X射线衍射实验的更多思考

2021-08-09王大奇

科技风 2021年21期

关键词：大学物理实验

王大奇

摘要：X射线衍射在材料分析、结构分析、晶体学研究、生物医学方面都有着重要的意义，本文给出基于X射线衍射实验的更多思考。

关键词：X射线衍射;布拉格衍射;大学物理实验

一、原理简述

实验中利用PHYWE01200-02XRD（德国制造的PHYWEX射线衍射仪），实验中分析的材料是LiF，利用软件选择适当的参数后就可以看到谱线，并对其进行分析。

谱线中展示的其实是两种谱线，一种是轫致辐射谱线：实验使用X射线管，阴极为灯丝，阳极是钨靶，灯丝通电后，发射电子流，经阴阳两极有高压加速，打在靶上（快速减速），能量降低，以X射线形式放能，在谱线上表现为连续谱;另一种是特征X射线：有些电子将靶材原子某些内层电子撞击出原属壳层，使原子处于不稳定高激发态，外层电子向内层跃迁（填补空位），由于外层的电子能量高于内层，放出能量，辐射X射线光量子[1]。

本实验利用布拉格衍射，当射线打在晶体时只有特定角度（与晶面夹角为）相干散射，即满足的时候，式中，d为晶格间距，n为衍射级，由此可得X射线的能量是实验结果如图 1X射线衍射实验谱线。

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二、分析讨论

（1）的衍射峰距离很接近，从规律上来讲，两种射线能量相近。在图片上合成，表现出来就是。

（2）由图 1可知，L系特征x射线的峰强度按照的顺序依次降低，其中是L层出现空穴后，M层电子跃迁至空穴，释放出的能量，，是N层电子跃迁至L层空穴放出的射线，是L层出现空穴后，O层电子跃迁至L层放出的射线，由于能级由内向外排列，能量依次升高，相距越远放出能量越大，因而射线能量按照的顺序依次升高。但是峰高度与能量成反比，以为例做出解释，虽然线较线频率高，能量大，但是由于M层电子向L层跃迁的几率要比N层到L层跃迁的几率大很多，所以线谱线较高。

（3）阳极靶在被X射线管撞击后会产生X射线，其中包括各个波长的轫致辐射谱线和特征X谱线，利用布拉格衍射，不同波长谱线发生衍射的位置不同，可以将各个波长的谱线反映在图像上，其中横坐标反映谱线能量，谱线的高度反映该能量谱线出现的概率。

（4）实验得到的谱可以看作是轫致辐射作用和特征X射线谱线的叠加，轫致辐射出现在各个波长处，连续变化，X射线谱线出现在特定波长处，这也是为什么在特征X谱线处谱线高的原因，不过，特征辐射确实更强。

（5）由于X射线管电压超过某一临界值，使得阴极的电子能量足够大，大于对应层电子与原子核的结合能，或对应层电子的逸出功，可以将壳层的某个电子击出原来的位置处于高激发态，高能级的电子补位，以光电子的形式释放能量，结合这个原理，容易得知，要产生X射线，必须内层出现空穴，及入射电子的能量要大于阈能，越靠近原子核，电子云越密集，电子与原子核结合越紧密，跃迁所需要的能量就越高。因此，K系射线相对于L系更不容易出現，同时，随着Z的升高，原子核对于电子的束缚更紧密，电子不易从原本的位置离开，外界需要加更高的电压才会出现特征X射线，而且K系更靠近原子核，更稳定，K系射线不易产生，查阅资料发现，一般在在Z>45的时候，K系特征X射线相对较少，基本上观测不到，这也是为什么我们的实验中只有L系射线的原因。

（6）本实验中选择了（100）晶面，不同镜面的d自然是不同的，原子数的密度也是不同的，也就造成了反射线的强度有差异，其中（100）的密度是最高的，反射线的强度也是最大的。

（7）我们在计算能量的时候只是取了衍射强度最大值点的掠射角度，但是实际的峰是有一定的宽度的，这是因为研究衍射方向的时候，我们把晶体看作理想完整的，但是实际晶体并非如此，即使一个小的单晶体也有亚结构存在，是有很多相位差很小的亚晶块组成，实际X射线也并不是严格单色，也不严格平行，是有一定张角的球面波，使得晶体中稍有相位差的各个亚晶块都满足衍射的条件，从而在范围内发生衍射，我们无法得到绝对准确的波长（能量），这给实验带来了误差。