材料分析方法第1章、緒論

1、1第3 3版2本教材主要內(nèi)容本教材主要內(nèi)容緒 論第一篇第一篇 材料材料X射線衍射分析射線衍射分析 第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ) 第二章 X射線衍射方向 第三章 X射線衍射強(qiáng)度 第四章 多晶體分析方法 第五章 物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測(cè)定 第六章 宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)定 第七章 多晶體織構(gòu)的測(cè)定3本教材主要內(nèi)容本教材主要內(nèi)容第二篇第二篇 材料電子顯微分析材料電子顯微分析 第八章 電子光學(xué)基礎(chǔ) 第九章 透射電子顯微鏡 第十章 電子衍射 第十一章 晶體薄膜衍襯成像分析 第十二章 高分辨透射電子顯微術(shù) 第十三章 掃描電子顯微鏡 第十四章 電子背散射衍射分析技術(shù) 第十五章 電子探針顯微分析 第十六章 其他顯微分析

2、方法4緒緒 論論n 本課程的特點(diǎn)：以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)本課程的特點(diǎn)：以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)n 本課程的內(nèi)容主要包括：本課程的內(nèi)容主要包括：X射線衍射儀、電子顯微鏡等分射線衍射儀、電子顯微鏡等分析儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理、及與此相關(guān)的材料微觀組織結(jié)析儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理、及與此相關(guān)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用n 本課程的意義在于：通過(guò)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分本課程的意義在于：通過(guò)材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析，揭示材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，即析，揭示材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，即組織是性能的內(nèi)組織是性能的內(nèi)在根據(jù)，性能是組織的對(duì)外表

3、現(xiàn)在根據(jù)，性能是組織的對(duì)外表現(xiàn)；確定材料加工工藝和組；確定材料加工工藝和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)控制織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)控制n 本課程的基本要求：了解常用的現(xiàn)代分析儀器的基本結(jié)構(gòu)本課程的基本要求：了解常用的現(xiàn)代分析儀器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握常用的實(shí)驗(yàn)分析方法；能正確選用合適和工作原理；掌握常用的實(shí)驗(yàn)分析方法；能正確選用合適的分析方法解決實(shí)際工作中的問(wèn)題的分析方法解決實(shí)際工作中的問(wèn)題5第一篇第一篇 材料材料X射線衍射分析射線衍射分析n 1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其用于診斷和醫(yī)療，后來(lái)又用于金屬材料和

4、機(jī)械零件的探傷用于診斷和醫(yī)療，后來(lái)又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷n 1912年德國(guó)物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了年德國(guó)物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的方法，后來(lái)發(fā)展成象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的方法，后來(lái)發(fā)展成為為X射線衍射學(xué)射線衍射學(xué)n 1912年英國(guó)物理學(xué)家布拉格提出了晶面年英國(guó)物理學(xué)家布拉格提出了晶面“反射反射”X射線的射線的概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布拉格方程概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布拉格方程n 1914年莫塞來(lái)發(fā)現(xiàn)特征年莫塞來(lái)發(fā)現(xiàn)特征X射線波長(zhǎng)和原子序數(shù)有定量的對(duì)射線波長(zhǎng)和原子序數(shù)有定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分檢

5、測(cè)應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分檢測(cè)n X射線衍射分析研究?jī)?nèi)容很廣，主要包括相分析、精細(xì)結(jié)射線衍射分析研究?jī)?nèi)容很廣，主要包括相分析、精細(xì)結(jié)構(gòu)研究和晶體取向測(cè)定等構(gòu)研究和晶體取向測(cè)定等6第一篇第一篇 材料材料X射線衍射分析射線衍射分析第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章 X射線衍射方向第三章 X射線衍射強(qiáng)度第四章 多晶體分析方法第五章 物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測(cè)定第六章 宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)定第七章 多晶體織構(gòu)的測(cè)定7第一章第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作

6、用射線與物質(zhì)的相互作用 X-ray是由德國(guó)物理學(xué)家是由德國(guó)物理學(xué)家倫琴倫琴在在1895年偶爾發(fā)現(xiàn)的。年偶爾發(fā)現(xiàn)的。 因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)其特性和本質(zhì)上無(wú)了因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)其特性和本質(zhì)上無(wú)了解，故取名為解，故取名為X射線，也叫倫琴射線射線，也叫倫琴射線。 從從18951897年間，倫琴潛心研年間，倫琴潛心研究究X-ray的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分特性。從而使他在分特性。從而使他在1901年獲得諾貝年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。爾物理獎(jiǎng)。第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)9第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)l X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波l X射線的波長(zhǎng)范圍為射線的

