現(xiàn)代材料檢測(cè) 第一章 射線物理學(xué)基礎(chǔ)

現(xiàn)代材料檢測(cè)第一章射線物理學(xué)基礎(chǔ)1第一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三概論材料分析測(cè)試技術(shù)：是關(guān)于材料成分、物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和晶體缺陷等的現(xiàn)代分析、檢測(cè)技術(shù)及其有關(guān)理論知識(shí)的科學(xué)。第二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三概論材料顯微組織結(jié)構(gòu)和成分？---以控制材料性能？顯微組織結(jié)構(gòu)（相成分及分布、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、晶粒大小和形貌、界面、內(nèi)應(yīng)力等）----性能（力學(xué)、物理）采用現(xiàn)代檢測(cè)分析技術(shù)：三個(gè)部分第三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三本課程內(nèi)容及要求內(nèi)容：X－射線衍射分析的基本原理、實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用；透射電鏡、掃描電鏡等電子顯微分析技術(shù)的基本原理與方法及應(yīng)用；高聚物材料等分析測(cè)試技術(shù)基本原理及應(yīng)用。課時(shí)分配：16+2；18+4；14+2第四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三第五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.

目的：掌握基本原理、過(guò)程、裝備及應(yīng)用，掌握基本知識(shí)、技能、必要的基礎(chǔ)理論。3.

要求：不同材料，正確選擇其分析檢測(cè)方法；能分析檢測(cè)結(jié)果；可以與檢測(cè)專業(yè)人員商討材料分析研究的實(shí)驗(yàn)方案；具備從事材料分析檢測(cè)工作的基本能力和新技術(shù)的自學(xué)能力。第六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.

難點(diǎn)：測(cè)試方法的基本原理及其相關(guān)理論的了解5.

重點(diǎn)：測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用－根據(jù)不同的材料及其性能要求采取相應(yīng)的分析測(cè)試技術(shù)并分析其結(jié)果第七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三X射線的應(yīng)用包括：物相分析：測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù)取向分析：測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)晶粒大小宏觀應(yīng)力：測(cè)量點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的變化對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究：對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)等合金相變：有序無(wú)序轉(zhuǎn)變等結(jié)構(gòu)分析：對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)第八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三底片顯影后的手指骨

世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者？FrauR?ntgen'shand第九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一章

X射線的性質(zhì)1.X－射線的發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)生1.1X－射線的發(fā)現(xiàn)：

1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，也叫倫琴射線。因此，1901年成為世界上第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。第十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三與X射線及晶體衍射有關(guān)的

部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者第十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（R?ntgen,W.C.）發(fā)現(xiàn)X射線1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Von.Laue,M）等人發(fā)現(xiàn)X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證X射線是一種電磁波1912年，英國(guó)物理學(xué)家布·喇格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.)

開創(chuàng)X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史第十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三

凡是高速運(yùn)動(dòng)的電子流或其它高能輻射流（如γ射線，X射線，中子流等）被突然減速時(shí)均能產(chǎn)生X射線。1.2X－射線的產(chǎn)生：第十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.2X－射線的產(chǎn)生：

高速運(yùn)動(dòng)著的帶電（或不帶電）與某種物質(zhì)相撞擊后突然減速或停止運(yùn)動(dòng)，粒子的大部分動(dòng)能（約99％）都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，小部分能量（約1％）轉(zhuǎn)化為X射線能量。

圖1－1X射線管剖面示意圖第十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.2.1X－射線產(chǎn)生的基本條件：產(chǎn)生自由電子；使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)；在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物；第十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.2.2X－射線產(chǎn)生裝置示意圖解釋：陰極發(fā)射電子；陽(yáng)極又稱為靶。使電子突然減速并發(fā)射X射線；鈹窗口X射線射出的通道。要求足夠的強(qiáng)度以維持管內(nèi)的高真空，對(duì)X射線的吸收較小。第十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.3X－射線的本質(zhì)屬電磁波或電磁輻射，具有波粒二象性（波動(dòng)性和粒子性）。－波粒二象性是X射線的客觀屬性，不同條件下分別突出地表現(xiàn)其兩方面地特性我們需同時(shí)接受波動(dòng)性和粒子性兩種模型

