材料分析方法第一章

材料分析方法，周玉版 现代材料分析技术，川大版发布于幕布，包含X射线的性质、 X射线的产生、 x射线谱、x射线与物质的相互作用等。

中心主题

• X射线的性质
  • X射线是一种波长很短的电磁波 X射线的波长范围为0.01~10nm X射线一种横波，由交替变化的电场和磁场组成 X射线除了具有波粒二象性 既可以把X射线看成是一束具有一定能量的光量子流
  • Ⅹ射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？
    • 波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性； 微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量，能量和动量，反映了物质运动的分立性。
• X射线的产生
  • 板状阳极（靶）和阴极（灯丝）密封在一个玻璃-金属管壳内，阴极通电加热，阴阳两极间加直流高压U（千伏），则阴极产生大量热电子e将在高压电场作用下飞向阳极，他们与阳极碰撞的瞬间产生X射线。
  • 电子式 X 射线管中产生 X 射线的条件可归纳为：
    • 1，产生自由电子； 2，在高压电场的作用下迫使这些电子作定向高速运动； 3，在电子运动路径上设障碍物以急剧改变电子的运动速度。
• x射线谱
  • 连续X射线谱
    • 名词解释：强度随着波长连续变化的谱线
    • 特点：X射线波长从一个最小值λSWL向长波方向伸展，强度在λm处有最大值
    • 短波限：
      • x射线在不同管电压下，连续谱上存在的一个最短波长值
    • 连续谱与管电压U、管电流i、阳极靶材的原子序数Z相互作用规律 1、管电压提高，各波长X射线强度均提高，短波限λSWL和强度最大值对应的λm减小 2、管电流提高，各波长X射线强度均提高，短波限λSWL和强度最大值对应的λm不变 3、阳极靶材的原子序数越高，规律同管电流
    • 用量子理论可以解释连续谱和短波限
      • 即在管电压U作用下，电子到达阳极靶的动能为eU，若电子在一次碰撞中将全部能量转化为一个光量子，这个光量子可获得最大能量hvmax ，其波长即为短波限λswl
      • 绝大部分电子到达阳极靶，经多次碰撞消耗其能量，而每次碰撞能量消耗不同， 产生大于λswl的不同波长的X射线，而构成波长连续变化的X射线谱
  • 特征x射线谱
    • 在某些特定波长位置上，出现的一系列强度高、波长范围窄的线状光谱，它们的波长与阳极靶材的原子序数有确定的关系，可作为靶材的标志和特征，称为特征谱或标识谱
    • 特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只取决于阳极靶材元素的原子序数，阳极靶材的原子序数越大，相应于同一系的波长越短。
    • 产生
      • 试样原子体系中内层的某些电子被击出或跃迁到外部壳层后，而在内层留下空位，这是处在外层高能态的电子向内层低能态跃迁过程中多余能量的一种释放方式，即发出具有特定波长的特征X射线
• x射线与物质的相互作用
  • x射线透射系数和吸收系数
    • 线吸收系数μl：表明物质对X射线的吸收特性。即X射线通过单位厚度物质的相对衰减量
    • 质量吸收系数μm：x射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量 μm=μl/ρ，取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ
      • 经验公式表明： 式中，C为常数。物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强;对于一定的吸收体，射线波越短，穿透能力越强，吸收系数下降。但随波长减小，μm并非单调下降，
    • 吸收限：随着x射线波长的减小，某些波长对应的质量吸收系数突然增大，所对应的波长称为吸收限。吸收限是吸收元素的特征量，每种物质都有其特定的一系列吸收限
    • 吸收谱
      • 带有特征吸收限的吸收系数曲线
  • x射线的真吸收
    • 光电效应：当X射线光量子具有足够能量，可以将原子内层电子击出而成为自由电子。被击出的电子称光电子，这种光子击出电子的现象称为光电效应。
      • 光电效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射波长即吸收限。
    • 俄歇效应：原子K层电子被击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，而另一个L层电子获得能量跃出吸收体成为俄歇电子，称这种一个K层空位被两个L层空位代替的过程为俄歇效应
    • 真吸收
      • 光电效应造成的入射X射线能量的消耗
      • X射线穿过物质时而产生的热效应。
    • 滤波片
      • 滤波片原理
        • 利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波片，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的光源。
      • 滤波片元素的原子序均比靶元素的原子序小1-2
    • 荧光辐射。或二次荧光。
      • 一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个 K 电子，当外层电子来填充 K 空位时，将向外辐射 K 系χ射线，这种由入射线光子激发的特征x射线
• x射线的散射（XRD实验）
  • 相干散射
    • 当X射线与受原子核束缚较紧的电子发生弹性碰撞，散射的射线波长相同与入射X射线波长相同的散射，有可能相互干涉
  • 不相干散射
    • 当X射线与受原子核束缚较弱的电子非弹性碰撞碰撞时，使电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电子，X射线能量损失，而发生波长变长的不相干散射
• X射线和物质相互作用产生的散射和真吸收，将引起强度衰减。一般情况下，X射线的哀减主要是真吸收造成的，散射仅占很小一部分