x射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用摘要修改版

x射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用摘要修改版内容摘要：

X 射线管是用人工方法获取 X 射线的最常用的器件。 它是由阴极、阳极、靶面、玻璃壳等部分组成（如图 31）。 用钨丝烧制成的阴极，在高温下可发射足够数量的电子，作为电子源 ；在阴极、阳极间加上由几十千伏至几百千伏的高压形成的强电场作用下，加速电子并形成高速电子流；钨制靶面镶嵌在阳极铜上，在经受电子轰击后产生 X 射线。 整个 X 射线管的靶、电极系统封装在高真空的玻璃壳内，玻璃壳用以固定电极并提供高速电子飞行和高温灯丝正常工作所必须的真空环境。 图 31X 射线管结构图 6 产生 X 射线的机理 X 射线是在能量转换中产生的。 它是根据靶原子的三个性质（核电场、轨道电子的结合能、原子处于最低能态）的需要来产生的。 在轰击电子并与靶原子的轨道电子或核相互作用下，其结果要把动能转化为热能和 X 射线形式能（图 32）。 一、 电离与激发 在轰击电子并与靶原子的外层轨道电子相互作用后，受到偏转并丢失部分能量。 轰击电子损失的这部分能量不足 以使靶原子电离，只是使其外层电子上升到能级差仅有几个电子伏特的 轨道上而受到激发。 由于原子总要保持最低能态的特性，相互作用过后，受激发 的 电子迅速回到它们的正常状态，即产生跃迁，并辐射出红外线（热能）。 因 X 射线管阳极升温产生的热能，就是由这些外层电子的激发和跃迁过程中转化而来的。 一般来说，在轰击电子时产生的动能中有 99%以上的能量都转化为热能，只有不到 1%的能量产生 X 射线。 可见， X 射 线机是一种效率非常低的能量转换装置。 （ 图 33） 表示在轰击电子并与靶原子的外围电子相互作用后把大部分动能都变成热能，这些相互作用主要是激发而不是电离， ‖e‖—表示被激发的电子。 图 33 靶原子电离与激发 图 32 钨原子能级图 X 射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用 7 二、 特性辐射 电子分布在不同能级的电子壳层（轨道）上，距核最近的第一层电子的能量最低，称 K 层；第二层称 L 层，具有较高的能量；其外侧为 M、 N、 O、 P 等层。 相邻两层能级之差依 K、 L、 M…… 的次序急剧地减小， K 层与 L 层之间的能量差最大。 每个壳层的最大电子数目为： K 层为 2， L 层为 8， M 层为 18， N 层为 32。 当高速电子流轰击阳极靶时，可以将阳极 靶原子内层的某些电子从其所在的电子壳层击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离。 这样，高速电子就将自身的能量级给予了阳级靶原子，并使其从基态跃迁到激发态。 如果是由最内层即 K 层电子转移到未饱和的更外面的某 X 层时，则高速轰击电子的能量 eV 应大于或等于 εXεK。 此处， εX 与 εK 分别为未饱和的 X 层与 K层电子的能量。 处于激发态的原子，因其能量高于基态处于不稳态，必然要向稳定的基态转化，即由较外层的电子跃入内层以填补空位，使原子系统的总能量重新降低而趋于稳定。 假设 K 层电子被激发后由 L 层电子跃迁 来补充，其降低的能量 εL –εK 将以一个 X 射线光子的形式辐射出来，辐射的频率由原子的能级差决定，即 h vLK =εL –εK vLK =εL –εK /h 这就是波长 λ=c/vLK =KLhc 的特性辐射。 同样，电子也可以由 M、 N 等层跃入缺位的 K 层，由于各层电子能量不同，故辐射出来的特征 X 射线的波长也各不相同 （图 34）。 图 34 特征 X 射线谱产生的示意图 1原子核 2电子 3K 系激发 4L 系激发 8 三、 轫致 辐射 它是由轰击电子并与靶原子的原子核相互作用的结果。 轰击 电子时产生的动能转化为电磁能并以 X 射线光子的形式被放射出来，这种 X 射线称为阻止 X 射线（亦称轫致 X 射线）。 阻止或轫致的意思是减速或制动。 可以认为，这种射线是由原子核对轰击电子的阻止或制动所产生的。 一个被轰击电子在与靶原子核相互作用时，可以损失任意量的动能，所以这种射线有一个相应的能量范围。 当轰击电子受原子核的影响很小时，产生低能量 X 射线光子；每当轰击电子一次若把全部能量都失去时，则会产生一个最大能量的 X 射线光子。 