7、波長(zhǎng)范圍為0.0110nm，用于衍射分析的用于衍射分析的X射線波長(zhǎng)為射線波長(zhǎng)為0.050.25nml X射線一種橫波射線一種橫波，由交替變化的，由交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成l X射線具有波粒二相性射線具有波粒二相性，因其波，因其波長(zhǎng)較短，其粒子性較為突出，即長(zhǎng)較短，其粒子性較為突出，即可以把可以把X射線看成是一束具有一射線看成是一束具有一定能量的光量子流，定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2)式中，式中，h是普朗克常數(shù)；是普朗克常數(shù)；c是光速；是光速； 是是X射線的頻率，射線的頻率， 是是X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng)圖圖1-1 電磁波譜電磁波譜10第一節(jié)第一節(jié) X射線的性

8、質(zhì)射線的性質(zhì)l X射線穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，折射系數(shù)接近射線穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，折射系數(shù)接近1，幾乎不產(chǎn)生折射，幾乎不產(chǎn)生折射現(xiàn)象現(xiàn)象l X射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光、能使照相射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光、能使照相底板感光、能使一些氣體產(chǎn)生電離的現(xiàn)象底板感光、能使一些氣體產(chǎn)生電離的現(xiàn)象l X射線的穿透能力大，能穿透對(duì)可見光不透明的材料，特射線的穿透能力大，能穿透對(duì)可見光不透明的材料，特別是波長(zhǎng)在別是波長(zhǎng)在0.1nm以下的硬以下的硬X射線射線l X射線照射到晶體物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射等現(xiàn)射線照射到晶體物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射等現(xiàn)象，與光線的繞射現(xiàn)象類似象，與光線的繞射現(xiàn)

9、象類似l X射線具有破壞殺死生物組織細(xì)胞的作用射線具有破壞殺死生物組織細(xì)胞的作用第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜14l 圖圖1-2所示的所示的X射線管是產(chǎn)生射線管是產(chǎn)生X射線的裝置射線的裝置l 主要由陰極主要由陰極 (W燈絲燈絲) 和用和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等純金屬制等純金屬制成的陽(yáng)極成的陽(yáng)極(靶靶)組成組成l 陰極通電加熱，在陰、陽(yáng)陰極通電加熱，在陰、陽(yáng)極之間加以直流高壓極之間加以直流高壓 (約數(shù)約數(shù)萬(wàn)伏萬(wàn)伏)l 陰極發(fā)射的大量電子高速飛陰極發(fā)射的大量電子高速飛向陽(yáng)極，與陽(yáng)極碰撞產(chǎn)生向陽(yáng)極，與陽(yáng)極碰撞產(chǎn)生X射線射線圖圖1-2 X射線管結(jié)構(gòu)示意圖射線管結(jié)構(gòu)示

10、意圖第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜2.對(duì)對(duì)X-ray管的幾個(gè)要求管的幾個(gè)要求 a.a.陰極燈絲外加聚焦罩，起到聚焦電子束陰極燈絲外加聚焦罩，起到聚焦電子束的作用的作用； b.b.由于電子束轟擊時(shí)只有由于電子束轟擊時(shí)只有1%1%能量轉(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化為X-X-rayray；而；而99%99%轉(zhuǎn)化為熱能，故轉(zhuǎn)化為熱能，故陽(yáng)極靶必須固定在陽(yáng)極靶必須固定在高導(dǎo)熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻高導(dǎo)熱性的金屬上（黃銅或紫銅），并通冷卻水防止靶熔化；水防止靶熔化； c.c.焦點(diǎn)的設(shè)置：焦點(diǎn)的設(shè)置：焦點(diǎn)是陽(yáng)極靶表面被電子焦點(diǎn)是陽(yáng)極靶表面被電子束轟擊出的一塊面積，也是束轟擊出的一塊面積，

