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1、为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能晶体X射线衍射学基础绪 论二二.学生培养目标学生培养目标三三.X射线实验技术的发展概况射线实验技术的发展概况四四.X射线分析在金属材料领域中的主要应用射线分析在金属材料领域中的主要应用五五.课程简介课程简介一一.学习目的学习目的为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精
2、神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能材料的性能包括力学性能与物理性能加工成份组织结构性能应用它与哪些因素有关？l l有哪些检测分析技术？你们最关心的是什么？l组织结构与性能的组织结构与性能的关系关系：性能是由其内部的微观组织结构所决定的。微观组织结构控制微观组织结构控制：在认识了材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件与过程机理的基础上，可以通过一定的方法（改变成份及采取不同的加工方法）控制其显微组织形成条件，使其形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和
3、党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能应用为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l金属材料的用途主要由性能决定。如：在航天航空工业中，为了实现火箭、导弹、卫星、飞机等的飞行控制、通讯、目标捕获识别与跟踪、火力控制、突防、隐身等目的需要采用各种先进的仪器设备，而制造这些仪器设备，需要采用各种新材料，它们具有特殊的物理、化学和生物方面的性能，例如电
4、、磁、声、热、光、力、化学和生物等功能，通过这些金属功能材料实现能量和信号的转换、吸收、存储、发射、传输、伟感、控制和处理，然后广泛地应用于航天航空工业方面的制导、导航、操纵系统、电子系统、电气系统、环境控制系统、能源供给系统、仪表通讯系统、遥感遥测系统、武器火控系统、生命保障系统以及生活服务系统等。l航天航空工业中应用的金属功能材料主要包括磁性合金、弹性合金、膨胀合金、高比重合金、形状记忆合金、贮氢合金以及隐身材料、超导材料等。l而航天器的机身，则需用强度高且轻的材料制成。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯
5、彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能影响性能的因素：l首先，是它们的成分和组织（主要包括合金元素和杂质、合金的晶体结构以及金相组织等方面的影响）l其次，是各种加工条件的影响（主要包括生产过程中各个环节、组织、加工条件之间的关系。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
6、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能金相、X射线衍射、磁性测量、力学性能测试、莫谱、电子显微镜、热分析（DTA）等等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能材料的组织结构与性能l组织结构与性能的关系组织结构与性能的关系：材料的性能（包括力学性能与物理性能）是由其内部的微观组织结构所决定的。l微观组织结构控制微观组织结构控制：在认识了材料
7、的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件与过程机理的基础上，可以能过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能显微组织结构的内容l显微化学成分：不同相的成分，基体与析出相的成分，偏析等；l晶体结构与晶体缺陷：面心立方、体心立方、位错、层错等；l晶粒大小与形态：等轴晶、柱状晶、枝晶等；l相的成分、结构、形态、含量及分布：球、片、棒、沿晶
8、界聚集或均匀分布等；l界面：表面、相界与晶界；l位向关系：惯习面、孪生面、新相与母相；l夹杂物；l内应力：喷丸表面，焊缝热影响区等为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能学生培养目标学生培养目标1.设计材料：即由已有的资料、经验，利用元素、已知合金、内部结构与性能的关系等多方面的知识，设计新材料，并预言其性质。这是材料科学发展的最终目标。2.实验测定材料的成分、组织结构、性能，并研究三者的关系是研究现有材料、发挥材料潜力
9、、扩大材料的使用范围、提高材料的寿命，以及研究新材料、新工艺的主要手段，并对建立有关的材料学科的理论提供必需的数据。验证。从材料成分、组织结构的改变，改善材料的性能。材料研制或生产的主要任务是材料研制或生产的主要任务是：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能完成上述两方面的任务，都涉及到一个测试手段的问题，我们采用的测试手段主要有：金相、电镜、磁性测量、力学性能测试、莫谱、X光、热分析（DTA）等等。“金属X射线学”即
10、利用X-ray在晶体中的衍射效应研究金属的合金结构的科学。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能X射线实验技术的发展概况射线实验技术的发展概况l1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。l1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，
