材料分析方法-1-1

材料分析方法——李海敏1986年1月28日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機升空僅僅1分12秒就墜毀，7名宇航員全部遇難，直接經(jīng)濟損失12億美元。根據(jù)調(diào)查這一事故的總統(tǒng)委員會的報告，爆炸是一個O形封環(huán)（橡膠圈）失效所致。這個封環(huán)位于右側固體火箭推進器的兩個底層部件之間。失效的封環(huán)使熾熱的氣體點燃了外部燃料罐中的燃料。

設計時沒有考慮溫度對橡膠圈組織行為和力學性能的影響。材料科學的發(fā)展趨勢從簡單物質(zhì)到復雜物質(zhì)從簡單結構到結構控制從粉體材料到器件材料從塊體材料到薄膜材料從純物質(zhì)到復合，摻雜材料從宏觀到微觀的納米材料從單功能到多功能和智能材料材料科學的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)材料一提高性能／價格比先進材料一提高在惡劣環(huán)境下的使用性能功能材料低維材料納米材料環(huán)境材料材料科學涉及的領域電子器件功能材料結構材料納米材料環(huán)境材料化學，化工，地質(zhì)，冶金，機械，儀器儀表，航空航天，自動化控制，核能，建材等領域如何入手???材料科學的研究基點材料科學與工程的基本要素組織結構、成分、加工制備、性能。前面三者共同支撐“性能”。鉆石與石墨的故事有一位聲名顯赫的物理學家，有一天早上出門，太太要求他買回來一粒閃亮的鉆石，作為結婚紀念日的禮物。

那個物理學家答應了。等他晚上回家時，太太滿心期望地等在門口，但他將一根鉛筆，遞到太太的手上。這難道就是鉆石嗎？

太太的鼻子都差點氣歪了，但那位物理學家卻一本正經(jīng)地說道：

“難道你不知道嗎？鉆石與鉛筆里面的石墨，都是同一樣物質(zhì)啊。”

“哼，你騙我，鉆石可是世界上最堅硬昂貴的東西，而石墨，既便宜又柔軟，兩者怎么可能混為一談呢？”

于是，太太大發(fā)脾氣，而且一定讓丈夫明天買一粒又大又亮的鉆石，才能算數(shù)。鉆石、石墨、富勒烯鉆石、石墨、富勒烯C60制品與材料特性的關系如何入手——材料科學的研究基點材料的四要素結構決定材料的性能是自然界的永恒規(guī)律組織結構由成分與生產(chǎn)工藝決定確定的組織及成分必須通過一定的合成加工手段來實現(xiàn)確定的組織及成分必須通過分析研究發(fā)現(xiàn)，進而通過改進加工工藝來實現(xiàn)材料設計的工作范圍課程學習內(nèi)容第一章X射線衍射分析X射線的產(chǎn)生及其物理作用X射線衍射原理X射線衍射強度X射線衍射方法X射線物相分析及其應用第二章電子顯微鏡第三章熱分析第四章紅外、紫外吸收光譜法實驗教學課程學習方法該課程基于X光及光電子微粒與材料的相互作用，講授利用衍射、反射等物理現(xiàn)象，對材料的微觀結構、成分組成、物相結構進行分析研究的各種現(xiàn)代分析方法。既學習掌握基礎理論知識，又要掌握常用的X光衍射、掃描電鏡、光譜、熱分析等現(xiàn)代化檢測設備的使用操作，注重理論與實踐的結合。教學內(nèi)容進行了部分調(diào)整，提綱挈領、記好筆記、及時復習。勤于思維，善于動手，在操作分析中驗證學習相關理論，在進一步學習相關理論的基礎上拓寬思維，活學活用。學習要點：3個問號？——是什么涵義？——為什么