第十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.3X－射線的本質(zhì)波動(dòng)性表現(xiàn)為：－以波動(dòng)的形式傳播，具有一定的頻率和波長(zhǎng)－波動(dòng)性特征反映在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和在傳播過(guò)程中發(fā)生的干涉、衍射現(xiàn)象第十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.3X－射線的本質(zhì)粒子性突出表現(xiàn)為：－在與物質(zhì)相互作用和交換能量的時(shí)候－X射線由大量的粒子流(能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m)構(gòu)成，粒子流稱為光子－當(dāng)X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子只能整個(gè)被原子或電子吸收或散射（以一個(gè)光子的能量為單位）第十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三波長(zhǎng)(0.001-10nm)能量和動(dòng)量很大，具有穿透性。晶體結(jié)構(gòu)分析(0.25-0.05nm)

電磁波譜波動(dòng)性和粒子性參量之間關(guān)系：ε＝hυ＝hc/λh為普朗克常數(shù)橋梁作用第二十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.X－射線譜

X射線管陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線譜分為兩類：連續(xù)X射線譜和特征X射線譜。

第二十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖2－1各管電壓下Mo陽(yáng)極的X射線譜返回第二十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.1連續(xù)X射線譜定義定義：波長(zhǎng)在一定范圍連續(xù)分布的X射線，I和λ構(gòu)成連續(xù)X射線譜當(dāng)管壓很低（小于20KV時(shí)），由某一短波限λ0開始直到波長(zhǎng)無(wú)窮大λ∞，波長(zhǎng)連續(xù)分布隨管壓增高，X射線強(qiáng)度增高，連續(xù)譜峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（1.5λ0處)向短波端移動(dòng)λ0正比于1/V,與靶元素?zé)o關(guān)第二十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三強(qiáng)度I：由單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與X射線傳播方向垂直的單位面積上的光量子數(shù)的能量總和決定（粒子性觀點(diǎn)描述）單位時(shí)間通過(guò)垂直于傳播方向的單位截面上的能量大小，與A2成正比（波動(dòng)性觀點(diǎn)描述）第二十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.2短波限的出現(xiàn)對(duì)X射線管施加不同電壓時(shí)，在X射線的強(qiáng)度I隨波長(zhǎng)λ變化的關(guān)系曲線中，在各種管壓下的連續(xù)譜都存在一個(gè)最短的波長(zhǎng)值λ0，稱為短波限。第二十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)概念解釋：

一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)電子到達(dá)靶面時(shí)，因突然減速產(chǎn)生很大的負(fù)加速度，負(fù)加速度引起周圍電磁場(chǎng)的急劇變化，產(chǎn)生電磁波，且具有不同波長(zhǎng)，形成連續(xù)X射線譜。2.3連續(xù)X射線譜的形成：第二十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三量子理論解釋：*電子與靶經(jīng)過(guò)多次碰撞，逐步把能量釋放到零，同時(shí)產(chǎn)生一系列能量為hυi的光子序列，形成連續(xù)譜*存在ev=hυmax

，υmax=hc/λ0,λ0為短波限，從而推出λ0＝1.24/V（nm)（V為電子通過(guò)兩極時(shí)的電壓降，與管壓有關(guān)）。*一般ev≥hυ,在極限情況下，極少數(shù)電子在一次碰撞中將全部能量一次性轉(zhuǎn)化為一個(gè)光量子第二十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三X射線連續(xù)譜變化規(guī)律解釋：λ0＝1.24/V（nm)式說(shuō)明，短波限只與管壓有關(guān)，固定管壓，改變管電流和靶時(shí)，λ0不變。管壓增高，電子與靶碰撞次數(shù)及X射線光量子的能量增高，所以連續(xù)譜各波長(zhǎng)的強(qiáng)度相應(yīng)增高，各曲線峰值對(duì)應(yīng)的λ值和λ0都向短波方向移動(dòng)。第二十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.4X射線管的效率ηη＝KZV為提高效率，Z，V必大。常選用鎢靶，高管電壓。K為常數(shù)，Z為陽(yáng)極靶原子序數(shù)，V為管電壓第二十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.

特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜3.1特征X射線譜的定義對(duì)于一定元素的靶，當(dāng)管壓小于某一限度時(shí)，只激發(fā)連續(xù)譜，管壓增高，射線譜曲線只向短波方向移動(dòng)，總強(qiáng)度增高，本質(zhì)上無(wú)變化。當(dāng)管壓超過(guò)某一臨界值后，在連續(xù)譜某幾個(gè)特定波長(zhǎng)的地方，強(qiáng)度突然顯著增大，峰窄且尖銳，這些峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)只與靶的原子序數(shù)有關(guān)，與管壓和管電流無(wú)關(guān)。因這種強(qiáng)度峰的波長(zhǎng)反映了物質(zhì)的原子序數(shù)特征，故叫特征X射線，由特征X射線構(gòu)成的X射線譜叫特征X射線譜。（圖3－1）

