第一章X射線物理學基礎第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一本門課是一門實驗方法課。實驗：檢驗性的，驗證性的；試驗：探索性的，研究性的。有關材料分析的實驗方法課。前言第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一一、分析什么內容使用效能性能組成與結構合成與制備工藝第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一其中加工工藝、組成結構對材料的性能都有著很直接的、重要的影響。每一方面，以后都有專門的課程進行講述。這門課里面，我們主要學習怎樣分析或研究材料的組成與結構，或說用什么方法來研究。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一組成與結構1、組成相組成（物相組成，物相分析）相：材料中化學組成、結構均勻一致，且物理化學性質相同的某個區域。物相分析的研究對象是相（物相），較為宏觀。化學組成（化學分析）化學分析的研究對象是原子、分子，較為微觀。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一a)物相分析包括物相的定性分析，定量分析。如陶瓷中的晶相、玻璃相，鐵碳合金中的鐵素體與滲碳體。b)化學分析現代分析通常指微區的化學成分分析。微區：即顯微區域，如納米級別區域內的化學成分分析。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2、結構晶體結構與缺陷（晶胞參數、晶型、位錯、層錯等）。晶粒形狀與大小（粒狀、柱狀等）。晶界等等。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一二、用什么方法來研究1、傳統方法是無法滿足現在的研究需求的。光學顯微鏡：分辨率低，放大倍數小，且只能觀察表面形貌，不能觀察內部組織結構。化學分析：只能作平均的化學成分分析，不能作微區分析。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2、本課要學的則是一些現代的研究方法，基本能夠滿足現代研究的需求，主要有：1）X射線衍射（XRD）：晶體結構，晶胞參數，材料中的物相定性及定量分析。2）透射電鏡（TEM）：觀察材料內部組織結構與形態。3）掃描電鏡（SEM）：觀察材料外部形貌。4）電子探針（EPMA）：分析微區化學成分。5）其它：如俄歇能譜（AES），紅外光譜（IR）等。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第一章X射線物理學基礎X射線的發現：1、1895年，倫琴發現，高速電子撞擊物體時，會產生一種輻射，由于不知其性質，故稱為X射線。2、當時發現的特點：肉眼不可見，穿透性強，且可使相機底片感光。第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一李鴻章在X光被發現后僅7個月就體驗了此種新技術，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一3、1912年，德國勞厄發現了X射線在膽礬晶體中的衍射現象，從而確認了X射線是一種電磁波。4、同年不久，英國布拉格父子首次利用X射線衍射方法測定了NaCl的晶體結構，開創了X射線晶體結構分析的歷史。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一X射線衍射分析：利用X射線通過晶體產生的衍射現象，收集晶體對X射線的衍射線，進行物相成分、結構的分析。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一X射線衍射分析第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一一、X射線的性質1、是一種電磁波，與其它電磁波及微觀粒子一樣，具有波粒二象性。2、波長越在0.01～10nm范圍內，肉眼不可見。（λ、ν，波動性）3、具有一定的能量，能使熒光屏發光，使底片感光，還可使氣體電離。（E、P，粒子性）每個光子的能量：每個光子的動量：第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一4、沿直線傳播，在電磁場中發生偏轉。5、穿透力強，能穿過可見光不能穿過的物質。6、X射線對生物體有嚴重的損傷作用。7、X射線通過晶體要產生衍射。這是本篇內容采用的主要性質。采用不同的信號則產生不同的分析方法。如：

X射線衍射分析（XRD）

X射線熒光光譜分析（XRF）

X射線光電子能譜分析（XPS）第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一二、X射線的產生1、X射線機與X射線管結構實驗室所用X射線通常由X射線機產生。X射線機基本結構：X射線管，高壓變壓器，電壓、電流的調節穩定系統等。X射線管為X射線機核心部件，種類很多。目前小功率的都使用封閉式電子X射線管，而大功率X射線機則使用旋轉陽極靶的X射線管。通常使用封閉式熱陰極X射線管。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一冷卻水靶（陽極）銅X射線X射線真空鎢絲玻璃管座（接變壓器）鈹窗聚焦罩封閉式X射線管第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