11、并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。l19081909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距(即原子间距)近似于1埃数量级。l1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；l1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格
12、方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解l19131914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能lX射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。新的探测器：由气体探测
13、器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。新的数据记录及处理技术：高度计算机化a.实验设备、实验数据全自动化；b.数据分析计算程序化；c.衍射花样的计算机模拟。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能X射线分析在金属材料领域中的主要应用l物相分析l点阵常数的精确测定l织构的测定l此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色
14、社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能课程简介l晶体X射线衍射学基础是一门专业课程，学习本课程的目的，在于使学习者具备X射线分析技术所必须的基础理论、基本知识与基本实验技能，并对合金的相分结构、精细结构、晶体取向等有进一步的了解。用X射线在晶体中的衍射现象来研究晶体结构及有关问题，从金属物理角度，解决合金成分、结构、性能关系及问题，为金属材料科学的研究提供理论基础和研究方法。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大
15、会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l参考书：原子物理、光学；X射线金属学（柯列迪）金属X射线学（许顺生）材料近代测试分析方法（哈工大）l要求：本课程中一些内容比较抽象，微观概念、空间概念不易掌握和建立，因此课前课后必须进行预习和复习，课堂上则要跟着老师的思路，积极思考、思维活跃，注意教学中的重点难点，对所学内容及时消化，认真、独立完成实验及作业。l考核：平时成绩（包括作业、实验及课堂点名）30%，考试70%为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯
16、彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能目 录第一章X射线的产生和性质第二章几何晶体学基础第三章X射线衍射的几何原理第四章X射线衍射线束的强度第五章X射线衍射仪第六章X射线物相分析为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能第一章X射线的产生和性质lX射线的本质lX射线的产生lX射线谱lX射线与物质的相互作用lX射线的探测与防护l重点为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精
17、神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能本章重点lX射线的电磁波本质；l两种X射线谱的成因及其实验规律；lX射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能1.1 X射线的本质射线的本质一一.性质性质二.本本质质是是一一种种电电磁磁波波，有有明显的波粒二象性明显的波粒
18、二象性返回本章开头为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能一.X射线的性质l1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。后人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”。l伦琴在实验室的发现表明：X射线是用人的肉眼不可见的，但能使某些物质（铂氰化钡）发出可见荧光；具有感光性，能使照相底片感光；具有激发本领，使气体电离。l实际观测还表明：X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；具有很强的穿透
19、能力，波长越短，穿透物质的能力越大；与物质能相互作用。l另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振化即经物质后，某些方向强度强，某些方向弱；能杀死生物细胞，实验中要特别注意保护。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能二.X射线的本质l1912年劳埃（Laue）在当时晶体学家已得出了原子排列的周期性及光栅实验的基础上，并根据可见光光栅衍射原理（周期性、波动性、数量级），提出非凡预言：从事实验研究的两位研究生支持
20、了劳埃的这一设想，用X射线照射CuSO4.5H2O、NaCl晶体进行了试验，获得了世界上第一张X射线衍射照片。X射线照射晶体时，将产生衍射。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能几何光学回顾图1光栅实验可见光平面波光栅屏产生干涉条纹的条件产生干涉条纹的条件入射光是单色平面波光栅刻痕周期性；可见光波动性；波长与a+b同数量级。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
