無機(jī)材料測試技術(shù)期末復(fù)習(xí)資料

1、第一章 x射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。X射線的本質(zhì)： X射線也是電磁波的一種，波長在108cm左右X射線的發(fā)生必需具備的基本條件 1) 產(chǎn)生自由電子 (2) 使電子作定向高速運(yùn)動(dòng) (3) 有障礙物使其突然減速X射線的性質(zhì) 是電磁波，具有波粒二象性： =h= h(c/) ； p= h/能被物質(zhì)吸收，會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象。與可見光比較，差別主要在波長和頻率。 具有很強(qiáng)的穿透能力；通過物質(zhì)時(shí)可被吸收使其強(qiáng)度減弱；能殺傷生物細(xì)胞。 沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場、磁場不

2、能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2. 連續(xù)X射線譜的特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理，連續(xù)X射線譜定義：是具有連續(xù)變化波長的X射線，也稱多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理：主要有兩個(gè)原因。高速運(yùn)動(dòng)熱電子的動(dòng)能變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽極靶上時(shí)，由于到達(dá)靶面上的時(shí)間和被減速的情況各不相同，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時(shí)間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。 特 點(diǎn)：在一連續(xù)X射線譜上可看出： 各種波長射線的相對強(qiáng)度（I）都相

3、應(yīng)地增高； 各曲線上都有短波極限，且短波極限值（0）逐漸變?。?各曲線的最高強(qiáng)度值(m)的波長逐漸變小。X射線強(qiáng)度：在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于X射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。注意： 強(qiáng)度由光子的能量和數(shù)目兩個(gè)因素決定的。所以連續(xù)X射線的強(qiáng)度不在光子能量最大的0處。當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會(huì)出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓特征X射線譜定義：具有特定波長的X射線，也稱單色X射線。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理：原子系統(tǒng)中的電子遵從刨利不相容原理不連續(xù)的分布在K、L、M、N等不同能級(jí)的殼層上，而且按能量最低原理從里到外逐層填充。當(dāng)外來的高速度的粒子動(dòng)能足夠大時(shí)，可以將殼層中某個(gè)電子擊出去，于是在

4、原來的位置出現(xiàn)空位，原子系統(tǒng)的能量升高，處于激發(fā)態(tài)，這時(shí)原子系統(tǒng)就要向低能態(tài)轉(zhuǎn)化，即向低能級(jí)上的空位躍遷，在躍遷時(shí)會(huì)有一能量產(chǎn)生，這一能量以光子的形式輻射出來，即特征X射線。X射線特征光譜的產(chǎn)生 X射線光譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子）或X射線光子撞擊原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過一系列的躍遷（L®K，M®L，N®M），直至受激原子回到基態(tài)。相干散射：如果散射波的波長和頻率

5、與入射波相同，這些新的散射波之間可以發(fā)生干涉作用，故把這種散射波稱為相干散射 非相干散射：當(dāng)X射線光子與束縛不大的外層電子或價(jià)電子或金屬晶體中的自由電子相撞時(shí)的散射過程。X射線吸收：物質(zhì)對x射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷爾引起的。在這個(gè)過程中發(fā)生x射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使部分x射線能量轉(zhuǎn)變成光電子，熒光x射線及俄歇電子的能量。因此x射線的強(qiáng)度被減弱。6 解釋X射線的光電效應(yīng)、俄歇效應(yīng)與吸收限；吸收限的應(yīng)用有哪些？ 光電效應(yīng)：當(dāng)具有一定能量hv的入射光子與樣品的原子互相作用時(shí)，單個(gè)光子把全部能量交換給原子某殼層上一個(gè)受束縛的電子，這個(gè)電子就獲得能量。如果該能量大于該電子的結(jié)合能Eb，該

