1、材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎2022-4-41/32材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎2/322022-4-4Chapter 3 X-Ray Diffractometry第三章第三章 X X射線衍射分析射線衍射分析Reference:1. R. Jenkins, R.L. Snyder. X-Ray Powder Diffractometry.2. 王培銘、許乾慰王培銘、許乾慰. 材料研究方法材料研究方法材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎3/322022-4-4本章內容、重點和難點

2、本章內容、重點和難點p X射線的物理基礎，射線的物理基礎，X射線衍射原理（布拉格射線衍射原理（布拉格方程），樣品制備及實驗方法，方程），樣品制備及實驗方法，XRD在材料研究在材料研究中的應用中的應用；p 重重點是點是X射線的產生，射線的產生，XRD中的布拉格方程及中的布拉格方程及其在材料研究中的應用；其在材料研究中的應用； p 難點是難點是X射線與物質的相互作用，射線與物質的相互作用，XRD在材料在材料研究中的實驗設計和實驗技巧。研究中的實驗設計和實驗技巧。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎4/312022-4-4X X射線的歷史射線的歷史p 1895 18

3、95年，著名的德國物理學家倫琴發現了年，著名的德國物理學家倫琴發現了X X射線；射線；p 1912 1912年，德國物理學家勞厄等人發現了年，德國物理學家勞厄等人發現了X X射線在晶體射線在晶體中的衍射現象，確證了中的衍射現象，確證了X X射線是一種電磁波。射線是一種電磁波。p 1912 1912年，英國物理學家年，英國物理學家BraggBragg父子利用父子利用X X射線衍射測定射線衍射測定了了NaCINaCI晶體的結構，從此開創了晶體的結構，從此開創了X X射線晶體結構分析的射線晶體結構分析的歷史。歷史。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎5/322022

4、-4-41. X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；射線是一種電磁波，具有波粒二象性；2. X射線的波長：射線的波長： 102 102 3. X射線的射線的 （ ）、振動頻峰）、振動頻峰 和傳播速度和傳播速度C （ms-1）符合）符合 = c / (3-1) X X射線的性質射線的性質材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎6/322022-4-44. X 射線可看成具有一定能量射線可看成具有一定能量 E、動量、動量 P、質量、質量 m 的的 X 光流子光流子 E = hv （3-2） P = h / （3-3） h 為普朗克常數，為普朗克常數，h = 6.6261

5、76 10-27爾格，是爾格，是1900年年普朗克在研究黑體輻射時首次引進，它是微觀現象量子特普朗克在研究黑體輻射時首次引進，它是微觀現象量子特性的表征。性的表征。X X射線的性質射線的性質材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎7/322022-4-4q X X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙及許多射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙及許多對于可見光不透明的物質；對于可見光不透明的物質；q X X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光。射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光。在通過一些物質時，使物質原子中的外層電子發生躍在通過一些物質時，使物質原子中的外

6、層電子發生躍遷發出可見光；遷發出可見光；q X X射線能夠殺死生物細胞和組織，人體組織在受到射線能夠殺死生物細胞和組織，人體組織在受到X X射線的輻射時，生理上會產生一定的反應。射線的輻射時，生理上會產生一定的反應。X X射線的性質射線的性質材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎8/312022-4-4X X 射線的產生射線的產生高速運動的電子流高速運動的電子流 射線射線X 射線射線中子流中子流高能高能輻射流輻射流在突然被減速時在突然被減速時均能產生均能產生X射線射線材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎9/322022-4-4

7、X X 射線管射線管圖圖3-3 X射線管示意圖射線管示意圖材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎10/322022-4-4材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎11/322022-4-4 X X射線機射線機圖圖3-2 X射線機的主要線路圖射線機的主要線路圖材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎12/322022-4-4 X X射線管的工作原理射線管的工作原理X射線管射線管電子槍：產生電子并將電子束聚焦，電子槍：產生電子并將電子束聚焦，鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出

8、自由電子。熱放出自由電子。金屬靶：發射金屬靶：發射x射線，陽極靶通常射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點較高的金屬材料制由傳熱性好熔點較高的金屬材料制成，如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。成，如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎13/322022-4-4 X X射線管的工作原理射線管的工作原理 整個整個X射線光管處于真空狀態。當陰極和陽極之射線光管處于真空狀態。當陰極和陽極之間加以數十千伏的高電壓時，陰極燈絲產生的電子在間加以數十千伏的高電壓時，陰極燈絲產生的電子在電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經高速電電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經高

9、速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產生子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產生X射線，這些射線，這些X射射線通過用金屬鈹（厚度約線通過用金屬鈹（厚度約0.2mm）做成的）做成的x射線管窗射線管窗口射出，即可提供給實驗所用。口射出，即可提供給實驗所用。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎14/312022-4-4x x 射線譜射線譜連續譜連續譜： 強度隨波長連續變化的連續譜。強度隨波長連續變化的連續譜。 （見圖（見圖3-6）特征譜特征譜：波長一定、強度很大的特征波長一定、強度很大的特征譜特征譜只有當管電壓超過一定值譜特征譜只有當管電壓超過一定值Vk（激發電壓）時才會產生，只取

10、決于光（激發電壓）時才會產生，只取決于光管的陽極靶材料，不同的靶材具有其特管的陽極靶材料，不同的靶材具有其特有的特征譜線。有的特征譜線。特征譜線又稱為標識譜，即可以來標識特征譜線又稱為標識譜，即可以來標識物質元素。（見圖物質元素。（見圖3-7）x x射射線線譜譜材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎15/322022-4-4連續連續X X射線譜射線譜圖圖3-6 各管電壓下各管電壓下W的連續譜的連續譜材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎16/322022-4-4連續連續X X射線譜射線譜p X 射線連續譜的強度隨著射線連續譜的強度