第三十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.2臨界激發(fā)電壓產(chǎn)生特征X射線需要的最低電壓叫激發(fā)電壓。（見圖3－1）第三十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖3－1特征X射線譜和Kα

雙重線第三十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.3特征X射線譜產(chǎn)生的機(jī)理高速運(yùn)動(dòng)的粒子（電子或光子）將靶材原子核外電子擊出去，或擊到原子系統(tǒng)外，或填到未滿的高能級(jí)上，原子的系統(tǒng)能量升高，處于激發(fā)態(tài)。為趨于穩(wěn)定，原子系統(tǒng)自發(fā)向低能態(tài)轉(zhuǎn)化：較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，這一降低的能量以一個(gè)光子的形式輻射出來(lái)變成光子能量，且這降低能量為固定值（因原子序數(shù)固定），因而λ固定，所以輻射出特征X射線譜。第三十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三K系激發(fā)（K系輻射）：原子處于激發(fā)態(tài)后，外層電子便向內(nèi)層躍遷，同時(shí)輻射出特征X射線。我們把K層電子被擊出的過(guò)程叫K系激發(fā)，隨之的電子躍遷所引起的輻射叫K系輻射。（圖3－2）第三十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三

圖3－2原子能級(jí)示意圖第三十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.3特征X射線譜產(chǎn)生的機(jī)理？臨界激發(fā)電壓eVk=-Ek=Wk？Kα

線比Kβ線波長(zhǎng)長(zhǎng)而強(qiáng)度高：能量差△εkL=hc/λKα△εKM=hc/λKβ,△εkL<△εKM,故λKα>λKβ;

躍遷幾率LK>5倍躍遷幾率MK，故IKα>IKβ第三十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三不同陽(yáng)極靶元素的原子序數(shù)與特征譜波長(zhǎng)之間的關(guān)系：莫塞萊定律：特征X射線譜的頻率或波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，與其他外界因素?zé)o關(guān)。是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)。利用標(biāo)樣定K和σ，確定原子序數(shù)Z。

第三十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三在X射線衍射中，主要是利用Kα線作輻射源因?yàn)椋篖系和M系射線波長(zhǎng)太長(zhǎng)，容易被物質(zhì)吸收；X射線連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射花樣的分析，希望I特征/I連續(xù)越大越好當(dāng)工作電壓為K系激發(fā)壓3-5倍時(shí)，I特征/I連續(xù)最大第三十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.X射線與物質(zhì)的相互作用X射線的散射；X射線的吸收；X射線的衰減規(guī)律；吸收限的應(yīng)用；實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)X射線的安全防護(hù)第三十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.X射線與物質(zhì)的相互作用

當(dāng)一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其能量可分為三部分，即一部分被散射，一部分被吸收，而其余部分則透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)的方向傳播。第四十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三X射線與物質(zhì)的相互作用

散射能量；吸收能量；透過(guò)物質(zhì)傳播的能量。4.1x-射線的散射（兩種散射效應(yīng)）相干散射：對(duì)象：物質(zhì)原子中束縛較緊的內(nèi)層電子能量來(lái)源：撞擊光子的全部能量效應(yīng)：電子繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)，并作為新波源向四周輻射電磁波，叫X射線散射波特點(diǎn)：散射波之間符合振動(dòng)方向相同、頻率相同、位相差恒定的光干涉條件，可發(fā)生干涉作用故稱為相干散射。

(一個(gè)電子散射X射線的強(qiáng)度Ie）

第四十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三一個(gè)電子將X射線散射后，在距電子為R處P點(diǎn)的強(qiáng)度Ie可表示為：第四十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三湯姆孫公式的分析：電子對(duì)X射線的散射特點(diǎn)：與入射波頻率無(wú)關(guān)強(qiáng)度與到電子的距離的平方成反比，散射線強(qiáng)度很弱，是大量電子散射波干涉結(jié)果一束非偏振的入射X－ray經(jīng)過(guò)電子散射后，其散射強(qiáng)度在空間各個(gè)方向是不相同的，被偏振化了第四十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三湯姆孫公式的分析：2θ＝0，散射強(qiáng)度最大為1，垂直方向?yàn)?/2偏振化的程度取決于散射角2θ的大小。將稱為偏振因子（極化因子）。任何物質(zhì)的散射因子定義為相當(dāng)于湯姆孫公式散射的電子數(shù)（絕對(duì)單位），晶體中散射的基本單元是電子。(原子核散射強(qiáng)度極弱)第四十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三非相干散射：對(duì)象：物質(zhì)原子中束縛力不大的外層電子或價(jià)電子或金屬晶體中的自由電子能量來(lái)源：撞擊光子的一部分動(dòng)能效應(yīng)：成為反沖電子，原X射線光子因部分能量損失，波長(zhǎng)增加，與原方向偏離2θ