6、電子就將脫離原來受束縛的能級(jí)；若還有多余的能量可以使電子克服功函數(shù)W，則電子就成為自由電子、并獲得一定的動(dòng)能Ek并且hv=Eb+Ek+W。該過程為光電效應(yīng)。俄歇效應(yīng)：原子中K層的一個(gè)電子被打出后，它就處于K激發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。如果一個(gè)L層電子來填充這個(gè)空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時(shí)將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產(chǎn)生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層的一個(gè)空位被L層的兩個(gè)空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng).吸收限：物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱K為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱K

7、為吸收限 光電子被X射線擊出殼層的電子即光電子,它帶有殼層的特征能量,所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)俄歇電子高能級(jí)的電子回跳,多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去,這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子帶有殼層的特征能量(AES)二次熒光高能級(jí)的電子回跳,多余能量以X射線形式發(fā)出.這個(gè)二次X射線就是二次熒光也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量獲得單色光的方法:在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將K和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。 吸收限(吸收邊)：一個(gè)特征X射線譜系的臨界激發(fā)波長；吸收限的應(yīng)用:1) 陽極靶的選擇選擇原則：盡可能少地激發(fā)樣品的熒光輻射 Z濾 Z試+1 濾波片的選擇 選擇原

8、則：KK濾K Z濾= Z靶1 （Z靶40) Z濾= Z靶2 （Z靶40）18 布拉格方程式中各符號(hào)的物理意義是什么？該公式有哪些應(yīng)用？布拉格方程：滿足衍射的條件為： 2dsin=nd為面間距，為入射線、反射線與反射晶面之間的交角，稱掠射角或布拉格角，而2為入射線與反射線（衍射線）之間的夾角，稱衍射角，n 為整數(shù)，稱反射級(jí)數(shù)，為入射線波長。布拉格方程應(yīng)用：布拉格方程是X射線衍射分布中最重要的基礎(chǔ)公式，它形式簡單，能夠說明衍射的基本關(guān)系，一方面是用已知波長的X射線去照射晶體，通過衍射角的測量求得晶體中各晶面的面間距d，這就是結(jié)構(gòu)分析- X射線衍射學(xué)；另一方面是用一種已知面間距的晶體來反射從試樣發(fā)射

9、出來的X射線，通過衍射角的測量求得X射線的波長，這就是X射線光譜學(xué)。該法除可進(jìn)行光譜結(jié)構(gòu)的研究外，從X射線的波長還可確定試樣的組成元素。電子探針就是按這原理設(shè)計(jì)的。 絕對強(qiáng)度（積分強(qiáng)度、累積強(qiáng)度）是指晶體中某一組面網(wǎng)(hkl)衍射的X射線光量子的總數(shù)。相對強(qiáng)度 用某種規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)去比較各個(gè)衍射線條的強(qiáng)度而得出的強(qiáng)度。 23 影響多晶體衍射強(qiáng)度各因子的物理意義是什么？結(jié)構(gòu)因子與哪些因素有關(guān)系？ 1. 多重性因子Phkl 指同一晶面族hkl的等同晶面數(shù)。晶體中面間距相等的晶面稱為等同晶面。根據(jù)布拉格方程，在多晶體衍射中，等同晶面的衍射線將分布在同一個(gè)圓錐面上，因?yàn)檫@些晶面對應(yīng)的衍射角2都相等。多晶體

10、某衍射環(huán)的強(qiáng)度與參與衍射的晶粒數(shù)成正比，因此，在其他條件相同的情況下，多晶體中某種晶面的等同晶面數(shù)目愈多，這種晶面獲得衍射的幾率就愈大，對應(yīng)的衍射線也必然愈強(qiáng)。2. 結(jié)構(gòu)因子Fhkl結(jié)構(gòu)因子Fhkl指一個(gè)晶胞中所有原子沿某衍射方向所散射的X射線的合成波，實(shí)際上代表了一個(gè)晶胞的散射能力。在復(fù)雜晶胞中，并不是所有滿足布拉格方程的晶面都有衍射線產(chǎn)生，就是說，產(chǎn)生衍射必須滿足布拉格方程，但是在滿足布拉格方程的方向上并不一定都有衍射線產(chǎn)生。把由原子在晶胞中的位置不同而引起的某些方向上衍射線的消失稱為系統(tǒng)消光。不同的晶體點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光規(guī)律也各不相同。它所遵循的衍射規(guī)律即為結(jié)構(gòu)因子。3. 角因子（1+cos

