绪论X射线物理学基础.pptx

《绪论X射线物理学基础.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《绪论X射线物理学基础.pptx（42页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、1本教材主要内容本教材主要内容第二篇 材料电子显微分析 第八章 电子光学基础 第九章 透射电子显微镜 第十章第十章 电子衍射电子衍射 第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析 第十二章 高分辨透射电子显微术 第十三章 扫描电子显微镜 第十四章 电子背散射衍射分析技术 第十五章 电子探针显微分析 第十六章 其他显微分析方法第1页/共42页2绪 论n本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础n本课程的内容主要包括：本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等射线衍射仪、电子显微镜等分析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组分析仪器的结构与工作原理、及与此相关的

2、材料微观组织结构和微区成分的分析方法原理及其应用织结构和微区成分的分析方法原理及其应用n本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分析，揭示材料组织结构与性能的关系，即分析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能组织是性能的内在根据，性能是组织的对外表现的内在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工；确定材料加工工艺和组织结构的关系，以实现微观组织结构控制艺和组织结构的关系，以实现微观组织结构控制n本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正

3、确选用构和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适的分析方法解决实际工作中的问题合适的分析方法解决实际工作中的问题第2页/共42页3第一篇 材料X射线衍射分析n1895年德国物理学家伦琴发现了年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将射线，随后医学界将其用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的其用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤探伤李鸿章在李鸿章在X光被发现后仅光被发现后仅7个月就体验了此种新技术，个月就体验了此种新技术，成为拍成为拍X光片检查枪伤的光片检查枪伤的第一个中国人。第一个中国人。第3页/共42页41912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中的衍射

4、现象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成为X射线衍射学1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射”X射线的概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对应关系，这一原理应用于材料成分检测X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结构研究和晶体取向测定等；X射线学三大分支：透射学，衍射学，光谱学。第4页/共42页5比较一下各图的差别2 KeV第5页/共42页6课题讨论你所了解的材料表征方法与技术，优缺点你所了解的材料表征方法与技术，优缺点第6页/共42页7第一篇 材料X射线衍射分析第一章 X射线物理学基础第二章 X射线衍射方向第三

5、章 X射线衍射强度第四章 多晶体分析方法第五章 物相分析及点阵参数精确测定第六章 宏观残余应力的测定第七章 多晶体织构的测定第7页/共42页8第一章 X射线物理学基础本章主要内容第一节 X射线的性质第二节 X射线的产生及X射线谱第三节 X射线与物质的相互作用第8页/共42页9第一节第一节 X射线的性质射线的性质lX射线是一种波长很短的电磁波射线是一种波长很短的电磁波lX射线的波长范围为射线的波长范围为0.0110nm，用于衍射分析的，用于衍射分析的X射线波长为射线波长为0.050.25nmlX射线一种横波射线一种横波，由交替变化的，由交替变化的电场和磁场组成电场和磁场组成lX射线具有波粒二相性

6、射线具有波粒二相性，因其波，因其波长较短，其粒子性较为突出，即长较短，其粒子性较为突出，即可以把可以把X射线看成是一束具有一射线看成是一束具有一定能量的光量子流，定能量的光量子流，E=h =hc/(1-2)式中，式中，h是普朗克常数；是普朗克常数；c是光速；是光速；是是X射线的频率，射线的频率，是是X射线的波射线的波长长图1-1 电磁波谱分辨率与波长的关系第9页/共42页10第一节第一节 X射线的性质射线的性质lX射线穿过不同介质时，折射系数接近射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折，几乎不产生折射现象射现象lX射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照射线肉眼不可见，但具有能使

7、荧光物质发光、能使照相底板感光、能使一些气体产生电离的现象相底板感光、能使一些气体产生电离的现象lX射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特别是波长在特别是波长在0.1nm以下的硬以下的硬X射线射线lX射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现象，与光线的绕射现象类似现象，与光线的绕射现象类似lX射线具有射线具有破坏杀死生物组织细胞破坏杀死生物组织细胞的作用的作用第10页/共42页11l图图1-2所示的所示的X射线管是产射线管是产生生X射线的装置射线的装置l主要由阴极主要由阴极(W灯丝灯丝

