材料方法第二章(第三节)教程.ppt

第二章 电磁辐射与材料的相互作用 ;X-射线： 一种波长介于紫外线和?射线之间的具有较短波长的电磁波。 ;X射线波长10–12——10–8m. 可见光的波长: ～4?10–7～7?10–7m， 可见:X射线比可见光,波长要短得多。;X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性:①波动性:以一定的频率和波长在空间传播; ②粒子性: X射线是由粒子流构成。; X射线波动性与微粒性的关系： E = h? = hc/? 式中 h —普朗克常数 h = 6.62618?10–34J·s； c — 光速 c = 3 ? 108m· s–1； E、 ? 、 ? —X射线光子的能量、 频率、波长。; X射线的强度用波动的观点描述：;共性:波粒二象性 不同： X射线波长短、能量大 不同体现在： ①穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织等。;②X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。 ③通过晶体时发生衍射，因而可用X射线研究晶体的内部结构。; 1. 源X射线的产生 装置：在实验室里, 产生X射线是利用具有高真空度的X射线管。;问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？;原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。 当钨丝被3～4A的电流加热后，发出热电子。;在阳极和阴极间加直流高压V， 阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。 电子的突然减速或停止运动,使大部分（99％）能量转变成热能,小部分（1％）转变为X射线。;为避免靶材熔解，加循环冷却水 X射线在与靶面约成6?角处的强度最大， 按此角度在管上开一窗口，让X射线透过 窗口材料：对X射线吸收少的Be;X射线谱分类;例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续谱, 当管压= 25kV，则出现特征谱.;2 .连续X射线谱;产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（?E）转为所发射X射线光子能量（h?），即h?=?E。由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成了连续谱。 ;极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长?0 即 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=X射线光子能量; 当管电流不变时， V↑→ ?0↓→I(?) 曲线上移;(2) 当管电压不变时， i ↑ → I(?)曲线上移 (?0不变） ;(3) 在相同的管电压和电流下, 靶材原子序数（Z） ↑ → I(?)曲线上移 (?0不变）;连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即;3 .特征X射线谱;特征X射线的产生与靶物质的原子结构有关。 原子结构：原子由原子核及绕核运动的电子组成。 电子分布在不同能级的壳层上， 离核最近的K层能级最低， 其次L、M、N等能级逐渐增高。;;特征X射线光子能量＝跃迁前后能级差 例：若K层产生空位，L层电子向K层 跃迁，则辐射的X射线光子能量： h?L →K = hc/?L →K = EL – EK ;c 光速； R = 1.097×107 m-1, 里德伯常数； Z 原子序数； σ 核外电子对核电荷的屏蔽常数； n 电子壳层数； 可见：不同元素具有自己的特征谱线。 ;特征X射线的命名 若K层产生空位，L层或M层或更外层电子向K层跃迁， 产生的X射线统称为K系特征辐射， 分别按顺序记为K?，K?，…射线。;距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少， ∴常见K?，K?辐射（忽略其它） 若M或N层电子→L层（空位）跃迁， 谱线记为L?，L?，…射线， 称为L系特征辐射等。 ;实例: 由近邻L层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K? 辐射。例如， ? CuK?= 1.5418?; 由次近邻M层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K?辐射。例如， ? CuK?= 1.3922? 。 ;实际上，K?是一个双重跃迁，以Cu为例， ?K?1=1.5405?， ?K?2=1.5443?; ;原因：这与原子能级的精细结构有关。L层分3个亚层，除L1层电子不符合选择定律（Δl=0），不能跃迁外，L2、L3层电子均可向K层跃迁，故形成了双线结构。;莫赛莱（Moseley)定律;莫赛莱（Moseley)定律的应用;;;(2）非相干散射(康普顿散射) 当入射X射线光子与原子