第一篇 固体 X 射线衍射术
韦文生 温州大学大学物理与电子信息学院
浙江温州 325000
内容: 第一章 X 射线基础 第二章 晶体对 X 射线的衍射 第三章 物相分析 第四章 定量相分析 第五章 平均晶粒度的测定 第六章 宏观残余应力的测定 后记 2 21 39 45 56 69 79
要求: (1)了解:X 射线物理学基础,X 射线与物质相互作用,X 射线衍射的动力学理 论以及 X 射线衍射仪与实验技术; (2)掌握:X 射线衍射的运动学理论;物相分析和成分的原理和方法要点.
重点: X 射线衍射的运动学理论;物相分析和成分的原理.
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第一章 X 射线基础
ξ1.1 概述 1895 年伦琴(W.C.Roentgen)研究阴极射线管时,发现管的对阴极能放出一 种有穿透力的肉眼看不见的射线.由于它的本质在当时是一个"未知数",故称之 为 X 射线.这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用——X 射线透视技术. 1912 年劳埃(M.Von Laue)以晶体为光栅,发现了晶体的 X 射线衍射现象,确定 了 X 射线的电磁波性质.此后,X 射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关 学科带来突破性的飞跃发展.由于 X 射线的重大意义和价值,所以人们又以它 的发现者的名字为其命名,称之为伦琴射线. X射线和可见光一样属于电磁辐射,但其波长比可见光短得多,介于紫外线 与γ射线之间,约为 10-2到 102埃的范围(图 1.1).
X 射线的频率大约是可见光的 103 倍, 所以它的光子能量比可见光的光子能 量大得多,表现明显的粒子性.由于 X 射线波长短,光子能量大的两个基本特 性,所以,X 射线光学(几何光学和物理光学)虽然具有和普通光学一样的理论
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基础,但两者的性质却有很大的区别,X 射线与物质相互作用时产生的效应和可 见光也迥然不同. X 射线和其它电磁波一样,能产生反射,折射,散射,干涉,衍射,偏振和 吸收等现象.但是,在通常实验条件下,很难观察到 X 射线的反射.对于所有 的介质,X 射线的折射率 n 都很接近于 1(但小于 1),所以几乎不能被偏折到 任一有实际用途的程度,不可能像可见光那样用透镜成像.因为 n≈1,所以只有 在极精密的工作中才需考虑折射对 X 射线作用介质的影响.X 射线能产生全反 射,但是其掠射角极小,一般不会超过 20'～30'. 在物质的微观结构中,原子和分子的距离(1 ～ 10 埃左右)正好落在X射 线的波长范围内,所以物质(特别是晶体)对X射线的散射和衍射能够传递极为 丰富的微观结构信息.可以说,大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集 中在散射和衍射现象上,尤其是衍射方面.X射线衍射方法是当今研究物质微观 结构的主要方法. X射线穿透物质时都会被部分吸收,其强度将被衰减变弱; 吸收的程度与物质 的组成,密度和厚度有关.在此过程中X射线与物质的相互作用是很复杂的,会 引起多种效应,产生多种物理,化学过程.例如,它可以使气体电离;使一些物 质发出可见的荧光; 能破坏物质的化学键, 引起化学分解, 也能促使新键的形成, 促进物质的合成;作用于生物细胞组织,还会导致生理效应,使新陈代谢发生变 化甚至造成辐射损伤.然而,就X射线与物质之间的物理作用而言,可以分为两 类:入射线被电子散射的过程以及入射线能量被原子吸收的过程. X 射线散射的过程又可分为两种,一种是只引起 X 射线方向的改变, 不引起能 量变化的散射,称为相干散射,这是 X 射线衍射的物理基础;另一种是既引起 X 射线光子方向改变,也引起其能量的改变的散射,称为不相干散射或康普顿散射 (或康普顿效应),此过程同时产生反冲电子(光电子). 物质吸收 X 射线的过程主要是光电效应和热效应.物质中原子被入射 X 射 线激发,受激原子产生二次辐射和光电子,入射线的能量因此被转化从而导致衰 减.二次辐射又称为荧光 X 射线,是受激原子的特征射线,与入射线波长无关. 荧光辐射是 X 射线光谱分析的依据.如果入射光子的能量被吸收,却没有激发
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出光电子,那么其能量只是转变为物质中分子的热振动能,以热的形式成为物质 的内能. 综上所述, 射线的主要物理性质及其穿过物质时的物理作用可以概括地用 X 下图表示:
ξ1.2X 射线的产生 现在人们已经发现了许多的 X 射线产生机制, 其中最为实用的能获得有足 够强度的 X 射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线(高速电子 束)轰击对阴极(靶)的表面.各种各样专门用来产生 X 射线的 X 射线管工作 原理可用下图表示:

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