材料分析方法之材料X射線衍射分析課件

材料分析方法第一部分

材料X射線衍射分析材料分析方法1主要內(nèi)容：X射線的性質(zhì)X射線的產(chǎn)生及X射線譜X射線與物質(zhì)的相互作用第一章

X射線的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容：第一章X射線的物理基礎(chǔ)2第一章X射線的物理基礎(chǔ)1901年首位諾貝爾物理獎獲得者1895年德國物理學(xué)家倫琴（R?ntgen,W.C.）發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線），產(chǎn)生、傳播和穿透力等性能X射線是電磁波?粒子流？爭議?早期應(yīng)用（發(fā)現(xiàn)后半年）：骨折診斷和定位/鑄件探傷X射線透視技術(shù)引言（X射線譜發(fā)展歷史）第一章X射線的物理基礎(chǔ)1901年首位諾貝爾物理獎獲得者13倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機(jī)戒指）倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機(jī)戒指）4探討X射線本質(zhì)的研究基礎(chǔ)1911年，勞?！獠ㄍㄟ^光柵的衍射理論研究1911年，愛瓦爾德—可見光通過晶體的衍射行為1908年，佩蘭—解決了準(zhǔn)確測定阿伏加德羅常數(shù)?？捎?jì)算晶體中一個原子或分子所占空間的體積及粒子間的距離。兩種假說X射線是電磁波，應(yīng)具有衍射現(xiàn)象?晶體具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（規(guī)則排列）？無法證實(shí)！！探討X射線本質(zhì)的研究基礎(chǔ)1911年，勞埃—光波通過光柵的衍5勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設(shè)想被初步證實(shí)CuSO4·5H2O晶體為光柵，獲得了第一張X射線衍射圖弗里德里克和克尼平實(shí)驗(yàn)開辟了兩個研究領(lǐng)域解決三大問題X射線是波長很短的電磁波晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性

利用X射線衍射效應(yīng)研究晶體結(jié)構(gòu)X射線光譜學(xué)X射線晶體學(xué)推測出x射線的波長和晶體中的原子間距數(shù)量級相同勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設(shè)6勞厄?qū)嶒?yàn)晶體中原子排列成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣，原子間距為10-10m的數(shù)量級，與X射線的波長同數(shù)量級，可以利用晶體作為天然光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。勞厄?qū)嶒?yàn)證明了X射線的波動性，同時還證實(shí)了晶體中原子排列的規(guī)則性。勞厄?qū)嶒?yàn)晶體中原子排列成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣，原子間距為10-17勞厄（M.V.Laue，1879-1960）

德國物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)X射線的衍射現(xiàn)象，從而判定X射線的本質(zhì)是高頻電磁波。1914年，他因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。布拉格父子（W.L.Bragg，子、W.H.Bragg，父）英國物理學(xué)家，在利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，奠定了X射線譜學(xué)及X射線結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。他們因此而于1915年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。X射線的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用是廿世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大成就之一，圍繞X射線進(jìn)行科研工作的科學(xué)家獲諾貝爾獎的就有近卅人之多。勞厄（M.V.Laue，1879-1960）德國物理學(xué)8與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單

與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單9§1-1X射線的性質(zhì)波長：紫外線和射線之間特點(diǎn)：1、在電磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；2、穿透力；3、波長較短的電磁波，范圍在0.01nm~10nm之間；4、對人體有傷害?！?-1X射線的性質(zhì)波長：紫外線和射線之間特點(diǎn)：10§1-1X射線的性質(zhì)X射線本質(zhì)是電磁波磁場分量電場分量A忽略沿y軸傳播的波長λX射線波的方程表示為：A=A0cos2π(y/λ-νt)A0—電場強(qiáng)度振幅，ν–頻率（c/λ）c–光速；t–時間（1-1）§1-1X射線的性質(zhì)X射線本質(zhì)是電磁波磁場分量電場分量A忽11§1-1X射線的性質(zhì)以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)，令ω=2πνA=A0cos（φ-ωt）當(dāng)t=0時，則（1-1）可寫成（1-2）（1-2）指數(shù)形式為A=A0ei(φ-ωt)A=A0eiφeiφ---