11、22）/sin2cos 4. 溫度因子 e-2M 由于原子熱振動(dòng)使點(diǎn)陣中原子排列的周期性部分破壞，因此晶體的衍射條件也部分破壞，從而使衍射強(qiáng)度減弱。晶體中原子的熱振動(dòng)，衍射強(qiáng)度受溫度影響，溫度因子表示為e-2M。 5. 吸收因子A 因?yàn)樵嚇訉射線的吸收作用，使衍射線強(qiáng)度減弱，這種影響稱吸收因子。晶體的X射線吸收因子取決于所含元素種類和X射線波長，以及晶體的尺寸和形狀。31 說明用衍射儀進(jìn)行多晶試樣的衍射分析的原理和過程。至今還沒發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)物相的衍射譜數(shù)據(jù)完全相同，因此可以根據(jù)衍射譜數(shù)據(jù)區(qū)分物相。分析方法：將所有物相的衍射譜數(shù)據(jù)收集成數(shù)據(jù)庫，定性分析就是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)比對。單晶衍射儀

12、德拜照相法：利用X射線的照相效應(yīng)，用底片感光形式來記錄樣品所產(chǎn)生的衍射花樣。1照相法基本原理 由于粉末柱試樣中有多達(dá)108個(gè)結(jié)構(gòu)相同的小晶粒，同時(shí)它們有著一切可能的取向，所以某種面網(wǎng)（hkl）所產(chǎn)生的衍射線是形成連續(xù)的衍射圓錐，對應(yīng)的圓錐頂角為4hkl； 由于晶體中有很多組面網(wǎng)，而每組面網(wǎng)有不同的dhkl值，因此滿足布拉格方程和結(jié)構(gòu)因子的所有面網(wǎng)所產(chǎn)生的衍射線形成一系列的圓錐，而這些圓錐的頂角為不同的4hkl。4衍射花樣的記錄、測量及計(jì)算 記錄方式 按底片的安裝方式不同，有三種方法：正 裝 法； 反 裝法 ； 不對稱裝法 測量與計(jì)算 I相對目測估計(jì)、測微光度計(jì)測量 dhkl 從底片上測量計(jì)算、

13、使用d尺粉晶衍射儀法：定義：利用X射線的電離效應(yīng)或熒光效應(yīng)，用輻射探測器來測定記錄衍射線的方向和強(qiáng)度。4.2.1 衍射儀的構(gòu)造及工作原理 X射線發(fā)生器 測角儀 輻射探測器（計(jì)數(shù)器）檢測記錄裝置2. 測角儀(Goniometer)測角儀是X射線衍射儀的心臟，衍射儀中聚焦原理是通過測角儀實(shí)現(xiàn)的，如圖2.7 所示。檢測器的接收狹縫J與樣品中心的距離是固定的，這只有當(dāng)符合條件： r = R(2 sin)時(shí)，衍射角為的衍射線才能聚焦在J處，進(jìn)入接收狹縫。制樣一般包括兩個(gè)步驟： 需把樣品研磨成適合衍射實(shí)驗(yàn)用的粉末（一般需通過250目篩）； 把樣品粉末制成有一個(gè)十分平整平面的試片。衍射儀法與照相法的比較 簡

