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p19121912年年,德德国国物物理理学学家家劳劳厄厄等等人人发发现现了了XX射射线线在在晶晶体体中的衍射现象,确证了中的衍射现象,确证了XX射线是一种电磁波。
射线是一种电磁波。
p19121912年年,英英国国物物理理学学家家BraggBragg父父子子利利用用XX射射线线衍衍射射测测定定了了NaCINaCI晶晶体体的的结结构构,从从此此开开创创了了XX射射线线晶晶体体结结构构分分析析的的历历史。
史。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础5/322022/11/71.X射线是一种电磁波,具有波粒二象性;
射线是一种电磁波,具有波粒二象性;
2.X射线的波长:
射线的波长:
1021023.X射线的射线的()、振动频峰)、振动频峰和传播速度和传播速度C(ms-1)符合)符合=c/(3-1)XX射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础6/322022/11/74.X射线可看成具有一定能量射线可看成具有一定能量E、动量、动量P、质量、质量m的的X光流子光流子E=hv(3-2)P=h/(3-3)h为普朗克常数,为普朗克常数,h=6.62617610-27尔格,是尔格,是1900年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。
性的表征。
XX射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础7/322022/11/7qXX射线具有很高的穿透能力,可以穿过黑纸及许多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;
对于可见光不透明的物质;
qXX射线肉眼不能观察到,但可以使照相底片感光。
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;
迁发出可见光;
qXX射线能够杀死生物细胞和组织,人体组织在受到射线能够杀死生物细胞和组织,人体组织在受到XX射线的辐射时,生理上会产生一定的反应。
射线的辐射时,生理上会产生一定的反应。
XX射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础8/312022/11/7XX射线的产生射线的产生高速运动的电子流高速运动的电子流射线射线X射线射线中子流中子流高能高能辐射流辐射流在突然被减速时在突然被减速时均能产生均能产生X射线射线材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础9/322022/11/7XX射线管射线管图图3-3X射线管示意图射线管示意图材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础10/322022/11/7材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础11/322022/11/7XX射线机射线机图图3-2X射线机的主要线路图射线机的主要线路图材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础12/322022/11/7XX射线管的工作原理射线管的工作原理X射线管射线管电子枪:
产生电子并将电子束聚焦,电子枪:
产生电子并将电子束聚焦,钨丝烧成螺旋式,通以电流钨丝烧钨丝烧成螺旋式,通以电流钨丝烧热放出自由电子。
热放出自由电子。
金属靶:
发射金属靶:
发射x射线,阳极靶通常射线,阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制由传热性好熔点较高的金属材料制成,如铜、钻、镍、铁、铝等。
成,如铜、钻、镍、铁、铝等。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础13/322022/11/7XX射线管的工作原理射线管的工作原理整整个个X射射线线光光管管处处于于真真空空状状态态。
当当阴阴极极和和阳阳极极之之间间加加以以数数十十千千伏伏的的高高电电压压时时,阴阴极极灯灯丝丝产产生生的的电电子子在在电电场场的的作作用用下下被被加加速速并并以以高高速速射射向向阳阳极极靶靶,经经高高速速电电子子与与阳阳极极靶靶的的碰碰撞撞,从从阳阳极极靶靶产产生生X射射线线,这这些些X射射线线通通过过用用金金属属铍铍(厚厚度度约约0.2mm)做做成成的的x射射线线管管窗窗口口射出,即可提供给实验所用。
射出,即可提供给实验所用。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础14/312022/11/7xx射线谱射线谱连续谱连续谱:
强度随波长连续变化的连续谱。
(见图(见图3-6)特征谱特征谱:
波长一定、强度很大的特征波长一定、强度很大的特征谱特征谱只有当管电压超过一定值谱特征谱只有当管电压超过一定值Vk(激发电压)时才会产生,只取决于光(激发电压)时才会产生,只取决于光管的阳极靶材料,不同的靶材具有其特管的阳极靶材料,不同的靶材具有其特有的特征谱线。
有的特征谱线。
特征谱线又称为标识谱,即可以来标识特征谱线又称为标识谱,即可以来标识物质元素。
(见图物质元素。
