材料分析方法第一章射線的性質(zhì)

材料分析方法第一章射線的性質(zhì)第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月材料內(nèi)部的成份、結(jié)構(gòu)直接決定著材料的性能和應(yīng)用。如何判定材料的成份和結(jié)構(gòu)是材料學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。緒論問題1：假如你有一塊黃橙橙的礦石，你能判斷是否含有黃金嗎？阿基米德方法？第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月碳結(jié)構(gòu)的變化問題2：你能區(qū)分不同結(jié)構(gòu)的相同成分物質(zhì)？鍋煙灰---C60金剛石炭納米管第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

在本次課程學(xué)習(xí)的主要材料分析方法：

(1)X射線衍射儀（XRD，X-Raydiffraction）

用于物相(或說結(jié)構(gòu)）分析及其他[d?'fr?k?n]透射電鏡（TEM，TransmissionElectronMicroscope）

物相分析，和微觀形貌[?ma?kr?sk??p]

(3)掃描電鏡（SEM，ScanningElectronMicroscope）

表面形貌(4)波長分散譜儀—波譜儀WDS,WavelengthDispersiveSpectrometer

能量分散譜儀—能譜儀EDS,EnergyDispersiveSpectrometer[spek?tr?m?t?(r)]

WDS,EDS—利用特征射線進(jìn)行成分分析,EDS可作為兩電鏡的附件,用于微區(qū)成份分析第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月光電子熒光（二次特征X射線

掃描電鏡SEM樣品1特征X射線二次電子高能電子入射透射電子（TEM）背散射電子衍射XRDXPSEDS/WDS

高能電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號和6大材料分析手段X射線熒光譜分析樣品2X射線樣品2樣品2第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線衍射儀(XRD)第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月透射電鏡（TEM）多晶體衍射花樣單晶體衍射花樣可進(jìn)行物相分析第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月50nm2nmTEM:

(2)可成像圖a,b可形成衍射花樣,進(jìn)行物相分析,圖c第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月蒼蠅的復(fù)眼掃描電鏡圖像掃描電微鏡（SEM）第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第一部分材料X射線衍射分析常用來分析物相、晶格參數(shù)，應(yīng)力等X-rayDiffraction第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一章X射線的性質(zhì)

本章要點(diǎn)：1.X射線的本質(zhì)：為電磁波，具有波粒子二象性2.X射線管的主要構(gòu)造3.

X射線連續(xù)譜的特征和產(chǎn)生原因（及應(yīng)用）4.X射線特征譜產(chǎn)生過程、條件(難點(diǎn))、命名、莫塞萊定律（應(yīng)用）X射線與物質(zhì)相互作用:散射(相干與非相干)++真吸收(光電子，俄歇效應(yīng)，熒光X射線)+透射6.X射線透過的強(qiáng)度公式，質(zhì)量吸收系數(shù)7.二次特征輻射、吸收限(或稱激發(fā)限)、及質(zhì)量吸收系數(shù)曲線8.吸收限在結(jié)構(gòu)分析時(shí)的應(yīng)用：1)(了解）濾波：Z濾=Z靶－1（Z靶＜40)；Z濾=Z靶－2（Z靶＞=40）2)選靶材一般方法是:Z靶≤Z樣+1第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月電子束W.K.Rontgen倫琴于1901年獲首屆諾貝爾物理獎(jiǎng)第一張X光照片倫琴1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線——Ｘ射線

§１－１引言第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

X射線準(zhǔn)直縫晶體····勞厄斑２.1912年勞厄（M.vonLaue）發(fā)現(xiàn)通過晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,勞厄證實(shí)了X射線的波動(dòng)性第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線的本質(zhì):波長很短的電磁波

§１－２X射線的本質(zhì)●具有波粒二象性(實(shí)際上任何物質(zhì)具波粒二象性）

波動(dòng)性：以一定頻率、波長在空間傳播；

微粒性：以光子形式輻射和吸收時(shí)具有一定的●波長很短的電磁波0.01~100?

