在金屬材料領(lǐng)域中的主要應(yīng)用     物相分析    點陣常數(shù)的精確測定    織構(gòu)的測定    此外還有：晶粒大小

5、的測定，應(yīng)力測定等等。 第二章 X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)（即X射線物理學(xué)）重點：X射線的電磁波本質(zhì)；兩種X射線譜的成因及其實驗規(guī)律；X射線與物質(zhì)（試樣）相互作用的物理效應(yīng)及意義。（首先對探測所用的輻射進行了解，然后對探測對象晶體進行了解）第一節(jié) X射線的本質(zhì) 1. 性質(zhì) 1895年德國物理學(xué)家倫琴（W.K.Rontyen）在研究陰極射線時，發(fā)現(xiàn)一種新的射線。后人為紀(jì)念發(fā)現(xiàn)者，稱之為“倫琴射線”。倫琴在實驗室的發(fā)現(xiàn)表明：X射線是用人的肉眼不可見的，但能使某些物質(zhì)（鉑氰化鋇）發(fā)出可見熒光；具有感光性，能使照相底片感光；具有激發(fā)本領(lǐng)，使氣體電離。X射線沿直線傳播，經(jīng)過電場時不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；具有很強的

6、穿透能力，波長越短，穿透物質(zhì)的能力越大；與物質(zhì)能相互作用。另外，X射線通過物質(zhì)時可以被吸收，使其強度衰減，偏振化即經(jīng)物質(zhì)后，某些方向強度強，某些方向弱；能殺死生物細胞，實驗中要特別注意保護。1.2 本質(zhì)X射線是一種電磁波，有明顯的波粒二象性 X射線的波長為 =10-10cm10-6cm，即或更短。X射線在空間傳播具有粒子性，或者說X射線是由大量以光速運動的粒子組成的不連續(xù)的粒子流。這些粒子叫光量子，每個光量子具有能量或第二節(jié) X射線的產(chǎn)生和設(shè)備 2.1 X射線的產(chǎn)生條件 實驗證明，高速運動著的電子突然被阻止時，伴隨著電子動能的消失或轉(zhuǎn)化，會產(chǎn)生X射線。因此，要獲得X射線，必須滿足以下條件：產(chǎn)生

7、并發(fā)射自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；在真空中（一般為10-6mmHg），使電子作定向的高速運動；在高速電子流的運動路程上設(shè)置一障礙物（陽極靶），使高速運動的電子突然受阻而停止下來。這樣，靶面上就會發(fā)射出X射線。上述條件構(gòu)成了X射線發(fā)生裝置的基本原理，如圖2-3所示。圖2-3 X射線發(fā)生裝置 2.2 X射線的工作原理及結(jié)構(gòu)2.2.1 X射線管基本工作原理 高速運動的電子與物體發(fā)生碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1%左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線的能量產(chǎn)生X射線，其中絕大部分能量（約左右）轉(zhuǎn)變成熱能使物體（靶）溫度升高。2.2.2 X射線管的基本構(gòu)造圖2-4

8、 X射線管示意圖 X射線管有一個上限的使用額定功率，它是由陰陽極之間的加速電壓（又稱管電壓）和陰極可能提供的電子束流（又稱管電流）所決定。2.2.3 特殊結(jié)構(gòu)的X射線管 旋轉(zhuǎn)陽極X射線管：采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ龟枠O高速旋轉(zhuǎn)，這樣，可使靶面受電子轟擊的部位焦斑隨進改變，有利于散熱，可以提高X射線管的額定功率幾倍到幾十倍。細聚焦X射線管：在X射線管陰陽極之間，添加一套靜電透鏡或電磁透鏡，使陰極發(fā)射的電子束聚焦在陽極上，焦斑只有幾個微米到幾十微米。雖然電子束流減小，但因焦斑小，單位焦斑面積發(fā)射的X射線強度增加。這種X射線管，除了可以縮短拍攝照片得到極細的X射線束，有利于提高結(jié)構(gòu)分析的精度。2.3

9、 X射線探測與防護 因X射線是人類肉眼看不見的射線，必須使用專門的設(shè)備和儀器進行間接探測。探測X射線的主要儀器設(shè)備是：熒光屏、照相底片和探測器等。過量的X射線對人體會產(chǎn)生有害影響。且影響程度取決于X射線的強度，波長和人體的受害部位。操作調(diào)試時，要嚴(yán)格遵守安全條例，注意采取防護措施，要特別注意不要讓的或身體的其它部位直接暴露在X射線束照射之中。第三節(jié) X射線譜X射線譜：即X射線強度I隨波長而變化的關(guān)系曲線。X射線強度：單位時間內(nèi)，通過垂直于X射線傳播方向的單位面積的X射線總能量，以J/cm2·s為單位。且3.1 連續(xù)X射線譜實驗表明：特定的陽極材料，在某特定管壓以下，產(chǎn)生連續(xù)譜強度隨波