8、)和用和用(Cu,Cr,Fe,Mo)等纯金属等纯金属制成的阳极制成的阳极(靶靶)组成组成l 阴极通电加热，在阴、阳阴极通电加热，在阴、阳极之间加以直流高压极之间加以直流高压(约数约数万伏万伏)l阴极发射的大量电子高速阴极发射的大量电子高速飞向阳极，与阳极碰撞产飞向阳极，与阳极碰撞产生生X射线射线图1-2 X射线管结构示意图第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱连续连续X X射线和特征射线和特征X X射线射线产生两种谱线：产生两种谱线：连续连续和和特征特征X X射线射线第11页/共42页12一、连续一、连续X射线谱射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续强度随波长连续变化的谱线称连

9、续X射线谱射线谱，见图，见图1-3 图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响a)管电压的影响 b)管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱短波限 SWL第12页/共42页13一、连续一、连续X射线谱射线谱 由图由图1-3可见，可见，连续连续 X 射线谱的特点是，射线谱的特点是，X 射线的波射线的波长存长存在最小值在最小值 SWL，其强度在，其强度在 m处有最大值处有最大值l当当管电压管电压U 升高升高时，各波长时，各波长X射线的强度均提高，射线的强度均提高，短波短波限限 SWL和强度最大值对应的波长和强度最大值对应的波长 m减小

10、减小l当当管电流管电流 i 增大增大时，各波长时，各波长X射线的强度均提高，但射线的强度均提高，但 SWL和和 m保持不变保持不变l随随阳极靶材的原子序数阳极靶材的原子序数Z 增大增大，连续，连续X射线谱的强度提射线谱的强度提高，但高，但 SWL和和 m保持不变保持不变第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱第13页/共42页14一、连续一、连续X射线谱射线谱 连续谱强度分布曲线下的面积即为连续连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的射线谱的总总强度强度，其取决于，其取决于X射线管射线管U、i、Z 三个因素三个因素 I连连=K1iZU2 (1-4)式中，式中，K1 是常数

11、。是常数。X射线管仅产生连续谱时的效率射线管仅产生连续谱时的效率 =I连连/iU=K1ZU可见，可见，X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射射线管的效率越高。因线管的效率越高。因 K1 约约(1.11.4)10-9，即使采用钨，即使采用钨阳极阳极(Z=74)、管电压、管电压100kV，1%，效率很低。电子击，效率很低。电子击靶时靶时大部分能量消耗使靶发热大部分能量消耗使靶发热第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱第14页/共42页15 为什么连续为什么连续X射线谱存在短波限射线谱存在短波限 SWL？用量子理论可以解释连续谱和短

12、波限，若管电压为用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U，则电子到达阳极靶的动能为则电子到达阳极靶的动能为eU，当，当电子在一次碰撞中将电子在一次碰撞中将全部全部能量转化为一个光量子，可获得最大能量能量转化为一个光量子，可获得最大能量h max，其波，其波长即长即为为 SWL，eU=h max=hc/SWL SWL=K/U (1-5)式中，式中，K=1.24nm kV。而绝大部分电子到达阳极靶经。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰多次碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于 SWL的的不同不同波长的波长的X射线，构成连续谱射线，构成连续谱第二节

13、第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱习题：计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能。电子静止质量9.1X10-31 Kg，电子电量 1.602X10-19 C第15页/共42页16第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 当当 X射线管压高于靶材相应的某一射线管压高于靶材相应的某一特征值特征值UK 时，在时，在某些某些特定波长位置上，特定波长位置上，将出现一系列将出现一系列强度很高、波长范围很强度很高、波长范围很窄的窄的 线状光谱线状光谱，称为特征谱或称为特征谱或标识谱

14、标识谱，见图见图1-4；其波长与阳极靶；其波长与阳极靶材的原材的原 子序数有确定关系，见式子序数有确定关系，见式(1-6)，故可作为靶材的标志和特故可作为靶材的标志和特征，征，(1-6)式中，式中，K2和和 是常数。表是常数。表明明阳极靶阳极靶 材的材的原子序数原子序数越大，同一越大，同一线系的特线系的特 征谱波长越短征谱波长越短图1-4 特征X射线谱本曲线是那种材料的？第16页/共42页17二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 特征特征X射线的产生可以用图射线的产生可以用图1-5示意说明，冲向阳极示意说明，冲向阳极的电的电子若具有足够能量，将内层电子击出而成为自由电子，此子若具有足够能