11、也是X-rayX-ray產(chǎn)生的地方，產(chǎn)生的地方，焦點(diǎn)的尺寸和形狀是焦點(diǎn)的尺寸和形狀是X-rayX-ray管的重要特性之一管的重要特性之一。 在在X-ray衍射中希望有衍射中希望有較小的焦點(diǎn)較小的焦點(diǎn)和和較強(qiáng)較強(qiáng)的強(qiáng)度的強(qiáng)度，這樣可以，這樣可以提高分辨率提高分辨率和和縮短曝光時(shí)縮短曝光時(shí)間間。 焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，通常在焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，通常在與靶面成與靶面成36度角的方向上接受度角的方向上接受X-ray，可縮，可縮小焦點(diǎn)。小焦點(diǎn)。17一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜射線譜，見圖，見圖1-3 圖圖1-3 管電壓

12、、管電流和陽(yáng)極靶原子序數(shù)對(duì)連續(xù)譜的影響管電壓、管電流和陽(yáng)極靶原子序數(shù)對(duì)連續(xù)譜的影響a) 管電壓的影響管電壓的影響 b) 管電流的影響管電流的影響 c)陽(yáng)極靶原子序數(shù)的影響陽(yáng)極靶原子序數(shù)的影響第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜18一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 由圖由圖1-3可見，可見，連續(xù)連續(xù) X 射線譜的特點(diǎn)是，射線譜的特點(diǎn)是，X 射線的波長(zhǎng)存射線的波長(zhǎng)存在最小值在最小值 SWL，其強(qiáng)度在，其強(qiáng)度在 m處有最大值處有最大值l 當(dāng)當(dāng)管電壓管電壓U 升高升高時(shí)，各波長(zhǎng)時(shí)，各波長(zhǎng)X射線的強(qiáng)度均提高，射線的強(qiáng)度均提高，短波限短波限 SWL和強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的波

13、長(zhǎng) m減小減小l 當(dāng)當(dāng)管電流管電流 i 增大增大時(shí)，各波長(zhǎng)時(shí)，各波長(zhǎng)X射線的強(qiáng)度均提高，但射線的強(qiáng)度均提高，但 SWL和和 m保持不變保持不變l 隨隨陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)Z 增大增大，連續(xù)，連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度提高，射線譜的強(qiáng)度提高，但但 SWL和和 m保持不變保持不變第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜19一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下的面積即為連續(xù)連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下的面積即為連續(xù) X 射線譜的總射線譜的總強(qiáng)度，其取決于強(qiáng)度，其取決于X射線管射線管U、i、Z 三個(gè)因素三個(gè)因素 I連連 = K1iZU2 (1-4)式中，式中，K1 是常數(shù)

14、。是常數(shù)。 X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)的效率射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)的效率 = I連連 / iU = K1ZU可見，可見， X 射線管的管電壓越高、陽(yáng)極靶原子序數(shù)越大，射線管的管電壓越高、陽(yáng)極靶原子序數(shù)越大，X 射射線管的效率越高。因線管的效率越高。因 K1 約約(1.11.4) 10-9，即使采用鎢陽(yáng)極，即使采用鎢陽(yáng)極 (Z = 74)、管電壓、管電壓100kV， 1%，效率很低。電子擊靶時(shí)，效率很低。電子擊靶時(shí)大部分能量消耗使靶發(fā)熱大部分能量消耗使靶發(fā)熱第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜20一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 為什么連續(xù)為什么連續(xù)X射線譜存在短波限射線譜存在短波限

15、SWL？ 用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為U，則電子到達(dá)陽(yáng)極靶的動(dòng)能為則電子到達(dá)陽(yáng)極靶的動(dòng)能為eU，當(dāng)，當(dāng)電子在一次碰撞中將全部電子在一次碰撞中將全部能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)光量子，可獲得最大能量能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)光量子，可獲得最大能量h max ，其波長(zhǎng)即，其波長(zhǎng)即為為 SWL， eU = h max = hc / SWL SWL= K /U (1-5)式中，式中，K =1.24nm kV。而絕大部分電子到達(dá)陽(yáng)極靶經(jīng)多次碰。而絕大部分電子到達(dá)陽(yáng)極靶經(jīng)多次碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產(chǎn)生大于撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產(chǎn)生大于 SWL的不

