X射線衍射實驗的更多思考
2021-08-09 23:51:17王大奇
科技風 2021年21期
王大奇
摘要：X射線衍射在材料分析、結構分析、晶體學研究、生物醫學方面都有著重要的意義，本文給出基于X射線衍射實驗的更多思考。
關鍵詞：X射線衍射;布拉格衍射;大學物理實驗
一、原理簡述
實驗中利用PHYWE01200-02XRD（德國制造的PHYWEX射線衍射儀），實驗中分析的材料是LiF，利用軟件選擇適當的參數后就可以看到譜線，并對其進行分析。
譜線中展示的其實是兩種譜線，一種是軔致輻射譜線：實驗使用X射線管，陰極為燈絲，陽極是鎢靶，燈絲通電后，發射電子流，經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，在譜線上表現為連續譜;另一種是特征X射線：有些電子將靶材原子某些內層電子撞擊出原屬殼層，使原子處于不穩定高激發態，外層電子向內層躍遷（填補空位），由于外層的電子能量高于內層，放出能量，輻射X射線光量子[1]。
本實驗利用布拉格衍射，當射線打在晶體時只有特定角度（與晶面夾角為
）相干散射，即滿足
的時候，式中，d為晶格間距，n為衍射級，由此可得X射線的能量是實驗結果如圖?1X射線衍射實驗譜線。
。
二、分析討論
（1）的衍射峰距離很接近，從規律上來講，兩種射線能量相近。在圖片上合成，表現出來就是。
（2）由圖?1可知，L系特征x射線的峰強度按照的順序依次降低，其中是L層出現空穴后，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層出現空穴后，O層電子躍遷至L層放出的射線，由于能級由內向外排列，能量依次升高，相距越遠放出能量越大，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射線管撞擊后會產生X射線，其中包括各個波長的軔致輻射譜線和特征X譜線，利用布拉格衍射，不同波長譜線發生衍射的位置不同，可以將各個波長的譜線反映在圖像上，其中橫坐標反映譜線能量，譜線的高度反映該能量譜線出現的概率。
（4）實驗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，軔致輻射出現在各個波長處，連續變化，X射線譜線出現在特定波長處，這也是為什么在特征X譜線處譜線高的原因，不過，特征輻射確實更強。
（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，大于對應層電子與原子核的結合能，或對應層電子的逸出功，可以將殼層的某個電子擊出原來的位置處于高激發態，高能級的電子補位，以光電子的形式釋放能量，結合這個原理，容易得知，要產生X射線，必須內層出現空穴，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，電子與原子核結合越緊密，躍遷所需要的能量就越高。因此，K系射線相對于L系更不容易出現，同時，隨著Z的升高，原子核對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出現特征X射線，而且K系更靠近原子核，更穩定，K系射線不易產生，查閱資料發現，一般在在Z>45的時候，K系特征X射線相對較少，基本上觀測不到，這也是為什么我們的實驗中只有L系射線的原因。
（6）本實驗中選擇了（100）晶面，不同鏡面的d自然是不同的，原子數的密度也是不同的，也就造成了反射線的強度有差異，其中（100）的密度是最高的，反射線的強度也是最大的。
（7）我們在計算能量的時候只是取了衍射強度最大值點的掠射角度，但是實際的峰是有一定的寬度的，這是因為研究衍射方向的時候，我們把晶體看作理想完整的，但是實際晶體并非如此，即使一個小的單晶體也有亞結構存在，是有很多相位差很小的亞晶塊組成，實際X射線也并不是嚴格單色，也不嚴格平行，是有一定張角的球面波，使得晶體中稍有相位差的各個亞晶塊都滿足衍射的條件，從而在
范圍內發生衍射，我們無法得到絕對準確的波長（能量），這給實驗帶來了誤差。
（8）由圖?1可知，n=2的峰高度，衍射強度，普遍小于n=1時的情況。查閱資料我們得到以下結論：我們以表示最大衍射強度，我們可以得到如下關系[2]：（公式中除去
在本實驗中均為常數），其中是計數器轉動角度，
為布拉格公式中的角度，在實驗給定的范圍內，在只有n不同的時候，n越大，越大，衍射強度越小。
（9）關于衍射峰的對稱性的分析：由實驗數據可知，衍射峰的對稱性在15.3?，17.4?，17.9?處的對稱性不明顯，但是，20.9?，37.6?，39?，46.6?處的對稱性較好（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易產生不對稱現象。
參考文獻：
