X光與電鏡第一篇X射線衍射晶體學材料物理與化學系田文懷聯系方式:材料測試樓303電話:62333934微結構實驗室1教材與參考書《材料分析測試技術-材料X射線衍射與電子顯微分析》周玉等編著，哈工大出版社,1998年《金屬物理研究方法》(第一分冊)北京鋼鐵學院,趙伯麟主編,冶金工業出版社,1986年《金屬物理研究方法》(第二分冊)北京鋼鐵學院,陳夢謫

主編,冶金工業出版社,1986年《材料X射線衍射分析實用方法》北京科技大學,李華瑞

主編,冶金工業出版社,1994年5.

《電子顯微分析使用方法》北京科技大學,吳杏芳主編,冶金工業出版社,1998年微結構實驗室2第一章X射線的基本性質（4h）§1.X射線的發現與研究

1.X射線的發現經過：放電管上蓋上黑紙，結果在數米遠的涂有鉑氯化鋇的熒光屏上有發光現象。他又在放電管與熒光屏之間放入物體，結果在熒光屏上成像。50歲的倫琴幾周連續做實驗，其成果在1895年12月召開的物理學、醫學協會上發表。這個成果轟動了全世界，1901年獲得第一次物理學獎。1895年11月，德國南部的大學教授W.C.Rontgen（倫琴）（1845~1923）研究陰極射線時發現。微結構實驗室32.X射線的研究（1）與X射線有關的諾貝爾獎年份諾貝爾獎研究者研究題目1901物理學獎W.C.RontgenX射線的發現1914物理學獎M.VonLaueX射線衍射現象的發現1915物理學獎W.H.Bragg，W.L.Bragg晶體結構的解析1917物理學獎C.C.Barkla特征X射線的發現1924物理學獎M.SiegbahnX射線分光法的發展1927物理學獎A.H.Compton非相干散射的解析1936化學獎P.J.W.Debye利用X射線、電子束衍射對分子結構的研究1946生理醫學獎H.J.Muller利用X射線對人工突然變異的發現微結構實驗室41962化學獎M.F.Perutz

J.C.Kendrew球狀蛋白質的結構分析1962生物醫學獎F.H.C.Crick，J.D.Watson，M.H.F.WilkinsDNA結構解析1964化學獎D.C.Hodglom生體物質的分子結構解析1979生物醫學獎G.N.Hounsfield,A.M.CormackX射線CT裝置的發明（核磁共振）1985化學獎H.A.Hauptman,J.Karle利用直接法對晶體結構的分析1988化學獎J.Deisenhofer,R.Huber,H.Michel光合成反應中的結構分析微結構實驗室5莫塞萊定律

H.G.J.Moseley(1887-1915)(莫塞萊)

1912英國Manchester大學研究生著手X射線的研究,測定了所有元素的標識X射線譜的波長，發現了與原子序數Z之間的關系。莫塞萊定律

解決了以原子順序列表的元素周期表的問題對N.Bohr

的原子結構理論的形成有貢獻可惜1915年8月第一次世界大戰在志愿參加的土耳其DaDanelles海峽登陸作戰中戰死27歲諾貝爾獎只給生存者與Moseley無緣微結構實驗室6微結構實驗室73.X射線衍射的用途①天文學太陽就是一X射線源。它向宇宙發出的X射線，其中一部分每天不停地向我們地球輻射而來。更遠的恒星上發射出更強的X射線，這個事實是由MIT麻省理工學院的B.Rossi教授等發現的。他們在1962年把X射線探測器裝在火箭上，探測到了X射線的存在。②醫學X射線透視，透射，X射線電視，X射線CT。骨折，牙病，胃潰瘍等消化系統的疾病。診斷得清楚。心臟病，動脈瘤等循環系統的疾病。③考古學出土文物得鑒別，走私，假冒文物的鑒別。發揮巨大作用。在航空上，火車交通上，飛機，火車的安全問題。另外：在工業上，正在運轉的機器，大型船舶，油船等。靠X射線透視來發現問題。微結構實驗室8④材料學（尤其是金屬學上）

決定材料強度的因素:a)

第二相或析出相的種類、形狀、大小、分布b)宏觀應力c)微觀應力d)晶粒的大小與形狀e)晶體取向的錯亂f)晶體位向的排列g)晶體缺陷的種類、分布、密度h)材料的表面狀態i)化學成分及原子排列狀態j)微觀裂紋等缺陷的大小、形狀、分布k)內部彈性能等微結構實驗室9§2.X射線的產生與本質