16、同的不同波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)譜射線，構(gòu)成連續(xù)譜第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜21第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜 當(dāng)當(dāng) X射線管壓高于靶材相應(yīng)的某一特征值射線管壓高于靶材相應(yīng)的某一特征值UK 時(shí)，在某些時(shí)，在某些特定波長(zhǎng)位置上，特定波長(zhǎng)位置上， 將出現(xiàn)一系列將出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄的強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄的 線狀光譜線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識(shí)譜稱為特征譜或標(biāo)識(shí)譜， 見圖見圖1-4；其波長(zhǎng)與陽(yáng)極靶材的原；其波長(zhǎng)與陽(yáng)極靶材的原 子序數(shù)有確定關(guān)系，見式子序數(shù)有確定關(guān)系，見式(1-6) ， 故可作

17、為靶材的標(biāo)志和特征，故可作為靶材的標(biāo)志和特征， (1-6) 式中，式中，K2和和 是常數(shù)。表明是常數(shù)。表明陽(yáng)極靶陽(yáng)極靶 材的原子序數(shù)越大，同一線系的特材的原子序數(shù)越大，同一線系的特 征譜波長(zhǎng)越短征譜波長(zhǎng)越短圖圖1-4 特征特征X射線譜射線譜)(21ZK22二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜 特征特征X射線的產(chǎn)生可以用圖射線的產(chǎn)生可以用圖1-5示意說(shuō)明，沖向陽(yáng)極的電示意說(shuō)明，沖向陽(yáng)極的電子若具有足夠能量，將內(nèi)層電子擊出而成為自由電子，此時(shí)子若具有足夠能量，將內(nèi)層電子擊出而成為自由電子，此時(shí) 原子處于高能的不穩(wěn)定狀原子處于高能的不穩(wěn)定狀 態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過(guò)態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過(guò) 渡。若

18、渡。若 L層電子躍遷到層電子躍遷到 K 層填補(bǔ)空位，原子由層填補(bǔ)空位，原子由K 激激 發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為 L 激發(fā)態(tài)，能量激發(fā)態(tài)，能量 差以差以X 射線的形式釋放，射線的形式釋放， 這就是特征這就是特征X射線，稱為射線，稱為 K 射線射線圖圖1-5 特征特征X射線產(chǎn)生示意圖射線產(chǎn)生示意圖第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜23二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜由于由于L層內(nèi)還有能量差別很小的亞能級(jí)，不同亞能級(jí)的電子層內(nèi)還有能量差別很小的亞能級(jí)，不同亞能級(jí)的電子躍遷將輻射躍遷將輻射K 1和和K 2射線。若射線。若M層電子向?qū)与娮酉騅層空位補(bǔ)充，則層空位補(bǔ)充，則輻射波長(zhǎng)更短

19、的輻射波長(zhǎng)更短的 K 射線。特征射線。特征 X射線的頻率可由下式計(jì)算射線的頻率可由下式計(jì)算 h = W2 W1 = (-En2) (-En1) (1-8)式中，式中， W2、W1分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量，分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量， En2和和En1是所在殼層上的電子能量。根據(jù)經(jīng)典原子模型，原子是所在殼層上的電子能量。根據(jù)經(jīng)典原子模型，原子內(nèi)電子分布在一系列的殼層上，最內(nèi)層內(nèi)電子分布在一系列的殼層上，最內(nèi)層(K層層)能量最低，按能量最低，按L、 M、N、順序遞增順序遞增第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜24第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜

20、二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜 在莫塞萊定律在莫塞萊定律 (1-6)式中，式中， 其中其中R 稱為里德伯常數(shù)，稱為里德伯常數(shù)，R = 1.0974 107m-1；n1和和n2是電子是電子躍遷前后殼層的主量子數(shù)，如躍遷前后殼層的主量子數(shù)，如 K 層層 n =1，L 層層n =2，M層層 n =3等，等， 在在K激發(fā)態(tài)下，激發(fā)態(tài)下，L層電子向?qū)与娮酉騅層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于M層躍層躍遷的幾率，所以遷的幾率，所以 K 譜線的強(qiáng)度是譜線的強(qiáng)度是 K 的的5倍；倍； K 1和和K 2譜線的譜線的關(guān)系為關(guān)系為 K 1 K 2，IK 1 2IK 1。幾種元素的特征波長(zhǎng)和。幾種元素的