相位因子X射線波動性粒子性-顯著-光量子流光量子動能E=hν=hc/λ動量P=h/λ=hν/c§1-1X射線的性質(zhì)以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)12§1-2X射線的產(chǎn)生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，高速電子撞擊某些固體時，會產(chǎn)生一種看不見的射線，它能夠透過許多對可見光不透明的物質(zhì)，對感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)產(chǎn)生熒光，這就是所謂的X射線或倫琴射線?！?-2X射線的產(chǎn)生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，13X射線譜連續(xù)射線譜（標(biāo)識射線譜）特征射線譜XXX原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。X射線譜連續(xù)射線譜（標(biāo)識射線譜）特征射線譜XX14管電壓管電流陽極靶原子序數(shù)一、連續(xù)X射線譜1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)性？swl？Imax-m?∞？經(jīng)典電動力學(xué)量子理論強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化管壓U增大（i，Z不變），各波長X射線強(qiáng)度提高，短波限swl和強(qiáng)度最大值m減小管流i增大（U一定，Z不變)各波長X射線強(qiáng)度提高，swl與m不變靶材的原子序數(shù)Z越高（U，i不變）各波長X射線強(qiáng)度越大，swl與m保持不變管電壓管電流陽極靶原子序數(shù)一、連續(xù)X射線譜1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、15二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成；2）強(qiáng)度大大超過連續(xù)譜線的強(qiáng)度并迭加于連續(xù)譜線之上；3）譜線波長不隨X射線光管的工作條件（電壓和電流）而變，只決定于陽極靶物質(zhì)的原子序數(shù)1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)U≥UK時，在連續(xù)譜上特定波長出現(xiàn)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識譜二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成162、產(chǎn)生機(jī)理2、產(chǎn)生機(jī)理17KKKK183、X射線的應(yīng)用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)。1914年，莫塞萊總結(jié)發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律，并因此獲得諾貝爾物理獎莫塞萊定律成為X射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)3、X射線的應(yīng)用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽19§1-3X射線與物質(zhì)的相互作用X射線到達(dá)物質(zhì)表面后的能量將分為三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)l稱線吸收系數(shù)e-t稱透射系數(shù)X射線強(qiáng)度隨透入深度的變化§1-3X射線與物質(zhì)的相互作用X射線到達(dá)物質(zhì)表面后20m--質(zhì)量吸收系數(shù)可反應(yīng)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性lX射線通過單位厚度（體積）物質(zhì)的相對衰減量m—單位面積厚度為t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m=t）m—X射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的相對衰減量。m--質(zhì)量吸收系數(shù)lX射線通過單位厚度（體積）m21m隨入射波長的變化（Z一定）m

決定于吸收體的原子序數(shù)Z和X射線的波長，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式為波長減小到某幾個值時，m突然增加，出現(xiàn)若干個跳躍臺階。m突增說明在這幾個波長X射線被大量吸收，這個相應(yīng)的波長稱為吸收限。每種物質(zhì)都有它本身確定的一系列的吸收限。Wi

–某組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)n–吸收體中的組元數(shù)m具有加和性m隨入射波長的變化（Z一定）m決定于吸收體的原子序數(shù)Z22二、X射線的真吸收

吸收系數(shù)突變是由于光電效應(yīng)消耗大量入射能量引起的

光電效應(yīng)是指吸收體原子某殼層電子獲得入射光量子能量，從內(nèi)層溢出而成為自由電子（稱光電子），使原子處于相應(yīng)激發(fā)態(tài)如k激發(fā)態(tài)：，k、k為K吸收限頻率和波長

<<（同一元素）激發(fā)態(tài)的原子有2種釋放能量方式：熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)真吸收包括光電效應(yīng)和熱效應(yīng)所引起的入射能量消耗二、X射線的真吸收吸收系數(shù)突變是由于光電效應(yīng)消耗大量入射能23俄歇電子能譜(AES)分析X射線熒光光譜(XFS)分析光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過程示意圖俄歇電子能譜X射線熒光光譜光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過24濾波片原理示意圖光源波長與試樣吸收譜的關(guān)系選擇X射線靶材的依據(jù)吸收限的應(yīng)用獲得單一波長的X射線濾波片原理示意圖光源波長與試樣吸收譜的關(guān)系吸收限的應(yīng)用獲得單25三、X射線的散射X射線被物質(zhì)散射時可以產(chǎn)生兩種散射現(xiàn)象，即相干散射和不相干散射。