15、量，将内层电子击出而成为自由电子，此时时 原子处于高能的原子处于高能的不稳定状不稳定状 态，必然自发地态，必然自发地向稳态过向稳态过 渡。若渡。若 L层电子层电子跃迁到跃迁到 K 层填补空位，原层填补空位，原子由子由K 激激 发态转为发态转为 L 激发激发态，能量态，能量 差以差以X 射线的形射线的形式释放，式释放，这就是特征这就是特征X射射线，称为线，称为 K 射线射线图1-5 特征X射线产生示意图第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱第17页/共42页18二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱由由于于L层层内内还还有有能能量量差差别别很很小小的的亚亚能能级级，不不同同亚

16、亚能能级级的的电电子子跃跃迁迁将将辐辐射射K 1和和K 2射射线线。若若M层层电电子子向向K层层空空位位补补充充，则则辐辐射射波波长长更更短短的的 K 射射线线。特特征征 X射射线线的的频频率率可可由由下下式式计计算算 h =W2 W1=(-En2)(-En1)(1-8)式式中中，W2、W1分分别别为为电电子子跃跃迁迁前前后后原原子子激激发发态态能能量量，En2和和En1是是所所在在壳壳层层上上的的电电子子能能量量。根根据据经经典典原原子子模模型型，原原子子内内电电子子分分布布在在一一系系列列的的壳壳层层上上，最最内内层层(K层层)能能量量最最低低，按按L、M、N、顺序递增顺序递增第二节第二节

17、 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱第18页/共42页19第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 在莫塞莱定律在莫塞莱定律(1-6)式中，式中，其中其中R 称为里德伯常数，称为里德伯常数，R=1.0974 107m-1；n1和和n2是是电子电子跃迁前后壳层的主量子数，如跃迁前后壳层的主量子数，如 K 层层 n=1，L 层层n=2，M层层 n=3等，等，在在K激发态下，激发态下，L层电子向层电子向K层跃迁的几率远大于层跃迁的几率远大于M层跃层跃迁的几率，所以迁的几率，所以 K 谱线的强度是谱线的强度是 K 的的5倍倍；K 1和和K

18、2谱谱线的线的关系为关系为 K 1 K 2，IK 1 2IK 2。几种元素的特征波。几种元素的特征波长和长和K系系谱线的激发电压见表谱线的激发电压见表1-1第19页/共42页20二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱靶靶材材ZK系列特征谱波长系列特征谱波长/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1nmUK/kVU适宜适宜/kVK 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.792851.790261.7207

19、91.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055表1-1 几种阳极靶材及其特征谱参数注：K=(2 K 1+K 2)/3第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱第20页/共42页21第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 如图如图1-6，强度为，强度为I0的的X

20、射线照射厚度为射线照射厚度为t的均匀物质的均匀物质上，上，穿过深度为穿过深度为x处的处的dx厚度时的强度衰减量厚度时的强度衰减量dIx/Ix与与dx成正成正比，比，(1-11)式中，式中，l 是常数，称线吸收是常数，称线吸收系数系数 (1-12)I/I0称为透射系数，称为透射系数，l是是X射线通过射线通过 单位厚度单位厚度(即单位体积即单位体积)物质物质的强度衰的强度衰 减量减量，图，图1-7表示强度随透表示强度随透入深度的入深度的 指数衰减关系指数衰减关系图1-6 X射线通过物质后的衰减第21页/共42页22第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰

21、减规律和吸收系数 单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的物质物质 l 并不是常量，并不是常量，为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸收系收系数数 m=l/(是吸收物质的密度是吸收物质的密度)，代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14)m为单位面积厚度为为单位面积厚度为 t 的体的体积中物质积中物质 的质量。因此的质量。因此，m 的物理意的物理意义是义是X射射 线通过单位面积单位质量物质线通过单位面积单位质量物质的强度的强度 衰减量衰减量 它避开了密度的影响，可以作它避开了密度的影响，可以作为反映为反映