角特點(diǎn)：量子散射波散布于空間各方向、頻率不相同、位相不存在確定關(guān)系，不能發(fā)生干涉作用故稱為非相干散射。第四十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2x-射線的衰減物質(zhì)對(duì)X射線的吸收：X射線能量在通過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗，其強(qiáng)度發(fā)生衰減。主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過(guò)程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)(熒光X射線)和俄歇效應(yīng)。第四十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2.1二次特征輻射光電效應(yīng)是入射X射線的光量子與物質(zhì)原子中電子相互碰撞時(shí)產(chǎn)生的物理效應(yīng)。當(dāng)入射光量子的能量足夠大時(shí)，可以從被照射物質(zhì)的原子內(nèi)部擊出一個(gè)電子，同時(shí)原子的外層高能態(tài)電子要向內(nèi)層空位躍遷，輻射出波長(zhǎng)一定的特征X射線。這種由X射線激發(fā)所產(chǎn)生的特征X射線稱為二次特征X射線或熒光X射線。4.2x-射線的吸收第四十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三激發(fā)二次特征輻射時(shí)，入射X射線光量子的能量被激發(fā)出的電子吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮幽芰?，使電子逸出原子外，這種電子稱光電子，也稱光電效應(yīng)。第四十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2.1二次特征輻射

產(chǎn)生K系熒光輻射時(shí)，入射光子的能量必須大于或等于K層電子的逸出功：Vk為K系輻射的激發(fā)電壓第四十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2.1二次特征輻射K系輻射的激發(fā)限：

只有入射X射線的λ≤λK＝1.24/VK(nm)時(shí)，才能產(chǎn)生K系熒光輻射，在討論光電效應(yīng)產(chǎn)生條件時(shí)，λK

叫K系輻射激發(fā)限；在討論X射線被物質(zhì)吸收（光電吸收）時(shí)，λK

叫吸收限。第五十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2.2俄歇電子

入射X射線光子激發(fā)物質(zhì)原子中的電子，產(chǎn)生電子躍遷，同時(shí)將釋放能量，一種方式是產(chǎn)生熒光輻射；另一種是被鄰近電子或較外層電子所吸收，促使該電子受激發(fā)逸出原子外，變成二次電子，叫俄歇電子。第五十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖4－1光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過(guò)程示意圖見第五十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.2x-射線的衰減4.2.3X射線的衰減規(guī)律（物質(zhì)對(duì)X射線的吸收與吸收系數(shù)）當(dāng)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收等作用，其強(qiáng)度發(fā)生衰減，其衰減量正比于通過(guò)物質(zhì)的厚度dx線吸收系數(shù)μ：－dI/I=μdxX射線在傳播方向上，單位長(zhǎng)度的強(qiáng)度衰減程度。質(zhì)量吸收系數(shù)μm：μ

m＝μ/ρ

ρ物質(zhì)密度μ

m＝Kλ3Z3（單位重量物質(zhì)對(duì)X射線的衰減量）

隨λ減小，μ

m減小，至λk時(shí)，突變?cè)龃?。λk吸收限第五十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三因此，當(dāng)波長(zhǎng)變短時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)變小當(dāng)波長(zhǎng)減小到λK時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)突變（增大），這是由于入射光子能量hυ達(dá)到了激發(fā)該物質(zhì)K層電子的數(shù)值，從而大量被吸收，同時(shí)引起二次特征輻射。當(dāng)X射線通過(guò)多種元素組成的物質(zhì)時(shí)，其質(zhì)量吸收系數(shù)為：N－N種元素組成，Wi為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為第i元素的質(zhì)量吸收吸收第五十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期三物質(zhì)對(duì)X射線的吸收由兩種方式：散射吸收，能量占極少部分真吸收：是激發(fā)原子內(nèi)部電子躍遷及熱振動(dòng)引起的，如物質(zhì)吸收X射線時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)（逃出光電子）、熒光X射線、俄歇電子等上述吸收構(gòu)成用質(zhì)量吸收系數(shù)μ/

ρ

表征的全吸收。4.2x-射線的吸收第