21、特征波長(zhǎng)和K系系譜線的激發(fā)電壓見表譜線的激發(fā)電壓見表1-1212221223204211118nnRnnchmeK25二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜靶靶材材ZK系列特征譜波長(zhǎng)系列特征譜波長(zhǎng)/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1nmUK/kVU適宜適宜/kVK 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661

22、751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055表表1-1 幾種陽(yáng)極靶材及其特征譜參數(shù)幾種陽(yáng)極靶材及其特征譜參數(shù)注：注： K = ( 2 K 1+ K 2 ) / 3第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜26二、特征二、特征(標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí))X射線譜射線譜 由表由表1-1中的數(shù)據(jù)可見，欲獲得波長(zhǎng)更短的特征中的數(shù)據(jù)可見，欲獲得波長(zhǎng)更短的特征X射線，射線，需要選用原子序數(shù)更大的物質(zhì)作為陽(yáng)

23、極。表中需要選用原子序數(shù)更大的物質(zhì)作為陽(yáng)極。表中UK 是是 K系特系特征譜的臨界激發(fā)電壓，征譜的臨界激發(fā)電壓，陽(yáng)極靶材原子序數(shù)越大，所需臨界激陽(yáng)極靶材原子序數(shù)越大，所需臨界激發(fā)電壓越高發(fā)電壓越高。特征譜的強(qiáng)度隨管電壓。特征譜的強(qiáng)度隨管電壓U和管電流和管電流i增大而提高增大而提高 I標(biāo)標(biāo) = K3 i ( U Un )m (1-10)式中，式中，K3為常數(shù)；為常數(shù)；Un為特征譜的臨界激發(fā)電壓，對(duì)于為特征譜的臨界激發(fā)電壓，對(duì)于K系，系，Un = UK ；m為常數(shù)為常數(shù)(K系系m = 1.5， L系系m = 2) 為了提高特征譜的強(qiáng)度，應(yīng)采用較高的管電壓，當(dāng)為了提高特征譜的強(qiáng)度，應(yīng)采用較高的管電壓，

24、當(dāng)U/Uk =4時(shí)，時(shí)，I特特/I連連最大，所以最大，所以X射線管適宜的電壓為，射線管適宜的電壓為， U = (35)UK第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜27第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù) 如圖如圖1-6，強(qiáng)度為，強(qiáng)度為I0的的X射線照射厚度為射線照射厚度為t的均勻物質(zhì)上，的均勻物質(zhì)上，穿過(guò)深度為穿過(guò)深度為x處的處的dx厚度時(shí)的強(qiáng)度衰減量厚度時(shí)的強(qiáng)度衰減量dIx/Ix與與dx成正比，成正比， (1-11) 式中，式中， l 是常數(shù)，稱線吸收系數(shù)是常數(shù)，稱線吸收系數(shù) (1-12) I / I0稱為透射系數(shù)

25、，稱為透射系數(shù)， l是是X射線通過(guò)射線通過(guò) 單位厚度單位厚度(即單位體積即單位體積)物質(zhì)的強(qiáng)度衰物質(zhì)的強(qiáng)度衰 減量減量，圖，圖1-7表示強(qiáng)度隨透入深度的表示強(qiáng)度隨透入深度的 指數(shù)衰減關(guān)系指數(shù)衰減關(guān)系xIIlxxdd圖圖1-6 X射線通過(guò)物質(zhì)射線通過(guò)物質(zhì)后的衰減后的衰減tlIIe028第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù) 單位體積內(nèi)物質(zhì)量隨其密度而異，因此對(duì)于一確定的物質(zhì)單位體積內(nèi)物質(zhì)量隨其密度而異，因此對(duì)于一確定的物質(zhì) l 并不是常量，并不是常量，為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，采用質(zhì)量吸收系為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，采用質(zhì)量吸收系數(shù)數(shù)

26、 m= l / ( 是吸收物質(zhì)的密度是吸收物質(zhì)的密度)，代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14) m為單位面積厚度為為單位面積厚度為 t 的體積中物質(zhì)的體積中物質(zhì) 的質(zhì)量。因此的質(zhì)量。因此 ， m 的物理意義是的物理意義是X射射 線通過(guò)單位面積單位質(zhì)量物質(zhì)的強(qiáng)度線通過(guò)單位面積單位質(zhì)量物質(zhì)的強(qiáng)度 衰減量衰減量 它避開了密度的影響，可以作為反映它避開了密度的影響，可以作為反映 物質(zhì)本身對(duì)物質(zhì)本身對(duì)X射線吸收性質(zhì)的物理量射線吸收性質(zhì)的物理量圖圖1-7 X射線強(qiáng)度隨透入射線強(qiáng)度隨透入深度的變化深度的變化mtmmeIeII0029第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律