22、物质本身对物质本身对X射线吸收性质的射线吸收性质的物理量物理量图1-7 X射线强度随透入深度的变化第22页/共42页23习题X射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为1 mm，试计算这种铅屏对Cr K、Mo K辐射的透射系数各为多少？已知Pb=11.34 g/cm3 注：各元素的质量吸收系数见附录B，书本P324325页第23页/共42页24第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合物和混合物等，其质量吸收系数仅取决于

23、各组合物和混合物等，其质量吸收系数仅取决于各组元的质量系数元的质量系数 mi及各组元的及各组元的质量分数质量分数wi，即，即 (1-15)习题习题厚度为厚度为1mm的铝片能把某单色的铝片能把某单色射线束的强度降低射线束的强度降低为原来的为原来的23.9，试求这种，试求这种射线的波长。试计算含射线的波长。试计算含Wc0.8，Wcr4，Ww18的高速钢对的高速钢对Mo K辐射的质量吸收系数。辐射的质量吸收系数。第24页/共42页25一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 的关系的关系 质量吸收系数取决于质量吸收系数取决于X 射线

24、的波长射线的波长 和吸收物质的和吸收物质的原子原子序数序数Z，其关系的经验式如下，其关系的经验式如下 m K4 3 Z3 (1-16)式中，式中，K4为常数。上式表明，为常数。上式表明，物质的原子序数越大，对物质的原子序数越大，对X射射线的吸收能力越强线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，对于一定的吸收体，X射线波越短，射线波越短，穿穿透能力越强，吸收系数下降透能力越强，吸收系数下降。但随波长减小，但随波长减小，m 并非单并非单调下调下降降，见图，见图1-8第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第25页/共42页26一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数l质量吸收系数与波

25、长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 的关系的关系 如图如图1-8所示，所示，吸收系数在某些波长位置突然升高，吸收系数在某些波长位置突然升高，所所 对应的波长称对应的波长称为吸收限为吸收限 每种物质都有每种物质都有其特定的一其特定的一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素的特征收元素的特征量量，将这种，将这种 带有特征吸收带有特征吸收限的吸收系限的吸收系 数曲线称该物数曲线称该物质的吸收谱质的吸收谱 为什么会存为什么会存在吸收限？在吸收限？图1-8 质量吸收系数与波长的关系曲线第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第26页/共42页27第三节第三节

26、X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l光电效应光电效应 当当 入射入射X射线光量子能量射线光量子能量等等于或略大于于或略大于吸收体原子某壳层电吸收体原子某壳层电子的结合能时，电子易获得能量子的结合能时，电子易获得能量从内层逸出，成为自由电子，称从内层逸出，成为自由电子，称为光电子，这种光子击出电子的为光电子，这种光子击出电子的现象称为光电效应。现象称为光电效应。将消耗大量将消耗大量入射能量，导致入射能量，导致吸收系数突增吸收系数突增.光电效应引起的入射能量消耗为光电效应引起的入射能量消耗为真吸收真吸收光电效应、荧光效应和俄歇效应过程示意图第27页/共42页28二、二、X射线的真吸收射线的

27、真吸收l吸收限的应用吸收限的应用如图如图1-9所示，可利用吸收所示，可利用吸收限两侧吸收系数差别很大限两侧吸收系数差别很大的现象选用滤波片，用以的现象选用滤波片，用以吸收不需要的辐射，而得吸收不需要的辐射，而得到基本单色的到基本单色的X射线射线图1-9 滤波片原理示意图第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第28页/共42页29二、二、X射线的真吸收射线的真吸收l吸收限的应用吸收限的应用 参照图参照图1-9，可选择一种合适的材料，使其吸收限恰，可选择一种合适的材料，使其吸收限恰好位好位于特征谱的于特征谱的K 和和K 波长之间，且尽可能靠近波长之间，且尽可能靠近K 线波长。线波