14、便快速 靈敏度高（弱峰） 分辨能力強(qiáng)（相鄰峰） 直接獲得I和d值 低角度區(qū)2測量范圍大，盲區(qū)約為2<3° 樣品用量大 對儀器穩(wěn)定性的要求高什么是衍射線的指標(biāo) ？ 晶體對X射線的衍射在形式上可以看成是晶體結(jié)構(gòu)中的面網(wǎng)對X射線的“反射”，每一條衍射線都有一組與它相對應(yīng)的面網(wǎng)。因此，所有的衍射線都可借助于對應(yīng)的衍射面網(wǎng)之符號(hào)hkl來相互識(shí)別，而指數(shù)hkl即是相應(yīng)衍射線的衍射指標(biāo)。衍射線的指標(biāo)化也稱標(biāo)定衍射線指數(shù)（hkl）。粉晶法衍射線的指標(biāo)化方法： 1解析法2圖解法3倒易點(diǎn)陣解析法 角測量誤差分析： 相機(jī)半徑不準(zhǔn)和底片伸縮 試樣偏心誤差 試樣吸收誤差誤差校正方法： 圖解外推法 1)

15、測量各衍射線值，用相應(yīng)公式算出晶胞參數(shù)的測量值aobs； 2) 再算出相應(yīng)的外推函數(shù)cos2； 3) 將相對應(yīng)的值繪成aobs cos2曲線； 4) 將直線外推到cos2=0處，所得的縱坐標(biāo)值就是精確值ac。衍射線對法第6章 X射線物相分析36 物相分析的一般步驟及定性鑒定中應(yīng)注意的問題是什么？ 利用X射線進(jìn)行物相定性分析的一般步驟為: 用某一種實(shí)驗(yàn)方法獲得待測試樣的衍射花樣； 計(jì)算并列出衍射花樣中各衍射線的d值和相應(yīng)的相對強(qiáng)度I值； 參考對比已知的資料鑒定出試樣的物相定性物相鑒定過程中應(yīng)注意的問題 d比I相對重要 低角度線比高角度線重要 強(qiáng)線比弱線重要 要重視特征線 做定性分析中，了解試樣來

16、源、化學(xué)成分、物理性質(zhì) 不要過于迷信卡片上的數(shù)據(jù)，特別是早年的資料 ，注意資料的可靠性。 X射線物相分析特點(diǎn)及適用范圍1. 特點(diǎn) 鑒定可靠，因d值精確、穩(wěn)定； 直接鑒定出物相，并確定物相的化合形式； 需要樣品少，不受晶粒大小的限制； 對晶體結(jié)構(gòu)相同、晶胞參數(shù)相近的物相，有相似 的衍射花樣； 不能直接測出化學(xué)成分、元素含量； 對混合物相中含量較少的相，有一定的檢測誤差。2. 適用范圍 衍射分析僅限于結(jié)晶物質(zhì)X射線物相分析在無機(jī)材料中的應(yīng)用：1. 原料的分析；2. 主要結(jié)晶相的鑒定，類質(zhì)同象系列成分的測定；3. 利用平衡相圖幫助鑒定多相第8章 電子光學(xué)基礎(chǔ)光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的基本光學(xué)原理是相似

17、的，它們之間的區(qū)別僅在于所使用的照明源和聚焦成像的方法不同，前者是可見光照明，用玻璃透鏡聚焦成像，后者用電子束照明，用一定形狀的靜電場或磁場聚焦成像。43 何謂靜電透鏡和磁透鏡？靜電透鏡：把能使電子波折射聚焦的具有旋轉(zhuǎn)對稱等電位曲面簇的電極裝置靜電透鏡的作用：靜電透鏡能使運(yùn)動(dòng)電子加速，一般用于電子槍中形成會(huì)聚的高能電子束。磁透鏡：把能使電子波聚焦的具有旋轉(zhuǎn)對稱非均勻的磁極裝置磁透鏡和靜電透鏡的特點(diǎn)： 磁透鏡1. 改變線圈中的電流強(qiáng)度可很方便的控制焦距和放大率；2. 無擊穿，供給磁透鏡線圈的電壓為60到100伏；3. 象差小靜電透鏡 1. 需改變很高的加速電壓才可改變焦距和放大率；2. 靜電透鏡