原理？——做什么

應用前言材料分析測試方法是關于材料成分、結構、微觀形貌與缺陷等的分析、測試技術及其有關理論基礎。分類基于電磁輻射及運動電子束和物質(zhì)相互作用的各種性質(zhì)建立的各種分析方法已經(jīng)成為材料分析測試方法的重要組成部分，大體可分為衍射分析、光譜分析、能譜分析和電子顯微分析四大類方法。前言(1)衍射分析是以材料結構分析為基本目的的分析方法，包括X射線衍射分析、電子衍射分析和中子衍射分析等。(2)光譜分析是以材料成分分析為基本目的的分析方法，包括各種吸收光譜分析方法、發(fā)射光譜分析方法和散射光譜(拉曼散射譜)分析方法。前言(3)能譜分析是以材料成分分析為基本目的的分析方法，包括光電子能譜、俄歇電子能譜、離子中和譜和電子能量損失譜。(4)電子顯微分析是以材料微觀形貌、結構與成分分析為基本目的。其中的一些分析方法也可歸于光譜分析(如電子探針)、能譜分析(如電子激發(fā)俄歇能譜)和衍射分析(如電子衍射)等范疇。透射電子顯微鏡分析和掃描電子顯微分析及電子探針分析是基本的電子顯微分析方法。第一章X射線衍射分析材料研究方法的研究對象是材料的組織、成分及結構；采用的手段及方法是基于檢測對象對電磁波及特征射線的反應；基礎是材料的結構及電磁輻射。1895年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線并對其進行了研究。1896年，在《Nature》上發(fā)表論文，指出x射線的幾個特點：①可以被吸收且吸收的程度與被輻射物質(zhì)的原子量和密度有關；②輕元素物質(zhì)對x射線幾乎透明，重元素物質(zhì)對X射線有不同程度吸收；③能產(chǎn)生熒光，使照相底片感光。

倫琴并未指出x射線的本質(zhì)是什么?1912年，法國物理學家勞厄提出2個假設：

x射線是電磁波；x射線能產(chǎn)生衍射。上述假設通過硫酸銅單晶衍射實驗得到證實。同時期，英國布拉格父子從反射角度提出設想：用x射線照射晶體中一系列相互平行原子面將會產(chǎn)生反射，并認為只有反射線相互疊加時反射才能發(fā)生，相互抵消時反射并不存在（反射的選擇性）。并推導出了布拉格方程：1913年，布拉格用X分光計首次測出了NaCl晶體結構。

通過這些研究，x射線學出現(xiàn)了2個分支：根據(jù)衍射花樣，在波長已知的情況下測定晶體結構，研究與結構和結構變化相關的各種問題X射線衍射學根據(jù)衍射花樣，在分光晶體結構已知的情況下測定各種物質(zhì)發(fā)出的x射線的波長和強度，研究物質(zhì)的原子結構和成分X射線光譜學第一節(jié)X射線的產(chǎn)生及其物理作用一、電磁輻射基礎二、X射線譜三、X射線與物質(zhì)的相互作用四、X射線的探測與防護

一、電磁輻射基礎1.原子的組成原子

(Atom)原子核+核外電子電子

波-粒二象性軌道非固定，幾率最大的分布構成電子云層，近似認為核外電子在各自的軌道(稱原子軌道)上運動并用“電子(殼)層”形象化描述電子的分布狀況

一、電磁輻射基礎2.原子的激發(fā)

(1)基態(tài)：原子核外電子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，分布于各能級上，處于能量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)。泡利不相容原理：原子中每個電子必須有獨自一組四個量子數(shù)，一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子；一、電磁輻射基礎例：一個原子中不會存在四個量子數(shù)完全相同的電子，這句話說明了原子的核外電子的排布遵循下列哪個原則（）A.泡利不相容原理B.洪特規(guī)則C.能量最低原則D.鮑林近似能級圖一、電磁輻射基礎能量最低原則：電子總是按能量最低的狀態(tài)分布。洪特規(guī)則：由原子光譜的事實總結出的多條規(guī)則。其基本原則是：基態(tài)多電子原子的電子總是首先自旋平行地、單獨地填入簡并軌道。一、電磁輻射基礎(2)激發(fā)態(tài)、激發(fā)

原子由基態(tài)轉變?yōu)楦吣軕B(tài)（激發(fā)態(tài)）的過程。激發(fā)條件：①較高能級是空的或未填滿，由泡利不相容原理決定②吸收能量等于兩能級能量差。愈接近原子核，電子能級愈低，電子愈穩(wěn)定；愈遠離，愈高，不穩(wěn)定。電子可以在軌道間躍遷：低能級軌道→高能級軌道（吸收能量）一、電磁輻射基礎（3）激發(fā)能—電子激發(fā)前后所處能級（能量）之差。不穩(wěn)定，存在10－8～10－10s后返回基態(tài)。