28、长。把这把这种材料制成薄片种材料制成薄片滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸收收 K 线，而对线，而对 K 线吸收很少，可以获得基本上为单色的辐线吸收很少，可以获得基本上为单色的辐射射 常用靶材的滤波片选择见表常用靶材的滤波片选择见表1-2，滤波片比靶材的原，滤波片比靶材的原子序子序数小数小12，通过调整滤波片厚度，使滤波后，通过调整滤波片厚度，使滤波后I K /I K 1/600 当当 Z靶靶 40 时，时，Z滤滤=Z靶靶-1 当当 Z靶靶 40 时，时，Z滤滤=Z靶靶-2第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第29页/共42页30二、二、X

29、射线的真吸收射线的真吸收l吸收限的应用吸收限的应用阳阳 极极 靶靶滤波片滤波片(使使 IK =1/600)I/I0(K)元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K/nm厚度厚度/mm t/g cm-2银银 470.05610.0497铑铑 450.05340.0790.0960.29钼钼 420.07110.0632锆锆 400.06880.1080.0690.31铜铜 290.15420.1392镍镍 280.14880.0210.0190.40钴钴 270.17900.1621铁铁 260.17430.0180.0140.44铁铁 260.19370.1757锰锰 250.18950

30、.0160.0120.46铬铬 240.22910.2085钒钒 230.22680.0160.0090.50表1-2 与几种常用的阳极靶及及配用的滤波片参数第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第30页/共42页31二、二、X射线的真吸收射线的真吸收l吸收限的应用吸收限的应用 在衍射分析时，希望试样对在衍射分析时，希望试样对 X射线的吸收尽可能少，射线的吸收尽可能少，以以获得高的衍射强度和低的背底。因此应按图获得高的衍射强度和低的背底。因此应按图1-10所示选用所示选用靶靶 材，入射线波长材，入射线波长 T 略大于或略大于或 远小于试样的远小于试样的 K，即根据样即根据样

31、品品选择靶材选择靶材的原则的原则是，是，Z靶靶 Z样样+1 或或 Z靶靶 Z样样 图1-10 X射线管靶材的选择第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第31页/共42页32第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、三、X射线的散射射线的散射lX射线穿过物质后强度产生衰减射线穿过物质后强度产生衰减l强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应l强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散射射lX射线的射线的散射散射包括包括 与原波长相同的相干散射与原波长相同的相

32、干散射 与原波长不同的不相干散射与原波长不同的不相干散射第32页/共42页33三、三、X射线的散射射线的散射1.相干散射相干散射l当入射当入射 X射线与受射线与受原子核束缚较紧的电子原子核束缚较紧的电子相遇，使电子相遇，使电子在在X射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与入射入射X射线波长相同的辐射射线波长相同的辐射l因各电子散射的因各电子散射的X射线波长相同，有可能相互干涉，因射线波长相同，有可能相互干涉，因此称此称相干散射相干散射，亦称经典散射，亦称经典散射l物质对物质对X射线的散射可以认为射线的散射可以认为只是电子的散射只是电子的散射l相干

33、散射波仅占入射能量的极小部分相干散射波仅占入射能量的极小部分l相干散射是相干散射是 X 射线衍射分析的基础射线衍射分析的基础第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第33页/共42页34三、三、X射线的散射射线的散射1.相干散射相干散射X 射线是非偏振光，如图射线是非偏振光，如图1-11,电子在空间电子在空间P点的相干散射点的相干散射强度强度 (1-18)式中，式中，I0为入射线强度；为入射线强度；Ie为一个电为一个电 子的相干散射强度；子的相干散射强度；R 为电为电子到空子到空 间一点间一点P的距离；的距离；2 为散为散射角；射角；电子散射因数电子散射因数 fe2=7.94

34、10-30m2，说，说 明明一个电子的相干散射强度一个电子的相干散射强度很小很小；(1+cos2 2)/2 称偏振因数，称偏振因数，表明表明相干相干 散射线是偏振的，强度随散射线是偏振的，强度随2 而变化而变化第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用图1-11 一个电子的相干散射第34页/共42页35第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、三、X射线的散射射线的散射1.相干散射相干散射 定义原子散射因数为一个定义原子散射因数为一个原子中所有电子相干散射原子中所有电子相干散射波波合成振幅与一个电子相干散射波振幅的比，则有合成振幅与一个电子相干散射波振幅的比，则