10、長連續(xù)變化，即在強度可測范圍內(nèi)，包含各種不同的波長，叫連續(xù)譜，又叫白色譜或多色譜。3.1.1實驗規(guī)律 連續(xù)X射線譜上有一個強度最大值，并在短波方向有一波長極限，稱為短波限0。隨管電壓增大，強度I普遍增大，短波限向短波方向移動，即0減小；強度最高的射線波長為m減小。即隨V增大，整個曲線向左上方移動。管壓V和管電流I保持一定的條件下，當(dāng)陽極物質(zhì)改變時，隨陽極物質(zhì)的原子序數(shù)Z增大，各種波長的相對強度I增高，整個曲線向上方移動，但其0、m均不變。由此可知：0、m的數(shù)值與陽極材料的種類無關(guān)，只與加速電壓有關(guān)。 3.1.2 形成機制經(jīng)典電動力學(xué)闡明：任何微對帶電粒子，得到加速度時，其周圍的電磁場急劇變化，

11、向周圍輻射電磁波。射線管中，高速運動的陰極電子到達陽極表面時，受到幾萬伏的加速，具有相當(dāng)大的動能幾萬電子伏特eV，由于陽極阻止，產(chǎn)生極大的負加速度，動能轉(zhuǎn)換為熱能和射線電磁波能量。 從量子理論的觀點來分析，電子被陽極靶突然制止時，其動能的一部分將轉(zhuǎn)化為一個或幾個射線光子，其余部分將轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)一個電子的動能毫無損失地全部轉(zhuǎn)化為一個射線光子時，光子的能量： 光子達到了最高的能量，最大的頻率和最短的波長。即得到短波限公式： 但是絕大多數(shù)高速電子與陽極靶撞擊時，它的部分能量p要消耗于高速電子的全部內(nèi)能上，所以轉(zhuǎn)化為射線光子的能量小于高速電子的全部能，即： heV-p 另外，一個電子的能量也可能轉(zhuǎn)化

12、為幾個光子或分幾次轉(zhuǎn)化，這都說明大部分輻射波長0，即012.4/并呈連續(xù)的分布，也就是構(gòu)成了連續(xù)射線譜。 3.2 標(biāo)識X射線譜 即迭加于連續(xù)譜上，具有特定波長的X射線譜，又稱單色X射線譜。在一個X射線管中，保持管電流不變，使管電壓逐漸增加，管電壓被提高到某一定的臨界值以后（激發(fā)電壓），便會在一定的波長處出現(xiàn)尖銳的強度上限疊加在連續(xù)光譜上，由于這些譜線非常狹窄，又由于它們的波長為制靶金屬的特征，因此稱之為特征譜線。見圖1-5，有兩個強度特別高的窄峰稱為K系X射線。波長較短的是K射線，波長較長的是K射線，K又可細分為K1和K2兩條線，有強度比K1K2=21，KK=51當(dāng)用原子序數(shù)較高的金屬作陽極靶

13、時，除有K系射線外，還得到L、M等系特征X射線。 在通常的X射線衍射工作中，一般均采用強而窄的K譜線。 當(dāng)繼續(xù)提高電壓時，各特征X射線的強度不斷提高，但其波長K、K不變。 3.2.1 實驗規(guī)律（以K系為例）根據(jù)實驗結(jié)果證明： 存在一臨界電壓VK，當(dāng)V工作Vk，eVeVk時，則產(chǎn)生標(biāo)識譜。不同的陽極物質(zhì)，有不同的標(biāo)識譜，即不同的激發(fā)電壓，這由陽極靶的原子序數(shù)決定。 當(dāng)管電壓超過Vk而進一步升高時，K系特征X射線的波長不變，而強度按n次方的規(guī)律增大，即波長不因外界條件而變，工作電壓V工作只改變強度I，不改變K、K1、K2的值。 且 I標(biāo)=Ki(V-Vk)n式中：I為管電流；V為管電壓；Vk為激發(fā)電

14、壓，由陽極靶所決定；n 為常數(shù)，約為1.52；K為比例常數(shù)，與特征X射線的波長有關(guān)。 不同陽極材料，有不同的標(biāo)識譜波長，即對某一特定材料，具有波長恒定的標(biāo)識譜。遵循莫塞來定律（X-ray成分分析基礎(chǔ)） 其中：某系標(biāo)識射線的波長；c為常數(shù)；：屏蔽常數(shù)。3.2.2 標(biāo)識譜產(chǎn)生機制 原子內(nèi)層電子轉(zhuǎn)移任何物質(zhì)，原則上說，不管外界激發(fā)因素是由電子、中子、X光子等，一旦激發(fā)能達到或超過物質(zhì)的結(jié)合能，就有標(biāo)識X射線產(chǎn)生，而這種射線又是物質(zhì)屬性的標(biāo)志?？梢?，其產(chǎn)生機制必與原子內(nèi)層電子遷移密切相關(guān)。高能陰極電子激發(fā)靶原子，使K電子躍入外層軌道或原子之外而形成K空位，能量升高，原子處于亞穩(wěn)態(tài)，此X射線波長由原子能