21、思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能劳埃实验1X-rayCuSO4.5H2O单斜晶系底片对称性差的衍射花样，样品转动一个方向时花样变化为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能劳埃实验2X-rayNaCl(密排六方）底片对称性好的衍射花样为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党
22、的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能劳埃实验的意义与功绩：证实了X光的电磁波本质；证实了X光波长与晶体原子尺度类似（同一数量级）；证实了晶体内原子排布呈周期性，即让了晶体的结构。为研究物质的微观世界提供了崭新的方法。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l实验还表明，X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的
23、粒子流。这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量=h或=hc/l式中，h是普朗克常数，h=6.6310-34Js；和分别为光量子的频率和波长。lX射线的单位通常用埃（）1=10-8cm=10-10m目前欧美普遍采用nm，1nm=10。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能lX射线是一种波长较短的电磁波，其本质与可见光相同，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短，具有强的穿透能力。
24、X射线处于电磁波谱中，紫外线和射线之间（见P1图1-1）。无限电波红外线可见光紫外线X射线射线宇宙射线1031010-110-310-510-710-910-1110-13图1-2电磁波谱lX射线的波长为=10-10cm10-6cm，即1000.01或更短。l通常，用于晶体衍射实验的X射线波长约为2.50.5，而用于金属材料探伤的X射线波长则要更短一些，约为10.05，而常见的可见光的波长约为40008000。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功
25、能充分发挥中小学图书室育人功能本本 节节 小小 结结X射线是一种电磁波，是具有波粒二重性的矛盾统一体（即具有一切微观粒子的共性）;X射线的波长很短，约为10-1010-6cm，与晶体内呈周期性排列的原子间距为同一数量级；晶体衍射产生的图象特征，精确地反映了晶体结构；是近代先进的实验技术。返回本节开头为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能1.2 X射线的产生和设备射线的产生和设备l一、一、X射线的产生条件射线的产生条件l
26、二、二、X射线管射线管l三、三、X X射线仪射线仪l四、四、X射线探测与防护射线探测与防护下一节返回本章开头为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能一、一、X射线的产生条件射线的产生条件因此，要获得X射线，必须满足以下条件（见P2）产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动；在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来
27、。这样，靶面上就会发射出X射线。实验证明，高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能高压发生器X光管阳极阴极灯丝变压器X射线发生装置l图1-3VV0为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书
28、室育人功能二、X射线管1.X射线管基本工作原理2.X射线管的基本构造（见射线管的基本构造（见P3图图1-2）3.X射线管的额定功率射线管的额定功率4.特殊结构的特殊结构的X射线管射线管为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能1.X射线管基本工作原理高速运动的电子与物体发生碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1%左右）能量转变为X射线的能量产生X射线，其中绝大部分能量（约左右）转变成热能使物体（靶）
29、温度升高。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能2.X射线管的基本构造射线管的基本构造为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能接变压器冷却水X射线2.靶(阳极）铜3.铍窗口电子金属聚焦罩1.钨灯丝（阴极）真空玻璃图1-3X射线管剖面示意图是发射电
30、子的地方。由绕成螺线形的钨丝制成。是使电子突然减速和发射X射线的地方。常用的阳极材料有Cr、Fe、Co、Ni、Mo、Ag、W等。是X射线从阳极靶向外射出的地方。较好的窗口材料的铍片。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能3.X射线管的额定功率射线管的额定功率lX射线管有一个上限的使用额定功率，它是由阴阳极之间的加速电压（又称管电压）(如图)和阴极可能提供的电子束流（又称管电流）所决定。为深入学习习近平新时代中国特色社会
