现代材料分析-X射线衍射介绍PPT课件.ppt

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1、第五章X射线衍射X射线是一种电磁波，具有波粒二象性。X射线的波长：0.001～10nm（用于衍射分析的X射线波长为0.05~0.25nm)。波动性的表现—以一定的频率和波长在空间传播。微粒性的表现—以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。5.1X射线的物理基础5.1.1X射线的性质产生原理高速运动的电子流射线X射线中子流高能辐射流被突然减速时均能产生X射线5.1.2X射线的产生产生条件①产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）②加速电子使其高速定向运动（在阴极、阳极间施加高压）③在电子运动路径上设

2、置障碍物（阳极靶）使其减速X射线X射线管的结构封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（10-5~10-7mmHg）二极管。基本组成包括：1)阴极：阴极是发射电子的地方。产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。冷却水5.1.3X射线谱（1）连续

3、X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。产生机理能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞碰撞一次产生一个能量为hv的光子短波限连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0，它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中：e为电子电荷，e=1.6621892×10-19C；V为电子通过两极时的电压降V。(nm)X射线的强度X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J

4、/cm2.s。X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的，即I=nhv。连续X射线强度最大值在1.5λ0，而不在λ0处。连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。（2）特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。特征X射线产生机理特征谱线波长与原子序数之间关系：式中：c和σ均为常数X射线的产生及与物质的相互作用5.1.5X射线与物质的作用透射、散射、吸收X射线的散射X射线被物质散射时，产生两种现象

5、：相干散射；非相干散射。相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。经过散射后，这些很弱的能量并不散射在各个方向，而是集中在某些方向上，于是可以得到一定的花样，从这些花样中可以推测原子的位置，这就是晶体衍射效应的根源。X射线原子或离子中的电子——受迫振动。振动着的电子成为次生X射线的波源，向外辐射与入射X射线同频率的电磁波，称为散射波。非相干散射当X射线光量子冲击束缚力较小的电子或自由电子时，产生一种反冲

6、电子，而入射X射线光子自身则偏离入射方向。散射X射线光子的能量因部分转化为反冲电子的动能而降低，波长增大。这种散射由于各个光量子能量减小的程度各不相等，即散射线的波长各不相同，因此，相互之间不会发生干涉现象，故称为非相干散射。非相干散射分布在各个方向，强度一般很低，但无法避免，在衍射图上成为连续的背底，对衍射工作带来不利影响。1913年英国布拉格父子（W.H.bragg.WLBragg)建立了一个公式—布拉格公式。能用于对晶体结构的研究。布拉格父子认为当能量很高的X射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发

7、生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源。5.2X射线衍射原理（布拉格方程）晶体的定义：由原子、分子或离子等微粒在空间按一定规律、周期性重复排列所构成的固体物质。晶态结构示意图非晶态结构示意图布拉格反射入射波散射波掠射角晶格常数相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件布拉格公式关于Bragg方程的讨论(1)X射线衍射与可见光反射的差异(a)可见光在任意入射角方向均能产生反射，而X射线则只能在有限的布拉格角方向才产生反射。(b)可见光的反射只是物体表面上的光学

8、现象，而衍射则是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结果。(2)产生衍射的极限条件：对于衍射而言，n的最小值为1，所以在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：λ＜2d。又因为若n=1。所以要产生衍射，必须有d>λ/2X衍射分析的下限(3)布拉格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射线，即所谓系统消光。衍射仪法（a）测角仪由光源臂、检测器臂