X射線衍射實(shí)驗(yàn)的更多思考

王大奇

摘要：X射線衍射在材料分析、結(jié)構(gòu)分析、晶體學(xué)研究、生物醫(yī)學(xué)方面都有著重要的意義，本文給出基于X射線衍射實(shí)驗(yàn)的更多思考。

關(guān)鍵詞：X射線衍射;布拉格衍射;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

一、原理簡述

實(shí)驗(yàn)中利用PHYWE01200-02XRD（德國制造的PHYWEX射線衍射儀），實(shí)驗(yàn)中分析的材料是LiF，利用軟件選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)后就可以看到譜線，并對(duì)其進(jìn)行分析。

譜線中展示的其實(shí)是兩種譜線，一種是軔致輻射譜線：實(shí)驗(yàn)使用X射線管，陰極為燈絲，陽極是鎢靶，燈絲通電后，發(fā)射電子流，經(jīng)陰陽兩極有高壓加速，打在靶上（快速減速），能量降低，以X射線形式放能，在譜線上表現(xiàn)為連續(xù)譜;另一種是特征X射線：有些電子將靶材原子某些內(nèi)層電子撞擊出原屬殼層，使原子處于不穩(wěn)定高激發(fā)態(tài)，外層電子向內(nèi)層躍遷（填補(bǔ)空位），由于外層的電子能量高于內(nèi)層，放出能量，輻射X射線光量子[1]。

本實(shí)驗(yàn)利用布拉格衍射，當(dāng)射線打在晶體時(shí)只有特定角度（與晶面夾角為）相干散射，即滿足的時(shí)候，式中，d為晶格間距，n為衍射級(jí)，由此可得X射線的能量是實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖?1X射線衍射實(shí)驗(yàn)譜線。

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二、分析討論

（1）的衍射峰距離很接近，從規(guī)律上來講，兩種射線能量相近。在圖片上合成，表現(xiàn)出來就是。

（2）由圖?1可知，L系特征x射線的峰強(qiáng)度按照的順序依次降低，其中是L層出現(xiàn)空穴后，M層電子躍遷至空穴，釋放出的能量，，是N層電子躍遷至L層空穴放出的射線，是L層出現(xiàn)空穴后，O層電子躍遷至L層放出的射線，由于能級(jí)由內(nèi)向外排列，能量依次升高，相距越遠(yuǎn)放出能量越大，因而射線能量按照的順序依次升高。但是峰高度與能量成反比，以為例做出解釋，雖然線較線頻率高，能量大，但是由于M層電子向L層躍遷的幾率要比N層到L層躍遷的幾率大很多，所以線譜線較高。

（3）陽極靶在被X射線管撞擊后會(huì)產(chǎn)生X射線，其中包括各個(gè)波長的軔致輻射譜線和特征X譜線，利用布拉格衍射，不同波長譜線發(fā)生衍射的位置不同，可以將各個(gè)波長的譜線反映在圖像上，其中橫坐標(biāo)反映譜線能量，譜線的高度反映該能量譜線出現(xiàn)的概率。

（4）實(shí)驗(yàn)得到的譜可以看作是軔致輻射作用和特征X射線譜線的疊加，軔致輻射出現(xiàn)在各個(gè)波長處，連續(xù)變化，X射線譜線出現(xiàn)在特定波長處，這也是為什么在特征X譜線處譜線高的原因，不過，特征輻射確實(shí)更強(qiáng)。

（5）由于X射線管電壓超過某一臨界值，使得陰極的電子能量足夠大，大于對(duì)應(yīng)層電子與原子核的結(jié)合能，或?qū)?yīng)層電子的逸出功，可以將殼層的某個(gè)電子擊出原來的位置處于高激發(fā)態(tài)，高能級(jí)的電子補(bǔ)位，以光電子的形式釋放能量，結(jié)合這個(gè)原理，容易得知，要產(chǎn)生X射線，必須內(nèi)層出現(xiàn)空穴，及入射電子的能量要大于閾能，越靠近原子核，電子云越密集，電子與原子核結(jié)合越緊密，躍遷所需要的能量就越高。因此，K系射線相對(duì)于L系更不容易出現(xiàn)，同時(shí)，隨著Z的升高，原子核對(duì)于電子的束縛更緊密，電子不易從原本的位置離開，外界需要加更高的電壓才會(huì)出現(xiàn)特征X射線，而且K系更靠近原子核，更穩(wěn)定，K系射線不易產(chǎn)生，查閱資料發(fā)現(xiàn)，一般在在Z>45的時(shí)候，K系特征X射線相對(duì)較少，基本上觀測不到，這也是為什么我們的實(shí)驗(yàn)中只有L系射線的原因。

（6）本實(shí)驗(yàn)中選擇了（100）晶面，不同鏡面的d自然是不同的，原子數(shù)的密度也是不同的，也就造成了反射線的強(qiáng)度有差異，其中（100）的密度是最高的，反射線的強(qiáng)度也是最大的。

（7）我們在計(jì)算能量的時(shí)候只是取了衍射強(qiáng)度最大值點(diǎn)的掠射角度，但是實(shí)際的峰是有一定的寬度的，這是因?yàn)檠芯垦苌浞较虻臅r(shí)候，我們把晶體看作理想完整的，但是實(shí)際晶體并非如此，即使一個(gè)小的單晶體也有亞結(jié)構(gòu)存在，是有很多相位差很小的亞晶塊組成，實(shí)際X射線也并不是嚴(yán)格單色，也不嚴(yán)格平行，是有一定張角的球面波，使得晶體中稍有相位差的各個(gè)亞晶塊都滿足衍射的條件，從而在范圍內(nèi)發(fā)生衍射，我們無法得到絕對(duì)準(zhǔn)確的波長（能量），這給實(shí)驗(yàn)帶來了誤差。

（8）由圖?1可知，n=2的峰高度，衍射強(qiáng)度，普遍小于n=1時(shí)的情況。查閱資料我們得到以下結(jié)論：我們以表示最大衍射強(qiáng)度，我們可以得到如下關(guān)系[2]：（公式中除去在本實(shí)驗(yàn)中均為常數(shù)），其中是計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)角度，為布拉格公式中的角度，在實(shí)驗(yàn)給定的范圍內(nèi)，在只有n不同的時(shí)候，n越大，越大，衍射強(qiáng)度越小。

（9）關(guān)于衍射峰的對(duì)稱性的分析：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，衍射峰的對(duì)稱性在15.3?，17.4?，17.9?處的對(duì)稱性不明顯，但是，20.9?，37.6?，39?，46.6?處的對(duì)稱性較好（通過比較與），在查閱資料后知道，聚合物的X射線衍射峰在小角度區(qū)易產(chǎn)生不對(duì)稱現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊福家.原子物理學(xué)（第五版）高等教育出版社，2007：269-270.

[2]張勇，馮慧娟.X射線衍射峰基本要素及其在相分析中的應(yīng)用，通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（04）.