31、主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能4.特殊结构的特殊结构的X射线管射线管l旋旋转转阳阳极极X射射线线管管：采用适当的方法使阳极高速旋转，这样，可使靶面受电子轰击的部位焦斑随进改变，有利于散热，可以提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。l细细聚聚焦焦X射射线线管管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，除
32、了可以缩短拍摄照片得到极细的X射线束，有利于提高结构分析的精度。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能三三.X射线仪射线仪l由X射线管及其它供电、稳压、稳流、整流、控制等电器部分组成。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能X射 线 结 构分析仪
33、X射线衍射仪X射线衍射仪X射线四圆衍射仪为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能四四.X射线探测与防护射线探测与防护l因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是：荧光屏、照相底片和探测器等。l过量的X射线对人体会产生有害影响。且影响程度取决于X射线的强度，波长和人体的受害部位。操作调试时，要严格遵守安全条例，注意采取防护措施，要特别注意不要让的或身体的其它部位直接暴露
34、在X射线束照射之中。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能1.3 X射线谱射线谱本节根据X射线成因、特点，解释实验现象，设计实验技术。l二、连续二、连续X射线谱射线谱l三、标识三、标识X射线谱射线谱一、概论一、概论l即X射线强度I随波长而变化的关系曲线。l单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的X射线总能量，以J/cm2s为单位。l且lInh即I与一个光子的能量h有关，还与光子的数目n有关。l所以，强度与光子的
35、数目有关，以及与每个光子携带的能量h有关。X射线谱：X射线强度：二、连续二、连续X射线谱射线谱l实验表明：特定的阳极材料，在某特定管压以下，产生连续谱强度随波长连续变化，即在强度可测范围内，包含各种不同的波长，叫连续谱，又叫白色谱或多色谱。l实验规律l形成机制为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能实验规律l连续X射线谱上有一个强度最高值，并在短波方向有一波长极限，称为短波限0。Ix0mIx20KV30KV40KV50K
36、Vl随管电压增大，管电流不变，强度I普遍增大，短波限向短波方向移动，即0减小；强度最高的射线波长为m减小。即随V增大，整个曲线向左上方移动。点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能i2i3实验规律Ixi10m(3)管电压不变，管电流增大。强度I普遍增大，0和m不变，曲线上移。i1:i2:i3=1:2:3点击继续Z2Z3Z1Ix0mZ1Z2Z3(4)管压V和管电流I保持一定的条件下，当阳极物质改变时，随阳极物质的原
37、子序数Z增大，各种波长的相对强度I增高，整个曲线向上方移动，但其0、m均不变。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能由上述可知，0、m的数值与阳极材料的种类无关，只与加速电压有关。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能2.形成机制l经典电动力学
38、阐明：任何微对带电粒子，得到加速度时，其周围的电磁场急剧变化，向周围辐射电磁波。l射线管中，高速运动的阴极电子到达阳极表面时，受到几万伏的加速，具有相当大的动能几万电子伏特eV，由于阳极阻止，产生极大的负加速度，动能转换为热能和射线电磁波能量。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能量子论解释l当电子从阴极发射出来后，即被加速电压所加速，在电子与阳极碰撞前的一瞬间，每个电子的动能为e。l计算表明，当管流i=10mA时，每
39、秒到达阳极的电子数n=6.251026个，这么大量的电子，虽然携带的能量相同，但撞击阳极时的速度、加速度，以及其它条件不可能完全相同，即到达阳极后要经受极其复杂的、不同方向的能量衰减，有几种转换形式：为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能能量转换几种形式：l极少量的电子在一次碰撞后，将其全部能量eV转为光量子能量h即=eV=hl以上全部转换为热能：即=eV=P（阳极需水冷）由此，eVhm=光子能量光电eV光max=电e
40、V若光子能量的最大极限值光max=hmeV（h为常数，m最大）点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l式中：e电子的电量，等于4.80310-10静电单位射线管阴阳极的加速电压h普朗克常数，6.62510-34Js射线频率（秒）c射线速度2.9981010cm/sl此式说明了短波限0的产生原因和其与加速电压之间的关系，即每个管电压值对应一定的短波限。得到短波限公式：点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义
41、思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l实际上，大多数电子与阳极碰撞后，只发射出能量为h1的光量子，eV=eV-h1eV=h1+h2对应连续谱中1、2波长l或eV=h1+h2+h3+hm+对应连续谱中1、2、3、m波长ll其中有较多的电子在与阳极碰撞后释放出值为的能量，因而其强度很高，根据经验m约是0的一倍半。点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯
42、彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能综上所述l当X射线管电压V增大时：电子动能eV增大，单位时间内产生的光量子数目以及每个光量子的平均能量增加，各种波长的相对强度I增大由V增大，0减小得到高能光子（大h）的管压增大，m减小V增大，X射线谱向左上方移动。l当管流I增大，发射的电子数n增多，I增大又eV不变，不变，0、m不变l原子序数Z增大时，原子中电子数增多，单位体积内电子密度大，阴极电子受到强的相互作用。I增大，0、m不变。为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大
43、会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能（1.11.4）10-9Ix0mKulenkampff总结上述规律，得出经验公式将上述在0区间积分，得曲线下总面积，即连续谱总强度与实验条件的定量关系为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l假设输入X射线管的电功率为iV，而辐射出的X射线的总强度为I连，则可以得X射线管的效率为：应应用用：连续谱在结构分析中仅用于劳埃方法单晶照相（单晶定
44、向、亚结构分析）小小结结：大量高能阴极电子与靶原子多次碰撞，进行能量转换，产生连续谱，在X-ray衍射图中，它形成了背景和单晶衍射花样，其中背景是不良的影响，它影响精确度和灵敏度。思考题思考题：解释经验公式，I=KiZV2iZV2为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能标识标识X射线谱：射线谱：即迭加于连续谱上，具有特定波长的即迭加于连续谱上，具有特定波长的X X射射 线谱，又称单色线谱，又称单色X X射线谱。射线谱。l
45、在一个X射线管中，保持管电流不变，使管电压逐渐增加，管电压被提高到某一定的临界值以后（激发电压）（这是制靶金属的特征），便会在一定的波长处出现尖锐的强度上限叠加在连续光谱上，由于这些谱线非常狭窄，又由于它们的波长为制靶金属的特征，因此称之为特征谱线。I60KV50KV40KV30KV20KV点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能三、标识三、标识X射线谱射线谱1.实验规律（以实验规律（以K系为例）系为例）2.标识
46、谱产生机制标识谱产生机制原子内层电子转原子内层电子转移移3.机制概括机制概括4.谱线结构谱线结构5.激发电压激发电压为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能1.实验规律（以实验规律（以K系为例）系为例）l根据实验结果证明：根据实验结果证明：l存存在在一一临临界界电电压压VK，当当V工工作作VK，eVeVK时时，则则产产生生标标识识谱谱。不不同同的的阳阳极极物物质质，有有不不同同的的标标识识谱谱，即即不不同同的的激激发发电
47、电压压，这这由由阳阳极极靶靶的的原原子子序序数数决决定定。（见见附附录录2，P218）l当当管管电电压压超超过过VK而而进进一一步步升升高高时时，K系系特特征征X射射线线的的波波长长不不变变，而而强强度度按按n次次方方的的规规律律增增大大，即即波波长长不不因因外外界界条件而变，工作电压条件而变，工作电压V工作工作只改变强度只改变强度I，不改变，不改变K、K1、K2的值。的值。且且I标标=Ki(V-VK)n式式中中：I为为管管电电流流；V为为管管电电压压；VK为为激激发发电电压压，由由阳阳极极靶靶所所决决定定；n为为常常数数，约约为为1.52；K为为比比例例常常数数，与与特征特征X射线的波长有关
48、。射线的波长有关。点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能l对对某某一一特特定定材材料料，具具有有波波长长恒恒定定的的标标识识谱谱。遵遵循循莫莫塞塞来来定律定律（X-ray成分分析基础）成分分析基础）其中：其中：某系标识射线的波长；：某系标识射线的波长；c：为常数；：为常数；：屏蔽常数。：屏蔽常数。lK系谱线结构：任何阳极物质的标识谱均分系谱线结构：任何阳极物质的标识谱均分K1：1，I1K系系KK2：2，I2K：
49、，IL系系、M系、系、常见的仅为常见的仅为K系，其次是系，其次是L系系波长关系：波长关系：21=强度关系：强度关系：I12I25I为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图书室育人功能2.标识谱产生机制标识谱产生机制 原子内层电子转移原子内层电子转移l标标识识谱谱的的上上述述特特征征，不不因因实实验验条条件件而而异异，而而只只与与物物质质本本性性有有关关。例例如如，任任何何物物质质，原原则则上上说说，不不管管外外界界激激发发因因素素是
50、是由由电电子子、中中子子、X光光子子等等，一一旦旦激激发发能能达达到到或或超超过过物物质质的的结结合合能能，就就有有标标识识X射射线线产产生生，而而这这种种射射线线又又是是物物质质属属性性的的标标志志。可可见见，其其产产生生机机制制必必与与原原子子内内层层电电子子迁迁移移密密切切相相关关。即即特特征征X射射线线的的产产生生是是和和阳阳极极靶靶的的原原子子结结构密切相关的。构密切相关的。点击继续为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神为深入学习习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神,贯彻全国教育大会精神贯彻全国教育大会精神,充分发挥中小学图书室育人功能充分发挥中小学图