用于晶體分析的λ=0.5~2.5?質(zhì)量、能量和動(dòng)量。第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月其中：h為普朗克常數(shù)，c為X射線的速度，例：求200nm的一個(gè)光子所具有的能量第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（了解）附：電磁波譜

γ射線核能級躍遷

X射線原子內(nèi)層電子的能級躍遷紫外光原子或分子外層電子的能級躍遷可見光原子或分子外層電子的能級躍遷紅外光分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷微波無線電波能量無線電波→微波→紅外光→可見光→紫外光→X射線→γ射線第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）

X射線管的作用：

§

1-３X射線的產(chǎn)生及X射線管

（２）X射線管產(chǎn)生Ｘ射線的３條件：以高能電子打在靶材上產(chǎn)生X射線1）產(chǎn)生自由電子；2）電子作定向高速運(yùn)動(dòng);3）使電子止住或突然減速的障礙物第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）X射線管的結(jié)構(gòu)：

陰極：發(fā)射電子。由鎢絲制成，通電后，鎢絲發(fā)熱釋放自由電子，奔向陽極。

陽極：亦稱靶，是使電子突然減速并發(fā)射X射線。

通常的靶材有:Cu、Mo、Co等良好的循環(huán)水冷卻，防止靶熔化

窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。通常用金屬鈹，第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線譜定義：X射線的強(qiáng)度--波長的關(guān)系曲線X射線管發(fā)射出來的X射線分為兩種類型：一．連續(xù)X射線譜

二．特征X射線譜

強(qiáng)度（任意單位）波長（?）35KV的管壓下，鉬靶的X射線

§1-４X射線譜連續(xù)X射線特征X射線第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一．連續(xù)X射線譜●特點(diǎn)：①波長連續(xù)變化。②有一個(gè)波長極限——短波限λmin?！癞a(chǎn)生原因：高速運(yùn)動(dòng)的電子受阻而減速時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，也叫軔致輻射。

電子加速后撞向陽極靶，大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，一部分以x-ray釋放。撞向陽極的電子目數(shù)很多，時(shí)間、條件不同，或多次碰撞逐步減少其能量。動(dòng)能轉(zhuǎn)換為x-ray的能量有多有少，射出x-ray的頻率有大有小，形成不同波長的x-ray，構(gòu)成連續(xù)的譜線。第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月短波極限波長λmina.對應(yīng)著極少數(shù)電子只經(jīng)過一次碰撞，并且將全部能量eU轉(zhuǎn)化為一個(gè)光量子。b.

短波限只與管電壓有關(guān)，不受其它因素影響。I不同陽極WAgMo連續(xù)譜第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（了解）推導(dǎo)：設(shè)管電壓為V，電子電量e，電場力做功，則電子獲得動(dòng)能為eV，當(dāng)這一能量完全轉(zhuǎn)化為光子的能量時(shí)得：第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度----兩種計(jì)算方法：1）光的強(qiáng)度決定于單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的光子數(shù)n和每個(gè)光子的能量2）或者：I-曲線下的面積表示連續(xù)x-ray的總強(qiáng)度。第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月●特點(diǎn)：①具有特定的波長，譜線尖銳。②當(dāng)管電壓超過某一特定值Vk時(shí)才產(chǎn)生特征X射線。③疊加在連續(xù)x-ray譜上的。二．特征X射線譜原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級，能級是不連續(xù)的，K層靠近原子核，能量最低。管電壓增加到一定數(shù)值，電子脫離出來，體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。電子從高能級向低能級的躍遷將以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)x-ray譜?！癞a(chǎn)生原因：與陽極靶原子中內(nèi)層電子躍遷過程有關(guān)。第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月K殼層L殼層M殼層

內(nèi)殼層電子被擊出電離時(shí)，在內(nèi)殼空位產(chǎn)生空位。外層電子向內(nèi)殼空位填充時(shí)產(chǎn)生一個(gè)X射線光子特征X射線譜：第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第一步：高能電子把靶原子的內(nèi)殼層電子打出，使原子電離，在內(nèi)殼層上出現(xiàn)空位。第二步：原子中外電子向內(nèi)殼層空位躍遷，躍遷的能量差轉(zhuǎn)化成一個(gè)X射線光子。●特征X射線的產(chǎn)生過程：高能電子電離出靶的內(nèi)層電子，出現(xiàn)內(nèi)層空位外層電子躍入填充，發(fā)射X光子即：第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月K系輻射：

K層電子被打出，任意層上的電子向K層空位躍遷，產(chǎn)生光子。Kα：鄰層向K層空位躍遷（LK）Kβ：隔層向K層空位躍遷（MK）Kγ：N層向K層空位躍遷（NK）L系輻射：L層電子被打出，其他層向L層空位躍遷，產(chǎn)生光子。M系輻射：M層電子被打出，其他層躍入填充，產(chǎn)生光子?！裉卣鱔射線譜的命名第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月k層電子被遷出的過程叫k系激發(fā)，隨之的電子躍遷所引起的輻射為k系輻射。Kα是由Kα1和Kα2兩條譜線組成，與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)（亞能級）有關(guān)。