15、級結(jié)構(gòu)決定。(1)由于K層電子被激發(fā)，并接著由其它高能級的外殼層電子躍入而產(chǎn)生的特征X射線稱為K系射線。 由于各殼層電子能量不同，輻射出的特征X射線的波長、也各不相同。(2)不同原子（如Fe、Cu、W），其原子能級結(jié)構(gòu)不同。標(biāo)識不同 (3)由于L層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征X射線稱L系射線，其它類推 第四節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實質(zhì)：電磁波與電子的相互作用意義：可用于結(jié)構(gòu)分析、成分分析、解釋實驗現(xiàn)象、選擇實驗條件、避免不利影響的發(fā)生。實驗證明：X射線經(jīng)過物質(zhì)后，I0I+散射+吸收，從能量角度看，W入射W穿透+W散射+W吸收=W穿透+W衰減4.1 X射線的衰減規(guī)律  實驗證明，

16、當(dāng)X射線透過物質(zhì)時，其強度將被衰減，衰減程度隨物質(zhì)的厚度不同而呈指數(shù)規(guī)律變化。如圖，假定入射線束的強度為I0，通過厚度為H的物質(zhì)后勤部，強度被衰減為IH， 線衰減系數(shù)：表示單位體積物質(zhì)對X射線強度的衰減程度，與物質(zhì)密度成正比，單位為長度的倒數(shù)（m-1、cm-1等）上式又可寫成： m 質(zhì)量衰減系數(shù)。表示單位重量物質(zhì)對X射線強度的衰減程度。單位：cm2/g，與無關(guān)?；旌衔锏馁|(zhì)量衰減系數(shù)：（化合物、混合物、合金或溶液） （物相定量分析） Wj：各物相的重量分?jǐn)?shù)，或元素的重量分?jǐn)?shù)。 mj：相應(yīng)的物相的質(zhì)量吸收系數(shù)。4.2 X射線的散射 X射線的散射是物質(zhì)中電子成為了波源，產(chǎn)生次級X射線的過程，它又分為

17、相干散射和非相干散射。4.2.1 相干散射（經(jīng)典散射）X射線是電磁波，當(dāng)它通過物質(zhì)時，在入射線的交變電場的作用下（交變磁場的影響很小，忽略不計），物質(zhì)中原子的電子將被迫圍繞其平衡位置發(fā)生振動，振動頻率與入射X射線的頻率相同。根據(jù)電磁波輻射理論可知，振動的電子相當(dāng)于一個振動的偶極子，而一偶極子必然向其四周發(fā)射與其振動頻率相同的電磁波，即發(fā)射與入射線頻率相同的電磁波。這樣，就相當(dāng)于電子將入射X射線散射到四周。這種散射X射線的波長、頻率均與入射線相同，各散射線間可以有固定的位相差，在相同的傳播方向上可以發(fā)生干涉現(xiàn)象，故稱為相干散射，又稱為經(jīng)典散射。4.2.2 非相干散射 X射線射入到物質(zhì)中，有可能與

18、物質(zhì)中束縛較弱的電子發(fā)生碰撞，碰撞過程中，被碰撞的電子從入射X射線光量子上獲得一部分能量，因而改變了電子本身的運動狀態(tài)，這部分電子稱為反沖電子，而入射X射線將一部分能量傳遞給反沖電子，損失了部分能量，因而引起了其振動頻率降低，波長變長，并改變了其運動方向。這個現(xiàn)象就是非相干散射。它滿足動量守恒和能量守恒條件，是彈性碰撞。4.3 X射線吸收：（即所有電子躍遷引起的吸收）指X射線能量在通過物質(zhì)時，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，有時又稱為真吸收。光電效應(yīng)吸收限的產(chǎn)生機制當(dāng)激發(fā)二次特征輻射時，原入射X射線光子的能量被擊出的電子所吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮觿幽芏闺娮右莩鲈又?，同時輻射出次級標(biāo)識X射線。這種電子稱為光電子，輻射出的次級標(biāo)識X射線稱為熒光X射線。此時的吸收稱為真吸收。這一激發(fā)和輻射的過程又稱光電作用或光電效應(yīng)。與前述X標(biāo)識譜產(chǎn)生機制類似，當(dāng)外來