第一章X射线物理学基础

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1、11:04:5811:04:59本课程的作用本课程的作用教学基本要求教学基本要求考核方式考核方式课程主要内容课程主要内容11:04:59本课程在材料研究领域中起着不同寻常的本课程在材料研究领域中起着不同寻常的作用，它们将材料各专业的核心问题作用，它们将材料各专业的核心问题“组组成成结构结构性能性能”有机地联系在一起，从有机地联系在一起，从而实现本专业人才培养的目标而实现本专业人才培养的目标。 11:04:59掌掌 握握1. 各种测试技术的基本原理：各种测试技术的基本原理： X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；2. 技术的应用：技术的应用：

2、（1）仪器设备的基本构造与性能；）仪器设备的基本构造与性能；（2）对电子显微分析照片、）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分射线衍射图谱和热分析曲线等有分析处理能力；析处理能力；（3）具有进行物相初步鉴定的能力具有进行物相初步鉴定的能力（4）各种研究方法与测试技术优缺点。）各种研究方法与测试技术优缺点。11:04:5911:04:59第一篇第一篇 X射线衍射分析射线衍射分析第二篇第二篇 电子显微分析电子显微分析第三篇第三篇 热分析热分析11:04:59 1-1 X射线的产生及性质射线的产生及性质 1-2 X射线谱射线谱1-3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用11:04

3、:59 1895年德国物理学家伦琴（年德国物理学家伦琴（1901年年获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时发现了发现了X射线，后人为了纪念发现者也称射线，后人为了纪念发现者也称它为它为“伦琴射线伦琴射线”。 X射线技术目前在射线技术目前在工业和科学技术中的应用十分广泛，在工业和科学技术中的应用十分广泛，在材料工业及材料科学中材料工业及材料科学中X射线物相分析是射线物相分析是一种重要分析方法。一种重要分析方法。11:04:591912年，德国的年，德国的Laue第一次成功地进行第一次成功地进行X射射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的线通过晶体发生衍射的实验，验证

4、了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科埃方程式。从而形成了一门新的学科X射射线衍射晶体学。线衍射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）；年获得诺贝尔奖）；1913年，英国年，英国Bragg导出导出X射线晶体结构分析射线晶体结构分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定了了NaCl的晶体结构。（的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖)11:04:59 此外，此外， 莫赛莱于莫赛莱于1914年发现标识年发现标识X射线的波长与原子射线的波长与原子序数的关系，奠定了序数的关系

5、，奠定了X射线光谱学的基础。射线光谱学的基础。 巴克拉（巴克拉（1917年，发现元素的特征年，发现元素的特征X射线）射线） 塞格巴恩（塞格巴恩（1924年，年，X射线光谱学）射线光谱学） 德拜（德拜（1936年）、马勒（年）、马勒（1946年）、柯马克年）、柯马克（1979年）等人由于在年）等人由于在X射线及其应用方面研究而射线及其应用方面研究而获得化学、生物获得化学、生物、物理诺贝尔奖。物理诺贝尔奖。 豪普物曼和卡尔勒在豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用年代后建立了应用X射射线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构

6、方面起了重要推进作别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 11:04:59 X射线与无线电波、红外线、可见光、紫射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线外线射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或电磁辐射，它的波长为电磁辐射，它的波长为10-1210-8m ，在电磁，在电磁波谱中位于紫外线与波谱中位于紫外线与 射线之间并与它们部分射线之间并与它们部分相重叠。相重叠。一般波长短的一般波长短的X射线穿透能力强，称射线穿透能力强，称为硬为硬X射线，反之则称为软射线，反之则称为软X射线。射线。用于晶体用

7、于晶体衍射分析常用的衍射分析常用的X射线波长约在射线波长约在2.5到到0.5 之间。之间。11:04:5910-6 10-3 1 103 106 109 1012X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio wavesWavelength(nm)可见光可见光微波微波无线电波无线电波11:04:59 高能辐射区 射线 能量最高，来自于核能级跃迁 射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 来自原子核自旋能级的跃

8、迁电磁波谱的本质：电磁波谱的本质：电磁辐射按波长顺序排列电磁辐射按波长顺序排列 11:04:59电电磁原理：磁原理： 当带电当带电粒子在加速或粒子在加速或减减速速过过程中程中，会释会释放出放出电电磁波，在巨大加速或磁波，在巨大加速或减减速速过过程中程中，所所释释放放的电的电磁波具有高能量磁波具有高能量，当当其波其波长长在在10-1210-8m则则成成X光。光。11:04:59 用用高速加速高速加速的电的电子束撞子束撞击击阳极靶时阳极靶时，高速，高速电子电子受到靶受到靶原子原子的阻的阻挡挡，急急速速停下停下来来，其部分其部分动动能能则则以以X光的光的形式释形式释放放出來出來。高速高速电电子撞子撞

9、击时减击时减少的能量少的能量E 、所所转转化出化出来的来的X光波光波长长，根根据爱据爱因斯坦公式因斯坦公式Ehhc/可表示可表示为为：11:04:59 量子原理：量子原理：高速高速电电子在撞子在撞击击到原子到原子时时，很容，很容易易将将能量能量传送传送給原子中的給原子中的电电子子，而使原子而使原子离离子子化化。当。当原子內原子內层轨道的电层轨道的电子被激子被激发后发后，其其空空位位很快很快会会被外被外层电层电子的子的跃跃入入填满填满，在此在此电电子子跃迁跃迁的的过过程中程中，由由于于不同不同轨道间轨道间的能量的能量差差，X光光会会随着随着放出。放出。 此此过过程所程所产产生的生的X光光与与原子

10、中原子中电子电子轨道的轨道的能量有能量有关关。11:04:59X-射线：波长射线：波长0.001-10nm的电磁波的电磁波高速电子撞击使阳极元素的内层电子激高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发，产生发，产生X射线辐射。射线辐射。11:05:00X光管工作情形11:05:00封闭式X射线管11:05:00高功率旋转阳极电子束电子束X射线射线11:05:00加速器中可以引出加速器中可以引出X X射线射线11:05:00X射线产生必须具备的三个基本条件：射线产生必须具备的三个基本条件： () 产生自由电子产生自由电子; () 使电子作定向高速运动使电子作定向高速运动; () 有障碍物使其突然减速有障

11、碍物使其突然减速;11:05:004. X射线的性质射线的性质 是电磁波，具有波粒二象性。是电磁波，具有波粒二象性。 =h=h(c/) ， P=h/； 能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长和频率。和频率。 具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收使其强度减弱，能杀伤生物细胞。使其强度减弱，能杀伤生物细胞。 沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使其发生偏转。其发生偏转。11:05:00一、一、X射线的产生射线