X射線被物質(zhì)散射，主要是核外電子與X射線相互作用的結(jié)果。

相干散射（經(jīng)典散射）入射X射線與原子內(nèi)受縛較禁的電子相遇，光量子能量不足以使原子電離，但電子在X射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動而成為電磁波的發(fā)射源，向四周發(fā)射與入射X射線波長相同的輻射，因各電子所散射的射線的波長相同，有可能發(fā)生相互干涉。三、X射線的散射X射線被物質(zhì)散射時可以產(chǎn)生兩種散射現(xiàn)象，即26不相干散射（量子散射）在偏離原入射束方向上，不僅有與入射線波長相同的相干散射波，還有波長變長的不相干散射波，康普頓－吳有訓(xùn)用X射線光量子與自由電子碰撞的量子理論解釋這一現(xiàn)象原子散射因子f隨sin/的變化相干散射強(qiáng)度I

＝f2·I0康普頓－吳有訓(xùn)效應(yīng)Δλ＝λ‘－λ＝0.00486sin2θ不相干散射（量子散射）原子散射因子f隨sin/的變27X射線的產(chǎn)生及其與物質(zhì)的相互作用X射線的產(chǎn)生及其與物質(zhì)的相互作用28材料分析方法之材料X射線衍射分析課件29演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！30材料分析方法第一部分

材料X射線衍射分析材料分析方法31主要內(nèi)容：X射線的性質(zhì)X射線的產(chǎn)生及X射線譜X射線與物質(zhì)的相互作用第一章

X射線的物理基礎(chǔ)主要內(nèi)容：第一章X射線的物理基礎(chǔ)32第一章X射線的物理基礎(chǔ)1901年首位諾貝爾物理獎獲得者1895年德國物理學(xué)家倫琴（R?ntgen,W.C.）發(fā)現(xiàn)X射線（倫琴射線），產(chǎn)生、傳播和穿透力等性能X射線是電磁波?粒子流？爭議?早期應(yīng)用（發(fā)現(xiàn)后半年）：骨折診斷和定位/鑄件探傷X射線透視技術(shù)引言（X射線譜發(fā)展歷史）第一章X射線的物理基礎(chǔ)1901年首位諾貝爾物理獎獲得者133倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機(jī)戒指）倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機(jī)戒指）34探討X射線本質(zhì)的研究基礎(chǔ)1911年，勞?！獠ㄍㄟ^光柵的衍射理論研究1911年，愛瓦爾德—可見光通過晶體的衍射行為1908年，佩蘭—解決了準(zhǔn)確測定阿伏加德羅常數(shù)?？捎?jì)算晶體中一個原子或分子所占空間的體積及粒子間的距離。兩種假說X射線是電磁波，應(yīng)具有衍射現(xiàn)象?晶體具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（規(guī)則排列）？無法證實(shí)！！探討X射線本質(zhì)的研究基礎(chǔ)1911年，勞?！獠ㄍㄟ^光柵的衍35勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設(shè)想被初步證實(shí)CuSO4·5H2O晶體為光柵，獲得了第一張X射線衍射圖弗里德里克和克尼平實(shí)驗(yàn)開辟了兩個研究領(lǐng)域解決三大問題X射線是波長很短的電磁波晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性

利用X射線衍射效應(yīng)研究晶體結(jié)構(gòu)X射線光譜學(xué)X射線晶體學(xué)推測出x射線的波長和晶體中的原子間距數(shù)量級相同勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設(shè)36勞厄?qū)嶒?yàn)晶體中原子排列成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣，原子間距為10-10m的數(shù)量級，與X射線的波長同數(shù)量級，可以利用晶體作為天然光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。勞厄?qū)嶒?yàn)證明了X射線的波動性，同時還證實(shí)了晶體中原子排列的規(guī)則性。勞厄?qū)嶒?yàn)晶體中原子排列成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣，原子間距為10-137勞厄（M.V.Laue，1879-1960）

德國物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn)X射線的衍射現(xiàn)象，從而判定X射線的本質(zhì)是高頻電磁波。1914年，他因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。布拉格父子（W.L.Bragg，子、W.H.Bragg，父）英國物理學(xué)家，在利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，奠定了X射線譜學(xué)及X射線結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。他們因此而于1915年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。X射線的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用是廿世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大成就之一，圍繞X射線進(jìn)行科研工作的科學(xué)家獲諾貝爾獎的就有近卅人之多。勞厄（M.V.Laue，1879-1960）德國物理學(xué)38與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單