電子束X射線高功率旋轉陽極第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一封閉式熱陰極X射線管基本結構及特點1）高真空。防氧化，并保證熱電子的自由運動。2）熱陰極（燈絲），通常由繞成螺線形的鎢絲制成。3）板狀陽極（靶）常用靶材：Fe，Co，Ni，Cu，Ag，W4）其它部件：金屬聚焦罩（電子束聚焦），窗口（材質為鈹、鋁、輕質玻璃等。）第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2、X射線機工作原理220V交流電通過調壓、整流等過程，以負高壓形式加到熱陰極上。熱陰極上由熾熱燈絲發出熱電子，在高壓作用下高速撞向陽極，這時就產生X射線。X射線從窗口發射出來，就可供實驗使用。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一三、X射線譜從X射線管發出的X射線并不是單一波長的X射線，而是包含包含許多不同波長的X射線。如我們對得到的X射線進行處理，得到類似這樣一個波長與強度關系的圖譜（圖a）。第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一X射線譜X射線譜指的是X射線強度I隨波長λ變化的關系曲線。X射線的強度大小決定于單位時間內通過與X射線傳播方向垂直的單位面積上的光量子數。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一1）連續X射線譜：指從某個最短波長λSWL(短波限)開始的連續的各種不同波長的X射線譜。2）特征X射線譜（標識X射線譜）：由若干條特定波長的譜線構成。其波長與管電壓、管電流等條件無關，而只與陽極材料有關，故稱特征X射線譜，作為陽極材料的特征與標識。第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一1、連續X射線譜1）基本原理基本原理：任何高速運動的帶電粒子突然減速時，都會產生電磁輻射。產生過程：從熱陰極發出的熱電子以極高速度撞向陽極并突然遏止時，其所帶能量大部分轉變為熱能而損耗，還有一部分動能就以電磁輻射——X射線的形式釋放出來。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一具體思考：a、熱能損耗表現；b、為何此時產生的是連續X射線譜？c、為何存在短波限？第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2）短波限的計算存在短波極限，對應于能量為eV的電子將能量全部轉換為光量子的能量。管電壓越高，λmin越短。陽極的原子序數一定,管電流一定第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2、特征X射線譜（標識X射線譜）1）產生原理與過程產生原理：原子內層電子的激發和躍遷。產生過程：（以K系激發為例）第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一特征X射線譜NMKLKγKαKβLαLβK系激發L系激發

在原子內固定殼層上的電子具有特定能量。當外加能量足夠大時，可將內層電子激發出去，形成一個內層空位。外殼層的電子躍遷到內層，多余的能量以X射線形式放出。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一激發：高電壓作用下，熱陰極的電子高速撞向陽極，當管電壓高于某一臨界值UK，電子動能足以將K層電子撞擊出來成為自由電子，于是K層形成一個空位，此過程稱為激發。趨勢：由于K層出現空位，原子處于高能不穩定狀態。由能量最低原理，電子有盡量往低能級填充的趨勢。躍遷：當K層出現空位，L、M、N層電子都有可能躍入此空位，其能量差就以X射線形式輻射出來，此即特征X射線或標識X射線。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2）特征波長（頻率）計算莫塞萊定律：莫塞萊對特征譜經過研究，發現這樣的規律：

：波長;K：與主量子數、電子質量和電子電荷有關的常數;Z：靶材原子序數;

：屏蔽常數第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一其中可見K2與躍遷情況有關。R為里德伯常數，R=1.0974×107m-1.可見，特征譜波長只與能級差（原子序數，躍遷情況）有關。比較：Kα

Kβ>第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一四、X射線與物質的相互作用X射線與物質相互作用時，會產生各種效應，主要有：1）部分光子因與原子碰撞而改變前進方向，形成散射線；2）另一部分光子可能被原子吸收，產生光電效應；3）還有部分光子的能量在與原子碰撞時傳遞給原子，成為熱振動能。第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一這些過程如圖所示：H熱能入射X射線強度為I0透過X射線強度為I=I0e-uH熒光X射線電子散射X射線相干反沖電子光電子非相干俄歇電子第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一

X射線與物質的作用分為散射、吸收、透射。1、X射線的散射

X射線被物質散射時可以產生兩種散射現象，即相干散射和非相干散射。（1）相干散射當X射線光子與原子內緊束縛電子相撞時，光子能量可認為不受損失，而只改變方向。因此散射線與入射線波長相同，且有一定的位相關系，可相互干涉，形成衍射圖樣。第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一(2）非相干散射當X射線光子與束縛較弱的電子或自由電子相碰撞時，光子的部分能量傳遞給原子，損失了自己部分能量，因而波長變長了。由于散射線波長各不相同因此不會相互干涉形成衍射，稱不相干散射。其中的弱束縛電子或自由電子由于獲得了一定能量，成為反沖電子。第38頁，共40頁，2023年，2月20日，星期一2、吸收

除了被散射和透射掉一部分外，X射線能量主要將被物質吸收，這種能量轉換包括光電效應，同時伴隨熒光X射線和俄歇電子。