35、有 f=V (r)ei dV (1-21)式中，式中，(r)是原是原子中总的电子中总的电 子分布密度；子分布密度；dV是位矢是位矢r端端 点周围的体积元，点周围的体积元，是相位是相位 差，差，是是r与与(k-k)间夹间夹角角(图图1-12)图1-12 一个原子中电子的相干散射第35页/共42页36第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、三、X射线的散射射线的散射1.相干散射相干散射 若原子中电子云相对原子核呈球形对称分布，若原子中电子云相对原子核呈球形对称分布，U(r)为其为其径向分布函数径向分布函数(半径为半径为r的球面上的电子数的球面上的电子数)，U(r)=4 r2(r

36、)，令令 则则 =Krcos (1-19)(1-22)见图见图1-13，当，当 =0时，时，f=z；当；当 0时，时，f z，且随且随sin/增大迅速增大迅速 衰减衰减图1-13 f 随sin /的变化 f f第36页/共42页37三、三、X射线的散射射线的散射1.相干散射相干散射 原子的相干散射强度，原子的相干散射强度，Ia=f 2Ie 以上分析将电子看成以上分析将电子看成是自由电子，忽略了原子核对电子的是自由电子，忽略了原子核对电子的束束缚和其它电子的排斥作用。因此对原子散射因数需进行修缚和其它电子的排斥作用。因此对原子散射因数需进行修正正 f有效=f0+f +if (1-23)式中，式中

37、，f 和和f 称色散修正项。虚数项称色散修正项。虚数项f 通常可忽略不计；通常可忽略不计；对对于给定的散射体和波长，于给定的散射体和波长，f 与散射角无关，它仅与与散射角无关，它仅与(/K)值值有关，此值越接近有关，此值越接近1，f有效有效与计算值与计算值f0差值越大差值越大第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第37页/共42页38第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、三、X射线的散射射线的散射2.不相干散射不相干散射 当当 X射线与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞时，射线与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞时，使使电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电

38、子，电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电子，X 射线射线能量能量 损失，而发生损失，而发生波长变波长变长的不相长的不相 干散射干散射 不相干散射效应首先不相干散射效应首先由康普顿由康普顿 和吴有训发现，并用和吴有训发现，并用 X射线光射线光 量子与自由电子碰撞量子与自由电子碰撞的量子理的量子理 论解释这一现象，见论解释这一现象，见图图1-14 不相干散射亦称量子不相干散射亦称量子散射散射图1-14 康普顿-吴有训效应第38页/共42页39第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三、三、X射线的散射射线的散射2.不相干散射不相干散射l不相干散射引起的波长变化不相干散射引起的波长

39、变化为为 =0.00243(1 cos2 )=0.00468sin2 (1-24)l不相干散射的波长与入射波不同，且随散射方向不相干散射的波长与入射波不同，且随散射方向(2 )变化，不能发生衍射，而形成衍射图的背底变化，不能发生衍射，而形成衍射图的背底l不相干散射强不相干散射强 度随度随 sin /增大而增大，入射波长愈增大而增大，入射波长愈短，短，被照物质轻元素愈轻，康普顿被照物质轻元素愈轻，康普顿-吴有训效应愈显著吴有训效应愈显著第39页/共42页40图1-15 X射线与物质的相互作用入射入射X射线射线第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第40页/共42页411.什么厚度的镍滤波片可将Cu K辐射的强度降低至入射时的70？如果入射X射线束中K和K强度之比是5:1，滤波后的强度比是多少？已知m49.03 cm2g，m290 cm2g。2.为使Cu K线的强度衰减12，需要多厚的Ni滤波片？CuK1和CuK2的强度比在入射时为2:1，利用算得的Ni滤波片之后其比值会有什么变化？（Ni的密度为8.90 gcm3）课堂作业课堂作业 当当X射线发生装置是射线发生装置是Cu靶，滤波片应选靶，滤波片应选()，为什么？，为什么？A.Cu；B.Fe；C.Ni；D.Mo。第41页/共42页42感谢您的观看！第42页/共42页