第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)生某系激發(fā)要求陰極電子的能量eV大于等于某層電子的電離能）。

臨界激發(fā)電壓：激發(fā)特征x特征X射線譜時(shí)，入射電子的最低加速電壓。對于同種原子：臨界激發(fā)電壓Vk>VL>VM>VN對于不同種原子：原子序數(shù)大的臨界激發(fā)電壓大?！裉卣鱔射線譜產(chǎn)生條件：第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月En(

eV)氫原子能級圖-13.6-1.51-3.390n=1n=2n=3n=4n=5n=6選讀

：氫原子能級圖(穩(wěn)態(tài)）第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

特征X射線的頻率由靶原子能級的差值決定,只取決陽極靶材料的原子序數(shù)，是元素的固有特性。

莫塞萊定律描述了它與原子序數(shù)Z的關(guān)系。●特征X射線的波長：式中：z—靶材料的原子序數(shù)K—常數(shù)（與靶材物質(zhì)總量子數(shù)有關(guān)）(看書P9-10)

σ—常數(shù)（與電子所在殼層位置有關(guān)）

第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月連續(xù)譜的只能增加衍射花樣的背底。V=（3～5）VK時(shí)，I標(biāo)/I連最大，VK為臨界激發(fā)電壓●輻射源選擇：在X射線的多晶體衍射中，主要利用Kα線做輻射源，L系或M系由于波長太長，容易被物質(zhì)吸收，所以不利用●X射線管最佳工作電壓：V=（3～5）VK看書:P10,表1-1第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一．連續(xù)X射線譜特點(diǎn):產(chǎn)生原因:(減速輻射)

二．特征X射線譜特點(diǎn)：產(chǎn)生原因：(能級躍遷,或激發(fā)輻射)產(chǎn)生過程：產(chǎn)生條件：入射高能物質(zhì)能量大于等于靶材某內(nèi)層電離能特征X射線命名：

特征X射線的波長：X射線譜的小結(jié)：三.在X射線的多晶體衍射中，主要利用Kα線做輻射源X射線管最佳工作電壓：

V=（3～5）VK第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇判斷，正確的是()B.特征X射線產(chǎn)生條件是：入射高能物質(zhì)能量大于等于靶材某內(nèi)層電離能A.特征X射線產(chǎn)生條件是：入射高能物質(zhì)能量大于等于特征X射線本身能量D.特征X射線與原子的內(nèi)層電子躍遷過程有關(guān)C.使靶材產(chǎn)生特征X射線的入射高能物質(zhì)可是高能電子，也可以是高能X射線，或者其他。第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，它的能量可以分為三部分：

§1-5X射線與物質(zhì)相互作用

散射

相干

非相干真吸收1.產(chǎn)生（普通）光電子、X射線的強(qiáng)度衰減的原因：“吸收”=真吸收+散射；

產(chǎn)生Auger電子（即俄歇效應(yīng)）3.熱透過的強(qiáng)度X射線作用于物質(zhì)2.產(chǎn)生X射線熒光，或叫二次特征X射線第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度被衰減，是其散射和真吸收的結(jié)果，真吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一.X射線的散射可分為相干散射和不相干散射相干散射:X射線波長不變

在入射束電場的作用下，物質(zhì)原子中的電子被迫圍繞其平衡位置振動(dòng)，向四周輻射與入射x-ray波長相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干條件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花樣。相干散射是x-ray在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。2.不相干散射:X射線波長變化第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二.物質(zhì)對X射線的真吸收1.發(fā)出（普通）光電子發(fā)出俄歇電子（俄歇效應(yīng)）2.X射線熒光（或二次特征X射線輻射，即以X射線照射3.熱真吸收物體產(chǎn)生X射線）真吸收時(shí)產(chǎn)生電離效應(yīng)，熒光效應(yīng)，熱效應(yīng)等第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月相關(guān)概念光電子:當(dāng)入射x光的能量足夠大時(shí)，可以電離出被照物質(zhì)原子中的電子，電離出的電子稱為光電子,X射線熒光（二次特征X射線):當(dāng)入射x光將原子內(nèi)層電子電離,其他層電子向內(nèi)層空位層躍遷輻射出的次級特征X射線稱為X射線熒光（二次特征X射線）。第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線熒光（二次特征X射線）產(chǎn)生條件:例如：如果要產(chǎn)生K系X射線熒光,入射X射線的能量

