X射线衍射分析（基础与应用）

一.X射线的特性

人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。

? X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 ? X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物

细胞。

二.X射线具有波粒二相性

1.X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此其同样具有波粒二象性。波动性:

? 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探

伤及金属物相分析。

? 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。 ? 三.X光与可见光的区别

? 1) X光不折射，因为所有物质对X光的折光指数都接近1。因此无X光透镜或X光

显微镜。 ? 2) X光无反射

? 3) X光可为重元素所吸收，故可用于医学造影。

1.3 X射线的产生及X射线管

X射线的产生：

X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。 产生原理

X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质（阳极靶）相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。高速运动的电子与物体碰撞时，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，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。 产生X射线条件

? 1.产生自由电子；

? 2.使电子作定向的高速运动（阴极阳极间加高电压）;

? 3.在其运动的路径上设置一个障碍物（阳极靶）使电子突然减速或停止。

? 阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。 ? 阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。

窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。

旋转阳极

高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。3000r/min 因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。

思考：

1、为何X光管应抽真空？ 1-4 X射线谱

X射线谱指的是X射线的强度（I）随波长（λ）变化的关系曲线。X射线强度大小由单位面积上的光量子数决定。

? 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： ? (1)连续（白色）X射线 ? (2)特征（标识）X射线 ? 连续辐射，特征辐射

(1) 连续X射线

由具有从某个最短波长（短波极限λ0）开始的连续的各种波长的X射线的集合（即：波长范围为λ0 ~λ∝） 短波限

? 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0。它是由电子一次碰撞就

耗尽能量所产生的X射线，此光子能量最大波长最短。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。

? 光子能量为：

? 式中 e —电子电荷，等于 （库仑） ? V—管电压

?34h—普朗克常数，等于 6.625?10j?s

X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子数目（能量）的总和。 常用单位是J/cm2.s. X射线功率K1ZV2??X射线管效率???K1ZV 电子流功率iV? 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管

压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪左右，99％的能量都转变为热能。

hc m??I?K1iZV0 连eV

1、当增加X射线管压时，各波长射线的相对强度一致增高，最大强度波长λm和短波限λ0变小。2、当管压保持不变，增加管流时，各种波长的X射线相对强度一致增高， 但λ0数值大小不变。3、当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随元素的原子序数的增加而增加。

总结：连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材料（一般为钨靶）的原子序数有关 标识X射线的特征

? 当电压低于临界电压时，只产生连续X射线。当电压达到临界电压时，在连续X射

线的基础上产生波长一定的谱线，构成标识X射线谱。当电压、电流继续增加时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。这种谱线的波长只决定于阳极材料，不同元素的阳极材料发出不同波长的X射线。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K?和Kβ，波长分别为0.71 ?和0.63 ?.

产生机理

? 在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击

出时，于是在低能级上出现空位，系统处于不稳定激发态。此时较外层较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱：h?n2?n1=En2－En1，射线波长

? λ＝h/ΔE必然是个仅仅取决于原子外层电子结构特点的常数，或者说是个仅仅取决

于原子序数的常数.

莫塞莱定律

? 同系（例如K?1、L?1等）特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级

结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：

莫塞莱定律：同系特征X射线谱的波长λ或频率?与原子序数Z关系为：

1 ?C?Z???或者 ??C1?Z????

? ：波长; C：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数; Z ：靶材原子序数; ? ：屏蔽常数

根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。

特征X射线波长与靶材料原子序数有关

原子序数越大，核对内层电子引力上升，?下降

? X射线被物质散射时，产生两种现象： ? 相干散射； ? 非相干散射。

1. 相干散射