27、和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) 對(duì)于多元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、化合物和混合對(duì)于多元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、化合物和混合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)僅取決于各組元的質(zhì)量系數(shù)物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)僅取決于各組元的質(zhì)量系數(shù) mi及各組及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi ，即，即 (1-15)l 連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù)連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù) 連續(xù)連續(xù)X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其質(zhì)量吸收系數(shù)相當(dāng)于一個(gè)有射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，其質(zhì)量吸收系數(shù)相當(dāng)于一個(gè)有效波長(zhǎng)效波長(zhǎng) 有效有效值值( 有效有效 = 1.35 SWL)所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的 m niimimw130一、衰減規(guī)律和吸收系

28、數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng) 和原子序數(shù)和原子序數(shù) Z 的關(guān)系的關(guān)系 質(zhì)量吸收系數(shù)取決于質(zhì)量吸收系數(shù)取決于X 射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng) 和吸收物質(zhì)的原子和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)序數(shù)Z，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式如下，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式如下 m K4 3 Z3 (1-16)式中，式中，K4為常數(shù)。上式表明，為常數(shù)。上式表明，物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對(duì)物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對(duì)X射射線的吸收能力越強(qiáng)線的吸收能力越強(qiáng)；對(duì)于一定的吸收體，對(duì)于一定的吸收體，X射線波越短，穿射線波越短，穿透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降。但隨波長(zhǎng)減小，但隨波長(zhǎng)減小， m 并非單調(diào)下并非單調(diào)下降降，見圖

29、，見圖1-8第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用31一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng) 和原子序數(shù)和原子序數(shù) Z 的關(guān)系的關(guān)系 如圖如圖1-8所示，所示， 吸收系數(shù)在某些波長(zhǎng)位置突然升高，吸收系數(shù)在某些波長(zhǎng)位置突然升高， 所所 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為吸收限對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為吸收限 每種物質(zhì)都有其特定的一每種物質(zhì)都有其特定的一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素的特征量收元素的特征量，將這種，將這種 帶有特征吸收限的吸收系帶有特征吸收限的吸收系 數(shù)曲線稱該物質(zhì)的吸收譜數(shù)曲線稱該物質(zhì)的吸收譜 為什么會(huì)存在吸收限？為什么會(huì)存

30、在吸收限？圖圖1-8 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用32第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 當(dāng)當(dāng) 入射入射X射線光量子能量等射線光量子能量等于或略大于吸收體原子某殼層電于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，電子易獲得能量子的結(jié)合能時(shí)，電子易獲得能量從內(nèi)層逸出，成為自由電子，稱從內(nèi)層逸出，成為自由電子，稱為光電子，這種光子擊出電子的為光電子，這種光子擊出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。將消耗大量將消耗大量入射能量，導(dǎo)致吸收系數(shù)

31、突增入射能量，導(dǎo)致吸收系數(shù)突增光電效應(yīng)引起的入射能量消耗為光電效應(yīng)引起的入射能量消耗為真吸收，真吸收還包括熱效應(yīng)真吸收，真吸收還包括熱效應(yīng)光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過(guò)程示意圖應(yīng)過(guò)程示意圖33第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 熒光效應(yīng)熒光效應(yīng) 因光電效應(yīng)處于相應(yīng)的激發(fā)因光電效應(yīng)處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)的原子，將隨之發(fā)生如前所述態(tài)的原子，將隨之發(fā)生如前所述的外層電子向內(nèi)層躍遷的過(guò)程，的外層電子向內(nèi)層躍遷的過(guò)程，同時(shí)輻射出特征同時(shí)輻射出特征 X射線，稱射線，稱 X射射線激發(fā)產(chǎn)生的特征輻射為二次特線激發(fā)產(chǎn)生的特征輻射為二次