大于等于被照射原子K層的電離能）。第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月相關(guān)概念：俄歇(Auger)效應(yīng)當(dāng)激發(fā)源的能量足夠大時(shí)，可以擊出被照物質(zhì)原子中的電子，擊出的電子稱為光電子,同時(shí)，較外層電子向空位層躍遷時(shí)產(chǎn)生的能量并沒有以X射線的形式輻射出,而是打出某層的一個(gè)電子，該電子較電子叫俄歇電子，該效應(yīng)俄歇(Auger)效應(yīng)。俄歇(Auger)效應(yīng)示意圖引申(自學(xué)）：第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2）俄歇(Auger)效應(yīng)：激發(fā)源打出電子較外層電子向空位躍遷的能量不產(chǎn)生X射線而是打出某層電子（俄歇電子）1）二次特征X射線：激發(fā)源（X射線)擊出電子較外層電子向空位躍遷的能量產(chǎn)生X射線俄歇(Auger)效應(yīng)示意圖二次特征X射線與俄歇電子兩者比較引申(自學(xué)）：第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月每種物質(zhì)的俄歇電子的能量大小只取決于該原子的三個(gè)能級（參與過程的三個(gè)能級能量），是元素的固有特征。每種元素都有自己的俄歇電子能譜（固有特征）。俄歇電子能譜可進(jìn)行元素的成分分析及試樣表面狀態(tài)分析等。這種特征電子的能量較低，只有幾百電子伏特，在固體表面以內(nèi)深處即使有這種電子也跑不出來，儀器測量不到，所以利用俄歇效應(yīng)設(shè)計(jì)的俄歇譜儀便成了對固體表面2-3層原子成分分析最適宜的儀器俄歇電子通常用參與過程的三能級來命名。即：初態(tài)空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、出射電子原在能級。（空位所在能級/躍遷電子原在能級/出射電子原在能級）例：K層電子被擊出，L2層電子跳入K層空位，多余能量將L3層電子擊出，俄歇電子表示為：KL2L3。俄歇電子特點(diǎn)俄歇電子命名引申(自學(xué)）：第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月引申（

自學(xué)，部分見本書最后部分）:X射線光電子能譜(XPS)：被X射線擊出殼層的電子。它帶有殼層的特征能量,可用來進(jìn)行成分和化合價(jià)分析。

俄歇電子能譜(AES)：俄歇電子帶有三殼層的特征能量，僅由三殼層的能量決定?？捎脕磉M(jìn)行成分和化合價(jià)分析X射線熒光：帶有殼層的特征能量。可用來進(jìn)行成分分析。

第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月散射：無能量損失或損失相對較小只有相干散射才能產(chǎn)生衍射相干散射是進(jìn)行材料晶體物相（結(jié)構(gòu)）分析的工具真吸收：能量大幅度轉(zhuǎn)換真吸收（產(chǎn)生光電子、X射線熒光、俄歇電子、熱等，光電子、X射線熒光和俄歇電子這些信號帶有元素的能級特征是進(jìn)行材料成分分析的工具小結(jié)：第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三.X射線的透過強(qiáng)度1.X射線的透過強(qiáng)度X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是真吸收和散射造成的，主要是真吸收強(qiáng)度的衰減率與X射線在均勻物質(zhì)內(nèi)通過的距離dx成正比2.線吸收系數(shù)物理意義：X射線沿傳播方向穿過單位長度物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度的衰減程度3.質(zhì)量吸收系數(shù)：可用生物透視或工業(yè)產(chǎn)品探傷X射線沿傳播方向穿過單位質(zhì)量單位長度物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度的衰減程度ρ—吸收體密度第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月加權(quán)平均與吸收體的疏密程度（密度）和物質(zhì)狀態(tài)無關(guān)，與X射線的λ及吸收體Z有關(guān)。μm隨λ的變化曲線上存在尖銳突變，某些極大值對應(yīng)的波長為稱為吸收限，如K吸收線。

4.質(zhì)量吸收系數(shù)大?。号c波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此a.b.c.d.第47頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月四.吸收限及其應(yīng)用定義:在吸收體質(zhì)量吸收系數(shù)隨x射線波長變化的圖譜上，出現(xiàn)一些吸收極大值，此時(shí)對應(yīng)著入射x射線剛好把吸收體元素的某內(nèi)層電子電離。K吸收限波長：對