材料现代分析方法学习辅导例题与习题.docx

第一章 X射线物理学基础
一本章关键知识总结
1、X射线的性质、产生及产生装置
性质:电磁辐射,与可见光完全相同,仅是波长短而已,因此具有波粒二像性。
波动性:X射线的波长范围,~100 Å;表现形式,在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象,即证明了X射线的波动性。
粒子性:特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量,在与物质相互作用时交换能量,如光电效应、二次电子等。
产生条件:;
;
。
产生装置:X射线管。
2、X射线谱
X射线谱:定义,分类
连续X射线谱:谱的特征,产生条件及产生机理(量子解析),短波限及存在原因,强度及效率,谱峰位置及强度影响因素。
特征X射线谱:谱的特征,产生条件及产生机理(电子跃迁,能量最小原理),临界激发电压, K(α, β, γ)系,L(α, β,γ)系,M系……等辐射线系的产生及特征
比较两类X 射线产生机理(前者:电子与靶碰撞时以光子形式消耗部分能量;后者:电子受激跃迁过程中以光子形式释放能量)
3、X射线与物质的相互作用
1) 物质对X射线的真吸收:
(1) 热效应
(2) 光电效应(吸收体的某壳层电子受X射线辐射时,吸收了足够的X射线光量子的能量,从内层溢出成为自由电子(光电子)而在内层中留下空位,外层电子向内跃迁复合空位的过程中,向外辐射特征X射线(二次X射线,或称荧光X射线),
用途:成分分析:用于Z>20的重元素
( 3)俄歇效应(除了同时发生光电效应外,外层还有一个邻近电子吸收多余的X射线光量子能量,跃出吸收体,成为俄歇电子,从而在外层中留下两个空位,俄歇电子的能量EKLL是吸收体元素的特征,
用途:成分分析:用于表层轻元素
( 4)吸收系数与吸收限:吸收限的本质(光电效应)及吸收限的应用
2)物质对X射线的“假”吸收(散射)
(1) 相干散射(当x射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时,光子把能量全部转给电子。但光量子能量不足以使原子电离,但电子可在X射线交变电场作用下发生受迫振动,这样的电子就成为一个电磁波的发射源,向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射,可能相互干涉---衍射的基础)
(2) 非相干散射(当x射线光与束缚力不大的外层电子相碰撞时,这个电子将被撞离原运行方向同时带走光子的一部分动能成为反冲电子;x射线光量子也因碰撞而损失掉一部分能量,使得波长增加并与原运动方向偏离2θ角---不能衍射,形成背底,越小越好)
二、例题
分析下列荧光辐射产生的可能性,为什么?
(1)用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射;
(2)用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射;
(3)用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。
答:根据经典原子模型,原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上,在稳定状态下,每个壳层有一定数量的电子,他们有一定的能量。最内层能量最低,向外能量依次增加。
根据能量关系,M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差,K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差,所以Kß的能量大于Ka的能量,Ka能量大于La的能量。
因此在不考虑能量损失的情况下:
CuKa能激发CuKa荧光辐射;(能量相同)
CuKß能激发CuKa荧光辐射;(Kß>Ka)
CuKa能激发CuLa荧光辐射;(Ka>la)
什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效应”?
答:⑴当χ射线通过物质时,物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动,受迫振动产生交变电磁场,其频率与入射线的频率相同,这种由于散射线与入射线的波长和频率一致,位相固定,在相同方向上各散射波符合相干条件,故称为相干散射。
⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后,可以得到波长比入射χ射线长的χ射线,且波长随散射方向不同而改变,这种散射现象称为非相干散射。
⑶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χ射线光子激发原子所发生的辐射过程,称荧光辐射。或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量,如入射光子的能量必须等于或大于将K电子从无穷远移至K层时所作的功W,称此时的光子波长λ称为K系的吸收限。
⑸当原子中K层的一个电子被打出后,它就处于K激发状态,其能量为Ek。如果一个L层电子来填充这个空位,K电离就变成了L电离,其能由Ek变成El,此时将释Ek-El的能量,可能产生荧光χ射线,也可能给予L层的电子,使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两