32、特征輻射，稱征輻射，稱這種光致發(fā)光的現(xiàn)象這種光致發(fā)光的現(xiàn)象為熒光效應(yīng)為熒光效應(yīng)光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過(guò)程示意圖應(yīng)過(guò)程示意圖34第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 熒光效應(yīng)熒光效應(yīng) 欲激發(fā)原子產(chǎn)生欲激發(fā)原子產(chǎn)生K、L、M等線系的熒光輻射，入射等線系的熒光輻射，入射X 射射線光量子的能量必須大于或至少等于從原子中擊出一個(gè)線光量子的能量必須大于或至少等于從原子中擊出一個(gè)K、L、M層電子所需的能量層電子所需的能量WK、WL、WM，如，如， WK = h K = hc / K (1-17)式中，式中， K、 K 是

33、產(chǎn)生是產(chǎn)生K系熒光輻射時(shí)，入射系熒光輻射時(shí)，入射X射線須具有的射線須具有的頻率和波長(zhǎng)的臨界值。熒光輻射將導(dǎo)致入射頻率和波長(zhǎng)的臨界值。熒光輻射將導(dǎo)致入射X射線的大量吸射線的大量吸收，故稱收，故稱 K、 L、 M 等為被照射物質(zhì)的吸收限等為被照射物質(zhì)的吸收限 對(duì)于同一元素，對(duì)于同一元素， K K K ，此為同一元素的此為同一元素的X射線射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系35第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng) 原子原子K層電子被擊出后，層電子被擊出后， L層一個(gè)電子躍入層一個(gè)電子躍入 K層填補(bǔ)空位，層填補(bǔ)空位，

34、而另一個(gè)而另一個(gè)L層電子獲得能量逸出層電子獲得能量逸出原子成為俄歇電子，稱原子成為俄歇電子，稱這種一個(gè)這種一個(gè)K層空位被兩個(gè)層空位被兩個(gè) L 層空位代替的層空位代替的過(guò)程為俄歇效應(yīng)過(guò)程為俄歇效應(yīng)熒光熒光X射線和俄歇電子均為物質(zhì)射線和俄歇電子均為物質(zhì)的化學(xué)成分信號(hào)。的化學(xué)成分信號(hào)。熒光熒光X射線用射線用于重元素的成分分析，俄歇電子于重元素的成分分析，俄歇電子用于表面輕元素分析用于表面輕元素分析光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過(guò)程示意圖應(yīng)過(guò)程示意圖36二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用如圖如圖1-9所示，可利用吸收所示，可利用吸收限兩側(cè)吸收系數(shù)差別

35、很大限兩側(cè)吸收系數(shù)差別很大的現(xiàn)象選用濾波片，用以的現(xiàn)象選用濾波片，用以吸收不需要的輻射，而得吸收不需要的輻射，而得到基本單色的到基本單色的X射線射線圖圖1-9 濾波片原理示意圖濾波片原理示意圖第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用37二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 參照?qǐng)D參照?qǐng)D1-9，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的于特征譜的K 和和K 波長(zhǎng)之間，且盡可能靠近波長(zhǎng)之間，且盡可能靠近K 線波長(zhǎng)。把這線波長(zhǎng)。把這種材料制成薄片種材料制成薄片濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收濾波片，置于入射線

36、光路中，將強(qiáng)烈吸收 K 線，而對(duì)線，而對(duì) K 線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射 常用靶材的濾波片選擇見表常用靶材的濾波片選擇見表1-2，濾波片比靶材的原子序，濾波片比靶材的原子序數(shù)小數(shù)小12，通過(guò)調(diào)整濾波片厚度，使濾波后，通過(guò)調(diào)整濾波片厚度，使濾波后I K /I K 1/600 當(dāng)當(dāng) Z靶靶 40 時(shí)，時(shí)，Z濾濾 = Z靶靶 - 1 當(dāng)當(dāng) Z靶靶 40 時(shí)，時(shí)，Z濾濾 = Z靶靶 - 2第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用38二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用陽(yáng)陽(yáng) 極極 靶靶濾波片濾波片(使使 IK =

37、 1/600) I / I0(K )元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K /nm厚度厚度/mm t / g cm-2銀銀 470.05610.0497銠銠 450.05340.0790.0960.29鉬鉬 420.07110.0632鋯鋯 400.06880.1080.0690.31銅銅 290.15420.1392鎳鎳 280.14880.0210.0190.40鈷鈷 270.17900.1621鐵鐵 260.17430.0180.0140.44鐵鐵 260.19370.1757錳錳 250.18950.0160.0120.46鉻鉻 240.22910.2085釩釩 230.22