1.X射線的產生

(1)X射線管

微結構實驗室10基本工作原理：高速運動的電子與物體（陽極靶）碰撞時，發生能量轉換，其中0.1％的能量轉換為X射線的能量,產生X射線。其余的產生熱能使物體溫度升高。a.陰極：發射電子，由W絲制成。加熱后便能放射出熱輻射電子，在高壓（數萬伏）的作用下，向陽極靶撞擊。b.陽極：使電子突然減速而發射X射線。陽極靶材料由Cr，Fe，Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W制成。必須冷卻。以防靶熔化。（因99.9％轉換為熱能而升溫）c.窗口：由Be（鈹）片制成，X射線由陽極射出的地方。微結構實驗室11

X射線的產生①連續X射線：真空中，使加速電子與靶體相撞，加速電子減速，放射連續X射線。②特征X射線：加速電子激發構成靶體的原子，放射特征X射線。微結構實驗室特征X射線連續X射線X射線的產生靶體

X射線12②X射線儀

由X射線管及其它電器設備組成。這些設備有：a.高壓變壓器(為X射線管提供)，b.低壓穩壓電源(為燈絲加熱)，c.動控制和指示裝置

③X射線的探測預防護

a.熒光屏法：X射線照射到一些熒光物質上，可以激發出熒光。b.照相法：照相底片記錄。過量的X射線對生物體及人體細胞有傷害作用。一般用鉛屏遮蔽，鉛玻璃等。

微結構實驗室132.X射線的本質①X射線是波長為0.01～100?的電磁波，其本質和可見光，紅外線，紫外線，γ射線以及宇宙射線等相同。微結構實驗室14X射線與可見光以及其它微觀粒子（如電子，中子，質子）一樣具有波粒二象性，即波動與微粒的雙重特性。波動性：表現為以一定的頻率和波長在空間傳播。X射線的頻率ν，波長λ，以及光子的能量ε，動量p之間的關系：（1-1）h：普朗克常數，6.625×10-34J·S。c：X射線的速度，2.998×1010cm/s。（光速）微粒性：表現為以光子形式輻射和吸收時具有一定的質量，能量和動量。物質對X射線的折射率n近似等于1（小10-5～10-6）其偏差為

（1-2）m，e：電子的質量，電荷；N：物質的單位體積中的電子數c：光速，λ：X射線的波長。（因折射率近于1，因此不象可見光，不能做透鏡。）微結構實驗室15§3X射線譜

1.連續X射線譜（多色X射線）（continuousspectrum）

電子與靶體相撞，受靶體中的原子核的電場作用，接受庫倫力的作用，電子的路徑被彎曲而速度減速。這時放射的X射線為連續X射線。

能量eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射。由于多次輻射中各個光子的能量各不相同，因此出現一個連續X射線譜。最大能量或最小波長λm微結構實驗室1-31-416

式中：

e：電子電荷，等于4.803×10-10靜電單位；

h：普朗克常數，6.625×10-34J·S；ν：X射線的頻率；

c：X射線的速度；λ0：波長限(nm)V：電子通過時兩極的電壓降(電壓差是一個連續變化值)

i：管電流，V：管電壓，Z：靶體的原子序數，

Ki

：比例系數1.1～1.4×10-9，m約為2。1-51-6微結構實驗室17（1）連續X射線光譜電子→靶原子，產生連續的電磁輻射，連續的X射線光譜；成因：大量電子的能量轉換是一個隨機過程，多次碰撞；陰極發射電子方向差異，能量損失隨機；

微結構實驗室1819（2）特征X射線譜(標識)

(單色X射線)(Characteristicspectrum)

特征光譜產生：碰撞→躍遷↑(高)→空穴→躍遷↓(低)特征譜線的頻率：

R=1.097×107m-1,Rydberg常數；σ核外電子對核電荷的屏蔽常數；n電子殼層數；c光速；Z原子序數；不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎。

微結構實驗室20微結構實驗室21②特征X射線的產生機理

原子系統內的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。按能量從小到大各層次為K、L、M、N……等。屬于同一層的各個電子，能量并不完全相同，有極小的差別。這就產生了各譜線的雙重線現象。En1，En2分別為低能級和高能級中電子的能量。Wn1，Wn2分別為激發低能級和高能級中的電子所作的功。K.L.M.N.O以n表示第n層軌道上電子的能量En為(1-7)微結構實驗室22m：電子質量9.1095×10-31n：主量子數:屏蔽系數Z：厚度序數：電子由主量子數為年n1的層上躍遷到n2的層上時，輻射出光量子的頻率。：分別為n1層和n2層電子的能量。W：電子由某個殼層移動到無窮遠時所作的功。（1-8）式代入（1-7）式有(1-8)(1-9)微結構實驗室23令

比例系數，即有Moseley定律。X射線的強度以強為順序K，L，M系列LⅢ層K層Kα1線LⅡ層K層Kα2線(1-10)C，σ均為常數。圖1-8所示越是重元素其特征X射線的波長越短。微結構實驗室(1-11)24特征光譜——定性依據L→K層；K線系；n1=2，n2=1；

不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎；譜線強度——定量；微結構實驗室25躍遷定則：n=1,2,3，