第三章X射线物理学和在晶体中的衍射第一节X射线物理学一、X射线的本质及产生1、X射线的本质X射线(伦琴射线)是一种电磁波，波长0.01-100Å(用于晶体分析的X射线波长介于0.5-2.3Å），可见光的波长大致在3900-7700Å之间，故X线的波长比可见光的短得多。包括可见光和X射线在内的所有电磁辐射都具有波粒二象性—波动性和粒子性的双重性质，既可看成是一种波动，具有一定波长λ和频率ν，又可看成是一种以光速c运动的粒子集团—光子（量子）流，每个光子都具有一定的能量ε，即：ε=hν=hc/λ。h—为普朗克常数，6.625×10-27尔格•秒；光速c约为3×1010尔格厘米/秒；ν—为射线的频率。辐射的双重性是互补的，在不同的实验条件下，有时波动性表现明显，有时粒子性则表现明显。对X射线而言，因波长短的多，故其粒子性要比可见光显著得多。2、X射线的产生高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。因此，要获得X射线，必须满足以下条件：⑴产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子（电流3-4安培）；⑵在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动；⑶在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。X光管工作原理：高速运动的电子与物体发生碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1%左右）能量转变为X射线的能量产生X射线，绝大部分能量转变成热能使物体（靶）温度升高。X射线管：管压<10-6mm汞柱,，高压30-50KV。二、X射线谱1、连续X光谱三、X射线与物质的相互作用射入晶体后产生的现象2、二次射线3、吸收现象图3-3吸收、散射4、X射线强度的衰减和吸收系数5、吸收突变和吸收边（3）K吸收边的应用：靶的波长比分析样品元素的吸收边波长长一些或短很多，即靶的原子序数比分析样品中元素的原子序数小些或大很多。若分析样品中元素的原子序数比所采用靶的元素的原子序数小1-4，会产生荧光散射，不利于分析。靶的选取—Cu靶不适合分析Mn,Fe,Co,Ni元素矿物；Fe靶不适合分析Ti,V,Cr,Mn元素矿物；因为这些元素的λkp正好大于靶的波长，会对靶的波长产生吸收，产生背景。Cu靶Z=29，λkα1=1.5406ǺFe靶Z=26，λkp=1.743Ǻ滤波片的选取—其原子序数比靶的小1。让滤波片的λkp介于靶的Kα和Kβ波长之间。Cu靶/Ni，Fe靶/Mn，Mo靶/Zr四、X射线的生理作用、探测及防护1、X射线的生理作用2、探测和防护第二节X射线在晶体中的衍射一、衍射的概念二、劳埃方程三、布拉格方程四、倒易点阵矢量代数表示为：a·a*=b·b*=c·c*=1a·b*=a·c*=b·c*=b·a*=c·a*=c·b*=0则定义：点阵L和L*互为倒易点阵。倒易点阵L*的轴角如下：cosα*=(cosβcosγ-cosα)/sinβsinγcosβ*=(cosγcosα-cosβ)/sinγsinαcosγ*=(cosαcosβ-cosγ)/sinαsinβ。倒易点阵中的阵点与一般的空间点阵一样，遵守相同的规律。选某一倒易阵点为坐标原点，任意倒易阵点坐标可表示为ha*,kb*,lc*,h,k,l均为整数。则从原点至某一坐标为ha*,kb*,lc*的倒易阵点作矢量σhkl,则必有：σhkl=ha*+kb*+lc*图4-3一个单斜晶格的正点阵及其倒易点阵在包含a,c平面内相互关系的示意图矢量σhkl的两个重要特性：（1）矢量σhkl的方向垂直于对应的正点阵中的（hkl）面网族；（2）矢量σhkl的模长等于对应的正点阵中（hkl)面网族的面网间距dhkl的倒数，即σhkl=1/dhkl故称矢量σhkl为对应正点阵（hkl）面网族间距的倒易矢量。五、衍射的方向图4-4产生衍射的几何关系（衍射方向）六、衍射线的强度七、单晶衍射法(1)劳埃照相法(2)旋转照相法(3)回摆照相法(4)四圆单晶衍射仪法四圆单晶衍射仪的发展