與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單39§1-1X射線的性質(zhì)波長：紫外線和射線之間特點(diǎn)：1、在電磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；2、穿透力；3、波長較短的電磁波，范圍在0.01nm~10nm之間；4、對人體有傷害。§1-1X射線的性質(zhì)波長：紫外線和射線之間特點(diǎn)：40§1-1X射線的性質(zhì)X射線本質(zhì)是電磁波磁場分量電場分量A忽略沿y軸傳播的波長λX射線波的方程表示為：A=A0cos2π(y/λ-νt)A0—電場強(qiáng)度振幅，ν–頻率（c/λ）c–光速；t–時間（1-1）§1-1X射線的性質(zhì)X射線本質(zhì)是電磁波磁場分量電場分量A忽41§1-1X射線的性質(zhì)以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)，令ω=2πνA=A0cos（φ-ωt）當(dāng)t=0時，則（1-1）可寫成（1-2）（1-2）指數(shù)形式為A=A0ei(φ-ωt)A=A0eiφeiφ---

相位因子X射線波動性粒子性-顯著-光量子流光量子動能E=hν=hc/λ動量P=h/λ=hν/c§1-1X射線的性質(zhì)以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)42§1-2X射線的產(chǎn)生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，高速電子撞擊某些固體時，會產(chǎn)生一種看不見的射線，它能夠透過許多對可見光不透明的物質(zhì)，對感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)產(chǎn)生熒光，這就是所謂的X射線或倫琴射線?！?-2X射線的產(chǎn)生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，43X射線譜連續(xù)射線譜（標(biāo)識射線譜）特征射線譜XXX原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。X射線譜連續(xù)射線譜（標(biāo)識射線譜）特征射線譜XX44管電壓管電流陽極靶原子序數(shù)一、連續(xù)X射線譜1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)性？swl？Imax-m?∞？經(jīng)典電動力學(xué)量子理論強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化管壓U增大（i，Z不變），各波長X射線強(qiáng)度提高，短波限swl和強(qiáng)度最大值m減小管流i增大（U一定，Z不變)各波長X射線強(qiáng)度提高，swl與m不變靶材的原子序數(shù)Z越高（U，i不變）各波長X射線強(qiáng)度越大，swl與m保持不變管電壓管電流陽極靶原子序數(shù)一、連續(xù)X射線譜1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、45二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成；2）強(qiáng)度大大超過連續(xù)譜線的強(qiáng)度并迭加于連續(xù)譜線之上；3）譜線波長不隨X射線光管的工作條件（電壓和電流）而變，只決定于陽極靶物質(zhì)的原子序數(shù)1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)U≥UK時，在連續(xù)譜上特定波長出現(xiàn)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識譜二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成462、產(chǎn)生機(jī)理2、產(chǎn)生機(jī)理47KKKK483、X射線的應(yīng)用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)。1914年，莫塞萊總結(jié)發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律，并因此獲得諾貝爾物理獎莫塞萊定律成為X射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)3、X射線的應(yīng)用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽49§1-3X射線與物質(zhì)的相互作用X射線到達(dá)物質(zhì)表面后的能量將分為三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)l稱線吸收系數(shù)e-t稱透射系數(shù)X射線強(qiáng)度隨透入深度的變化§1-3X射線與物質(zhì)的相互作用X射線到達(dá)物質(zhì)表面后50m--質(zhì)量吸收系數(shù)可反應(yīng)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性lX射線通過單位厚度（體積）物質(zhì)的相對衰減量m—單位面積厚度為t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m=t）m—X射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的相對衰減量。m--質(zhì)量吸收系數(shù)lX射線通過單位厚度（體積）m51m隨入射波長的變化（Z一定）m

決定于吸收體的原子序數(shù)Z和X射線的波長，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式為波長減小到某幾個值時，m突然增加，出現(xiàn)若干個跳躍臺階。m突增說明在這幾個波長X射線被大量吸收，這個相應(yīng)的波長稱為吸收限。每種物質(zhì)都有它本身確定的一系列的吸收限。Wi

–某組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)n–吸收體中的組元數(shù)m具有加和性m隨入射波長的變化（Z一定）m決定于吸收體的原子序數(shù)Z52二、X射線的真吸收

吸收系數(shù)突變是由于光電效應(yīng)消耗大量入射能量引起的

光電效應(yīng)是指吸收體原子某殼層電子獲得入射光量子能量，從內(nèi)層溢出而成為自由電子（稱光電子），使原子處于相應(yīng)激發(fā)態(tài)如k激發(fā)態(tài)：，k、k為K吸收限