18、需數(shù)萬伏電壓，常會(huì)引起擊穿；3. 象差較大。電磁透鏡分辨本領(lǐng)大，場深（景深）大，焦深長。48 何謂景深與焦深？ 場深是指在保持象清晰的前提下，試樣在物平面上下沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說試樣超越物平面所允許的厚度。 焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離，或者說觀察屏或照相底版沿鏡軸所允許的移動(dòng)距離。第9章 透射電子顯微鏡49 何謂襯度？透射電鏡有幾種襯度像？其原理是什么？襯度：是指試樣不同部位由于入射電子作用不同，在顯示裝置上顯示的強(qiáng)度差異。透射電鏡有三種襯度像1散射襯度象 單個(gè)原子對入射電子的散射：彈性散射（在散射過程中，如果入射電子只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不發(fā)生能量變化，稱為彈性

19、散射。）、非彈性散射（如果被散射的入射電子不但發(fā)生運(yùn)動(dòng)方向的變化，同時(shí)還損失能量，則稱為非彈性散射。） 散射襯度象成原理 I/I0e-N/At 散射襯度象：樣品特征通過對電子散射能力的不同形成的明暗差別象。 2衍射襯度象來源于晶體式樣各部分滿足布拉格方程反射條件不同的結(jié)構(gòu)振幅的差異 3相位襯度象電子衍射及結(jié)構(gòu)分析:電子衍射與X射線衍射的基本原理上完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似，電子衍射與射線衍射相比的突出特點(diǎn)為： 在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來； 物質(zhì)對電子的散射更強(qiáng)，約為X射線的一百萬倍，特別適用于微晶、表面和薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的研究，且衍射強(qiáng)度大

20、，所需時(shí)間短，只需幾秒鐘。掃描電子顯微鏡(SEM)掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。57 二次電子、背散射電子的定義并寫出它們成像的特點(diǎn)。二次電子:入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子。二次電子能量低，僅在樣品表面5nm10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。 二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度。背散射電子是指入射電子與

21、樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量( E。)。背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)背散射電子像:背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù)Z增大而增加，電子信號(hào)，形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)，形成較亮的區(qū)域，而平均原子序數(shù)較低的區(qū)域則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。陰極發(fā)光:是指晶體物質(zhì)在高能電子的照射下，發(fā)射出可見光、紅外或紫外光的現(xiàn)象。掃描電鏡的主要特點(diǎn)：放大倍率高，分辨率高，景深

22、大，保真度好，K樣品制備簡單。電子探針顯微分析133組成試樣的元素(對應(yīng)的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X 射線波長()有單值關(guān)系，即每一種元素都有一個(gè)特定波長的特征X射線與之相對應(yīng)， 它不隨入射電子的能量而變化。如果用X 射線波譜儀測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X 射線波長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這就是定性分析的基本原理。62 電子探針X射線顯微分析基本原理是什么？ 用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，分析特征X射線的波長（或特征能量）即可知道樣品中所含元素的種類（定性分析），分析X射線的強(qiáng)度，則可知道樣品中對應(yīng)元素含量的多少電子探針的主要組成部份為:1. 電子

23、光學(xué)系統(tǒng)、2. X射線譜儀系統(tǒng)、3.試樣室、4.電子計(jì)算機(jī)、5.掃描顯示系統(tǒng)、6.真空系統(tǒng)等。電子探針的試樣要求:所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質(zhì)，厚度通常應(yīng)大于5m。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應(yīng)盡量小，特別對分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，小試樣能改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。b）具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能（c）試樣表面光滑平整70 X射線光電子能譜儀的主要功能是什么？它能檢測樣品的哪些信息？舉例說明其用途。能譜儀能在熒光屏上顯示該元素特征X射線，根據(jù)譜峰所在位置的能量查找元素各系譜線的能量卡片或能量圖來確定是什么元素。是非常有效的材料研究工具。熱分析72 熱分析定義及熱分析技術(shù)的種類包括哪些？ 熱分析是在程序控制溫度下測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度關(guān)系的一類技術(shù)。 熱分析技術(shù)有9類17種，常用的有： 1）熱重測量法