11、隨著X射線管的管電壓射線管的管電壓增加而增大，最大強度所對應的波長增加而增大，最大強度所對應的波長 max 變變小，最短波長界限小，最短波長界限 0 減小；減小；p 連續譜中接近最短波長處的輻射較多。連續譜中接近最短波長處的輻射較多。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎2022-4-4連續譜的經驗公式可表達為：連續譜的經驗公式可表達為：（3-7）C為常數，為常數，Z為陽極材料的原子序數。為陽極材料的原子序數。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎18/322022-4-4特征特征X X射線射線圖圖3-7 Mo靶靶X光管發出光管發

12、出X光譜強度（光譜強度（35kV時時）材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎19/322022-4-4原子結構殼層理論原子結構殼層理論 高能電子撞擊陽極靶時，會將陽極物質原子中高能電子撞擊陽極靶時，會將陽極物質原子中K層層電子撞出電子殼層，在電子撞出電子殼層，在K殼層中形成空位，原子系統殼層中形成空位，原子系統能量升高，使體系處于不穩定的激發態，按能量最低能量升高，使體系處于不穩定的激發態，按能量最低原理，原理，L、M、N一層中的電子會躍人一層中的電子會躍人K層的空位，為層的空位，為保持體系能量平衡，在躍遷的同時，這些電子會將多保持體系能量平衡，在躍遷的同時，這

13、些電子會將多余的能量以余的能量以X射線光量子的形式釋放。射線光量子的形式釋放。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎20/322022-4-4材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎21/322022-4-4K K 系標識系標識X X射線：射線： 對于從對于從L，M，N 殼層中的電子躍入殼層中的電子躍入 K 殼層空位時所釋放的殼層空位時所釋放的X射線，分別稱之為射線，分別稱之為K 、 K 、 K 譜譜線，共同構成線，共同構成K系標識系標識X射線。射線。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎22/322

14、022-4-4 產生物理、化學和生化作用，引起各種效應，如：產生物理、化學和生化作用，引起各種效應，如：p 使一些物質發出可見的熒光；使一些物質發出可見的熒光；p 使離子固體發出黃褐色或紫色的光；使離子固體發出黃褐色或紫色的光；p 破壞物質的化學鍵，使新鍵形成，促進物質的合破壞物質的化學鍵，使新鍵形成，促進物質的合成成p 引起生物效應，導致新陳代謝發生變化；引起生物效應，導致新陳代謝發生變化；p X射線與物質之間的物理作用，可分為射線與物質之間的物理作用，可分為X射線散射射線散射和吸收。和吸收。X X射線與物質的作用射線與物質的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的

15、物理基礎23/322022-4-4圖圖3-8 X3-8 X射線與物質作用示意圖射線與物質作用示意圖X X射線與物質的作用射線與物質的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎2022-4-424/31X X射線與物質的作用射線與物質的作用X射線的吸收射線的吸收 設入射設入射X射線強度為射線強度為I0，透過厚度為，透過厚度為d的物的物質后強度為質后強度為I，I I0,在被照射的物質中取在被照射的物質中取一深度為一深度為X處的小厚度元處的小厚度元dX，照到此小厚，照到此小厚度元上的度元上的X射線強度為射線強度為Ix，透過此厚度元，透過此厚度元的的X射線強度為射線強度

16、為Ix十十dx，則強度的改變為：，則強度的改變為：圖圖3-6 X光減弱規律的圖示光減弱規律的圖示 L為線吸收系數（為線吸收系數（cm-1)，與入射，與入射X射線束的波長及被照射物質的元素射線束的波長及被照射物質的元素組成和狀態有關。組成和狀態有關。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎25/312022-4-4X射線通過整個物質厚度的衰減規律：射線通過整個物質厚度的衰減規律： I / I0 = e - L d式中式中 I/I0 稱為稱為 X 射線穿透系數，射線穿透系數， I/I0 1。 I/I0 愈小愈小,表示表示x射線被衰減的程度愈大。射線被衰減的程度愈大。X

17、 X射線與物質的作用射線與物質的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎26/322022-4-4相關概念及物理意義相關概念及物理意義X X射線穿透系數：射線穿透系數： I/I0 ， I/I0愈小愈小,表示表示x射線被衰射線被衰減的程度愈大。減的程度愈大。線吸收系數線吸收系數， L：就是當：就是當X 射線透過單位長度射線透過單位長度（1cm）物質時強度衰減的程度）物質時強度衰減的程度, L值愈大，則值愈大，則強度衰減愈快。強度衰減愈快。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎27/322022-4-4 質量吸收系數質量吸收系數 m

18、：是單位質量物質（單位截面：是單位質量物質（單位截面的的1g物質）對物質）對X射線的衰減程度，其值的大小與溫射線的衰減程度，其值的大小與溫度、壓力等物質狀態參數無關，但與度、壓力等物質狀態參數無關，但與X射線波長及射線波長及被照射物質的原子序數有關。被照射物質的原子序數有關。 m = m / 為被照射物質的密度為被照射物質的密度相關概念及物理意義相關概念及物理意義材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎28/312022-4-4X射線的物理基礎射線的物理基礎質量吸收系數具有加和性：質量吸收系數具有加和性：相關概念及物理意義相關概念及物理意義材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎29/312022-4-4元素的質量系數元素的質量系數 m是所用輻射波長及元素的原子序數的函數。是所用輻射波長及元素的原子序數的函數。吸收與波長及原子序數的關系吸收與波長及原子序數的關系A、b為常數，與吸收物質有關。為常數，與吸收物質有關。Z 為元素的原子序數為元素的原子序數材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射線的物理基礎射線