38、680.0160.0090.50表表1-2 與幾種常用的陽(yáng)極靶及及配用的濾波片參數(shù)與幾種常用的陽(yáng)極靶及及配用的濾波片參數(shù)第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用39二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l(shuí) 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 在衍射分析時(shí)，希望試樣對(duì)在衍射分析時(shí)，希望試樣對(duì) X射線的吸收盡可能少，以射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。因此應(yīng)按圖獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。因此應(yīng)按圖1-10所示選用靶所示選用靶 材，入射線波長(zhǎng)材，入射線波長(zhǎng) T 略大于或略大于或 遠(yuǎn)小于試樣的遠(yuǎn)小于試樣的 K ，即根據(jù)樣，即根據(jù)樣 品選擇靶材的原則是，品選擇靶材的原則是， Z靶靶

39、Z樣樣 + 1 或或 Z靶靶 Z樣樣 圖圖1-10 X射線管靶材的選擇射線管靶材的選擇第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用40第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射l X射線穿過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減射線穿過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減l 強(qiáng)度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)強(qiáng)度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)l 強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來(lái)的入射方向，即散射強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來(lái)的入射方向，即散射l X射線的射線的散射散射包括包括 與原波長(zhǎng)相同的相干散射與原波長(zhǎng)相同的相干散射 與原波長(zhǎng)不同的不相干散射與原

40、波長(zhǎng)不同的不相干散射41三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射l 當(dāng)入射當(dāng)入射 X射線與受射線與受原子核束縛較緊的電子原子核束縛較緊的電子相遇，使電子在相遇，使電子在X射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，像四周輻射與入射射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，像四周輻射與入射X射線波長(zhǎng)相同的輻射射線波長(zhǎng)相同的輻射l 因各電子散射的因各電子散射的X射線波長(zhǎng)相同，有可能相互干涉，因此射線波長(zhǎng)相同，有可能相互干涉，因此稱稱相干散射相干散射，亦稱經(jīng)典散射，亦稱經(jīng)典散射l 物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X射線的散射可以認(rèn)為射線的散射可以認(rèn)為只是電子的散射只是電子的散射l 相干散射波僅占入射能量的極小部分相干散射波僅占入射

41、能量的極小部分l 相干散射是相干散射是 X 射線衍射分析的基礎(chǔ)射線衍射分析的基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用42三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射X 射線是非偏振光，如圖射線是非偏振光，如圖1-11,電子在空間電子在空間P點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度 (1-18) 式中，式中，I0為入射線強(qiáng)度；為入射線強(qiáng)度；Ie為一個(gè)電為一個(gè)電 子的相干散射強(qiáng)度；子的相干散射強(qiáng)度；R 為電子到空為電子到空 間一點(diǎn)間一點(diǎn)P的距離；的距離；2 為散射角；為散射角； 電子散射因數(shù)電子散射因數(shù) fe2 =7.94 10-30m2，說(shuō)，說(shuō) 明明一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度很小一

42、個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度很??； (1+cos2 2 )/2 稱偏振因數(shù)，表明稱偏振因數(shù)，表明相干相干 散射線是偏振的，強(qiáng)度隨散射線是偏振的，強(qiáng)度隨2 而變化而變化22cos122cos1422202222020eefRImceRII第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用圖圖1-11 一個(gè)電子的一個(gè)電子的相干散射相干散射43第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 定義原子散射因數(shù)為一個(gè)定義原子散射因數(shù)為一個(gè)原子中所有電子相干散射波原子中所有電子相干散射波合成振幅與一個(gè)電子相干散射波振幅的比，則有合成振幅與一個(gè)電子相干散射波振幅的比，則有 f = V (r)ei dV (1-21) 式中，式中， (r)是原子中總的電是原子中總的電 子分布密度；子分布密度； dV是位矢是位矢r端端 點(diǎn)周圍的體積元，點(diǎn)周圍的體積元， 是相位是相位 差，差， 是是r與與(k-k)間夾角間夾角(圖圖1-12)圖圖1-12 一個(gè)原子中電子一個(gè)原子中電子的相干散射的相干散射cossin4r44第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 若原子中電子云相對(duì)原子核呈球形對(duì)稱分布，若原子中電子云相對(duì)原子核呈球形對(duì)稱分