(见图3-7)xx射射线线谱谱材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础15/322022/11/7连续连续XX射线谱射线谱图图3-6各管电压下各管电压下W的连续谱的连续谱材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础16/322022/11/7连续连续XX射线谱射线谱pX射射线线连连续续谱谱的的强强度度随随着着X射射线线管管的的管管电电压压增增加加而而增增大大,最最大大强强度度所所对对应应的的波波长长max变变小,最短波长界限小,最短波长界限0减小;
减小;
p连续谱中接近最短波长处的辐射较多。
连续谱中接近最短波长处的辐射较多。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础2022/11/7连续谱的经验公式可表达为:
连续谱的经验公式可表达为:
(3-7)C为常数,为常数,Z为阳极材料的原子序数。
为阳极材料的原子序数。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础18/322022/11/7特征特征XX射线射线图图3-7Mo靶靶X光管发出光管发出X光谱强度(光谱强度(35kV时时)材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础19/322022/11/7原子结构壳层理论原子结构壳层理论高高能能电电子子撞撞击击阳阳极极靶靶时时,会会将将阳阳极极物物质质原原子子中中K层层电电子子撞撞出出电电子子壳壳层层,在在K壳壳层层中中形形成成空空位位,原原子子系系统统能能量量升升高高,使使体体系系处处于于不不稳稳定定的的激激发发态态,按按能能量量最最低低原原理理,L、M、N一一层层中中的的电电子子会会跃跃人人K层层的的空空位位,为为保保持持体体系系能能量量平平衡衡,在在跃跃迁迁的的同同时时,这这些些电电子子会会将将多多余的能量以余的能量以X射线光量子的形式释放。
射线光量子的形式释放。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础20/322022/11/7材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础21/322022/11/7KK系标识系标识XX射线:
射线:
对对于于从从L,M,N壳壳层层中中的的电电子子跃跃入入K壳壳层层空空位位时时所所释释放放的的X射射线线,分分别别称称之之为为K、K、K谱谱线,共同构成线,共同构成K系标识系标识X射线。
射线。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础22/322022/11/7产生物理、化学和生化作用,引起各种效应,如:
产生物理、化学和生化作用,引起各种效应,如:
p使一些物质发出可见的荧光;
使一些物质发出可见的荧光;
p使离子固体发出黄褐色或紫色的光;
使离子固体发出黄褐色或紫色的光;
p破坏物质的化学键,使新键形成,促进物质的合成破坏物质的化学键,使新键形成,促进物质的合成p引起生物效应,导致新陈代谢发生变化;
引起生物效应,导致新陈代谢发生变化;
pX射线与物质之间的物理作用,可分为射线与物质之间的物理作用,可分为X射线散射射线散射和吸收。
和吸收。
XX射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础23/322022/11/7图图3-8X3-8X射线与物质作用示意图射线与物质作用示意图XX射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础2022/11/724/31XX射线与物质的作用射线与物质的作用X射线的吸收射线的吸收设入射设入射X射线强度为射线强度为I0,透过厚度为,透过厚度为d的物的物质后强度为质后强度为I,II0,在被照射的物质中取在被照射的物质中取一深度为一深度为X处的小厚度元处的小厚度元dX,照到此小厚,照到此小厚度元上的度元上的X射线强度为射线强度为Ix,透过此厚度元,透过此厚度元的的X射线强度为射线强度为Ix十十dx,则强度的改变为:
,则强度的改变为:
图图3-6X光减弱规律的图示光减弱规律的图示L为线吸收系数(为线吸收系数(cm-1),与入射,与入射X射线束的波长及被照射物质的元素射线束的波长及被照射物质的元素组成和状态有关。
组成和状态有关。
材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础25/312022/11/7X射线通过整个物质厚度的衰减规律:
射线通过整个物质厚度的衰减规律:
I/I0=e-Ld式中式中I/I0称为称为X射线穿透系数,射线穿透系数,I/I01。
I/I0愈小愈小,表示表示x射线被衰减的程度愈大。
射线被衰减的程度愈大。
XX射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法XRD3.1X射线的物理基础射线的物理基础26/322022/11/7相关概念及物理意义相关概念及物理意义XX射线穿透系数:
射线穿透系数:
I/I0,I/I0愈小愈小,表示表示x射线被衰射线被衰减的程度愈大。
减的程度愈大。
线吸收系数线吸收系数,L:
就是当:
就是当X射线透过单位长度射线透过单位长度(1cm)物质时强度衰减的程度)物质时强度衰减的程度,L值愈大,则值愈大,则强度衰减愈快。
强度衰减愈快。
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