上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 探索微观物质世界 第七讲X射线衍射技术 漏 饶群力 上海交通大学 nnnn 分析测试中心 SHANG 1日gG
探索微观物质世界 饶群力 上海交通大学 分析测试中心 第七讲 X射线衍射技术
上游充大学 射线具有波粒二象性 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 解释X射线的传播过程（干涉、衍射等)时，将其看作波， 用波长λ、频率V、振幅A,和传播方向来表征 ©电磁波的波动方程：体现X射线波的特性 -sin2x() C V:电磁波的振动频率λ： 电磁波的波长 V
X射线具有波粒二象性 解释X射线的传播过程（干涉、衍射等）时，将其看作波， 用波长λ、频率ν、振幅A0和传播方向来表征 电磁波的波动方程：体现X射线波的特性 sin 2 ( ) , 0 t x Ax t A ν：电磁波的振动频率λ： 电磁波的波长 c
上游充通大学 X射线的产生 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生 的电磁辐射，包括： ④-连续谱 ©-特征X射线
X射线的产生 X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生 的电磁辐射，包括： -连续谱 -特征X射线
上游充通大兽 连续谱与特征谱 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Rh Ka Cr Ka. ■连续谱：高速电子在阳极原 子核场中运动受阻，能量迅 速损失而产生宽带连续X射 线谱。 RhKB 特征X射线：当化学元素受 5 高能光子或粒子照射，如内 CrKB 层电子被激发，将产生空 穴，当外层电子跃迁时，就 会放射出特征X射线。 Compton scatter Compton scatter
连续谱与特征谱
上游充通大兽 特征（标识)X射线谱 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 莫塞莱(H.G.J.Moseley)深入研究了放射X射线光谱并 且建立了特征辐射的波长与发生辐射的靶材料原子序数Z 之间的关系。 K(2-) 式中 入一某系的标识射线的波长； K、σ一对给定的标识射线系均为常数 常用的几种阳极材料的标识射线波长 阳极 原子 K系标识射线的波长mm 吸收限 激发 工作 物质 序数 Ax/nm 电压kV 电压/kV 名称 Z K.(注) K K. Ko Cr 24 0.2291002 0.2293606 0.2289700 0.2084870 0.207020 5.41 20-25 Fe 26 0.1937355 0.1939980 0.1936042 0.1756610 0.174346 6.40 25-30 Co 27 0.1790260 0.17928500.1788965 0.1620790 0.160815 6.93 30 Ni 28 0.1659189 C.16617470.1657910 0.1500135 0.148807 7.47 30-35 Cu 29 .0.1541838 0.15443900.1540562 0.1392218 0.138059 8.04 35-40 Mo 42 0.0710730 0.07135900.07193000.0632288 0.061978 17.44 50-55 Ag 47 0.0560871 0.05637980.05594080.0497069 0.048589 22.11 55-60 注 K,=(2×K1+K)/3
特征（标识）X射线谱 莫塞莱（H.G.J. Moseley）深入研究了放射X射线光谱并 且建立了特征辐射的波长与发生辐射的靶材料原子序数Z 之间的关系
上游充通大兽 特征X射线的产生 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 莫塞莱之后，1920年，W.Kossel首次正确的提 出了依照波尔(Bohr)的电子能级理论对X射线 光谱的合理解释： 一个原子内的所有电子是分布在K,L,M,N(对应于 n=1,2,3,4,.)等若干个壳层里面。 该理论推测：相邻壳层间的能量差随着主量子数的减小 而增加，而且从n=2到n=1的电子跃迁会导致非常强烈的 辐射（短波长）； ®相反，外层电子跃迁（例如，从n=5到n=4)就弱得多 (长波长)
特征X射线的产生 莫塞莱之后，1920年，W. Kossel首次正确的提 出了依照波尔（Bohr）的电子能级理论对X射线 光谱的合理解释： 一个原子内的所有电子是分布在K, L, M, N(对应于 n=1,2,3,4,…）等若干个壳层里面。 该理论推测：相邻壳层间的能量差随着主量子数n的减小 而增加，而且从n=2到n=1的电子跃迁会导致非常强烈的 辐射（短波长）； 相反，外层电子跃迁（例如，从n=5到n=4）就弱得多 （长波长)
上海充通大学 K和L系特征X射线部分能级图 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY n l j 10% K Lm K Ka1 豆豆 m K Ka2 Mm一K KB1 K系 20% Mm一K KB2 21% 2132 岳 Nm一K KB3 百车片 30% My-Lm Lo1 31⅓ 出 M-一Lm La2 3132 Mw一L LB1 L系 3232 3262 Mv Ly1 K lines L lines
K和L系特征X射线部分能级图
上游充通大警 特征X射线产生的物理本质 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不 相容原理不连续地分布在K、L、M、N..等不 同能级的轨道（壳层)上，而且按能量最低原理 首先填充最靠近原子核的第K层，再依次填L、M、 N等。 当具有足够能量的电子（大于或等于壳层电子的 结合能)轰击阳极靶时，可能原子内层的某些 电子逐出，使原子电离而处于激发态，空位将被 较高能量壳层的电子所填充，能量差则以X射线 光子的形式辐射出来，结果得到具有固定能量 固定波长的X射线，这就是“标识谱”或“特征 谱
特征X射线产生的物理本质 根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不 相容原理不连续地分布在K、L、M、N……等不 同能级的轨道（壳层）上，而且按能量最低原理 首先填充最靠近原子核的第K层，再依次填L、M、 N等。 当具有足够能量的电子（大于或等于壳层电子的 结合能）轰击阳极靶时，可能将原子内层的某些 电子逐出，使原子电离而处于激发态，空位将被 较高能量壳层的电子所填充，能量差则以X射线 光子的形式辐射出来，结果得到具有固定能量， 固定波长的X射线，这就是“标识谱”或“特征 谱
上游充通大警 特征X射线产生的物理本质 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 在元素周期表中各种元素的谱线形成了有规律的 排列，并以K,L,M,N,.表示的若干谱系 各种元素的同名谱系（如同为K系)激发电位和 同名特征光谱的波长，随原子序数的大小而发生 变化，与管电压和管电流的大小无关。 对于不同元素的同名谱线，随着原子序数的增加， 波长变短。 特征光谱的这些物理现象和特点，由各种元素的 原子结构决定的
特征X射线产生的物理本质 在元素周期表中各种元素的谱线形成了有规律的 排列，并以K，L，M，N，…表示的若干谱系 各种元素的同名谱系（如同为K系）激发电位和 同名特征光谱的波长，随原子序数的大小而发生 变化，与管电压和管电流的大小无关。 对于不同元素的同名谱线，随着原子序数的增加， 波长变短。 特征光谱的这些物理现象和特点，由各种元素的 原子结构决定的
上海充通大粤 特征X射线谱 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY K系激发 L系激发 K B 余的能量以<射线形式放出。 K L 空位。外壳层的电子跃迁到内层，多 将内层电子激发出去，形成一个内层 特定能量。当外加能量足够大时，可 在原子内固定壳层上的电子具有 M N
特征 X射线谱 NMKL Kγ K α K β L α L β K系激发 L系激发 在原子内固定壳层上的电子具有 特定能量。当外加能量足够大时，可 将内层电子激发出去，形成一个内层 空位。外壳层的电子跃迁到内层，多 余的能量以X 射线形式放出