X射线衍射实验讲义

2-2、实验室X射线的产生

外接专用电源进入调压器，经高压变压器，会得到几十千伏的高压，再经整流器、稳压器后，所得到的高压加到处于高真空的阴极钨灯丝上，灯丝被3-4A的电流加热发出大量的热电子，电子经聚焦后在20000-60000V的电压下加速后撞击阳极的金属靶（由Cu、Mo、Ni等熔点高，导热性好的金属材料制成），电子猝然减速或停止，大部分能量（约99%）以热辐射形式耗掉，少量能量(约1%)以X射线形式向外辐射，产生X射线谱。 2-3、X射线的性质

由X射线管发出的X射线包含两部分：一部分具有连续波长的连续谱（“白色”谱）；另一部分是由阳极金属材料成分决定的波长确定的特征X射线，称为特征谱，也称为单色谱或标识谱。 2-3-1、连续谱

连续谱是从某个最短波长（?min）开始，强度随波长连续变化的线谱。产生机理：

运用近代量子理论的观点对连续X射线谱作简要解释。量子理论认为，

当能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射。每碰撞一次产生一个能量为h?的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目十分巨大，在这些电子中，有的可能只经过一次碰撞就耗尽了全部的能量，而绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地耗损自己的能量，每个电子每经历一次碰撞产生一个光子，多次碰撞产生多次辐射。由于多次辐射中各个光子的能量各不相同，因此出现一个连续X射线谱。

?E?eV?hv?hc?

当高速运动的电子击靶时，电子突然受阻被减速，电子减少的动能（??）转为所发射X射线光子能量（hv）,即hv =??。由于击靶的电子数目十分巨大（当管电流10mA时，每秒就有1017个电子），击靶时间不同、穿透深浅不同、损失的动能不同等，因此，电子动能转化为X射线光子的能量有多有少，产生的X射线的频率也有高有低，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成连续谱。

作业1：（a）图中为什么会出现?min？

? ?E?hv

? 在极限情况下，若电子将其能量完全转化为一个光子能量，则此光子能

量最大。 又? ?E?eV?hv?hc?

? 能量最大的光子其波长最短，频率最高。因此连续谱有一个下限波长

?min。

作业2：图（b）中从坐标横轴来看，为什么先出现??，后出现??？

2-3-2、特征谱

特征谱是若干波长一定而强度很大的X射线谱。

产生机理：当高速运动的电子击靶时，具有高能量的电子深入到靶材的原子最里层，击出原子内层轨道的一个电子，使原子处于不稳定的激发态，为使原子恢复到稳定的低能态，邻近层的电子立即自发地填其空穴，同时伴随多余能量的释放（因为外层轨道电子能量比内层轨道电子能量高），产生波长恒定的X射线谱。其X射线的频率和能量由电子跃迁前后电子能级（?2和?1）决定，即

?E?E2?E1?h??hc?

特征X射线谱的命名要考虑以下几点：

1、某层电子被激发，称某系激发。如K层电子被激发，称K系激发。

2、某受激层电子空穴被外层电子填充后所产生的X射线辐射称某系辐射、某系谱线或某线系。如外层电子填K层空穴后所产生的X射线谱称K系辐射。

3、当电子填空穴前处于近邻、次近邻、…、电子层，则在对应谱线名称下方标上?、?、?、…，如L、M层电子跃至K层，对应称??、??系线。M层电子跃至L层，对应称L?系线。

4、当电子填空穴前处于某电子层的各亚层，则在该谱线名称下方再标上数字。

??的波长是??1 、??2波长的加权平均值，即

对于Cu靶X

21???????1????2

33射线：???1?1.54059 ?，???2?1.54442 ?，则

????1.54187 ?。

作业3：在实际的精确测量中，我们往往要考虑??2对实验结果的影响，即进行??2分离，为什么？

作业4：名词解释半高宽，积分半高宽。用图解法表示求积分半高宽的方法。

第三章 粉晶X射线衍射原理

3-1、布拉格方程

英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）把空间点阵理解为互相平行且面间距相等的一组平面点阵（或面网），将晶体对X射线的衍射视为某些面网对X射线的选择性反射。X射线具有很强的穿透力，透