在这两个极端情况之间，所有不同能量的 X 射线光子都有可能发生，所以又称这种辐射为连续辐射 （图 35）。 图 35 X 射线的产生 X 射线产生机理及其衍射技术在材料分析中的应用 9 4 X 射线衍射 的 基本原理 由于 X射线是波长很短的 一种电磁辐射，常用的 X射线波长约 间，与晶体中的原子间距数量级相同，因此可以用晶体作为 X射线的天然衍射光栅，这就使得用 X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。 当 X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉。 当每两个相邻波源在某一方向的光程差 (△ )等于波长 λ的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这 种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。 △ =0的衍射叫零级衍射，△ =λ的衍射叫一级衍射，△ =nλ的衍射叫 n级衍射。 n不同，衍射方向也不同。 在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生 X射线间相互干涉的结果，决定了 X射线在晶体中衍射的方向，所以通过对衍射方向的测定，可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信 息。 晶体结构 =点阵 +结构基元，点阵又包括直线点阵，平面点阵和空间点阵．空间点阵可以看成是互不平行的三组直线点阵的组合，也可以看作是由互相平行且间距相等的一系 列平面点阵所组成。 劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发，研究衍射方向与晶胞参数之间的关系，从而提出了著名的劳厄方程和布拉格方程。 伦琴发现 X射线之后， 1912年德国物理学家劳厄首先根据 X射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级，理论预见到 X射线与晶体相遇会产生衍射现象，并且他成功地验证了这一预见，并由此推出了著名的劳厄定律 (式 1)，其中 h、 k、l=0、177。 177。 2等 ， h、 k、 l是发生衍射的晶面 因子（图 41）。 a(cosαcosα0 )=hλ b(cosβcosβ0)=kλ (1) c(cosγcosγ0)=lλ 其中 晶胞参数 α0、 β0、 γ0、 α、 β、 γ决定了衍射的方向。 劳厄等的重大发现引起了英国物理学家布拉格父子的关注，此后不久布拉格父子在劳厄试验的基础上 ， 导出了著名的布拉格定律 (式 2)， 其中， θ称为布拉格角{ 10 或半衍射角，这一定律表明了 X射线在晶体中产生衍射的条件。 2d l*k*h sinθ nl*nk*nh =nλ (2) λ为 X射线的波长， n为任何正整数。 当 X射线以掠角 θ(入射角的余角 )入射到某一点阵平面间距为 d的原子面上时 ， 在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。 h,k,l见列表 41。 为 布 拉 格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。 当 X射线波长 λ已知时 (选用固定波长的特征 X射线 )，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品 ,可从一堆任意取向的晶体中，从每一 θ角符合布 拉 格条件的反射面得到反射 ,测出 θ后，利用布 拉 格公式即可确定点阵平 面间距、晶胞大小和类型 ； 根据衍射线的强度 (公式 3),还可进一步确定晶胞内原子的排布。 这便是 X射线结构分析中的粉末法或德拜 谢乐 (Debye— Scherrer)法的理论基础。 而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即 θ不变） ， 以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布 拉格条件 ， 故选用连续 X射线束。 如果利用结构已知的晶体 ， 则在测定出衍射线的方向 θ后 ，便可计算 X射线的波长，从而判定产生特征 X射线的元素。 这便是 X射线谱术 ， 可用于分析金属和合金的成分。 已知一个晶胞的衍射强度（ HKL晶面）为： eHKLHKL IFI  2 若亚晶。