（4）電子（能級）躍遷—原子中電子受激向高能級躍遷或由高向低能級的躍遷。分為：輻射躍遷——多余能量以電磁輻射形式放出；無輻射躍遷——多余能量轉化為內(nèi)能。（5）電離能——使原子中電子脫離原子核束縛的能量（eV）分為一次電離、二次電離等。一、電磁輻射基礎一次電離：原子失去一個電子二次電離：失去一個電子的離子再失去一個電子依次類推，可發(fā)生三次電離、四次電離一、電磁輻射基礎3．輻射的吸收與發(fā)射

電磁波通過某物質(zhì)時，從能量角度說分為：部分被散射，部分被吸收，部分被透過。（1）輻射的吸收實質(zhì)：吸收輻射光子能量發(fā)生粒子的能級躍遷，hν=ΔE=E2－E1

不同物質(zhì)因能級躍遷類型不同→對輻射的吸收不同→能級躍遷不同→輻射被吸收程度對λ或ν的分布——吸收光譜不同。一、電磁輻射基礎一、電磁輻射基礎光電效應：以光子激發(fā)原子所產(chǎn)生的激發(fā)和輻射過程稱為光電效應。一、電磁輻射基礎（2）輻射的發(fā)射物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象，實質(zhì)是輻射躍遷。物質(zhì)的激發(fā)方式：

非光激發(fā)熱激發(fā)——電弧、火焰等產(chǎn)生熱粒子碰撞

電激發(fā)——電場加速電子轟擊

電磁輻射

一次光子——激發(fā)源光子（光）激發(fā)

二次光子——躍遷后發(fā)射光子（熒光或磷光）物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度對λ或γ的分布稱為發(fā)射光譜，光致發(fā)光則稱為熒（磷）光光譜，不同物質(zhì)具有特定的特征發(fā)射光譜；熒光吸收一次光子與發(fā)射二次光子的時間短（10－8～10－4），而磷光的時間長，在10－4～10s間。一、電磁輻射基礎分子發(fā)光：處于基態(tài)的分子吸收能量(電、熱、化學和光能等)被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，然后從不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)并發(fā)射出光子，此種現(xiàn)象稱為發(fā)光。發(fā)光分析包括熒光、磷光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。

熒（磷）光光譜：光致發(fā)光所得到的光譜一、電磁輻射基礎（3）光譜的分類吸收、發(fā)射、散射（拉曼散射譜）。吸收與發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同，可分為原子光譜與分子光譜。由于物質(zhì)微粒能級躍遷的類型不同→能級差不同→吸收與發(fā)射譜波長范圍不同→紅外、紫外、可見光、X射線譜。一、電磁輻射基礎故除單晶衍射外，盡量扣除連續(xù)譜，以減輕對分析的干擾。按強度對波長的分布分為：線光譜：某些特征波長位置有很高的狹仄譜線，有特征信息帶光譜：多條波長相近的譜線形成的譜帶，有特征信息連續(xù)光譜：強度對波長連續(xù)分布，無特征信息，在光譜分析中，易遮蓋特征譜，干擾分析二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜1．X射線的產(chǎn)生原理陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運動電子與物質(zhì)碰撞產(chǎn)生（1％能量），其余99％轉為熱能。2．X射線產(chǎn)生條件1）產(chǎn)生自由電子2）使電子做定向高速運動3）運動路徑設置使其突然減速的障礙物二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜3．X射線管相當于一個真空度為10－5～10－7mmHg的大真空二極管（1）基本組成1）陰極：W絲制成，發(fā)射熱電子。2）陽極：亦稱靶—使電子突然減速，發(fā)射X射線。常用靶材：Cr、Co、Ni、Cu、Ag、W等二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜3）窗口——X射線從陽極向外射出區(qū)，鈹制，高真空，對X射線吸收小。4）焦點——陽極靶被電子轟擊發(fā)射出X射線處。二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜4．X射線分類（λ0.01～100?）（1）硬X射線——波長較短，能量較高，穿透力強，用于無損探傷（0.05～1?）及金屬的物相分析（0.5～2.5?）。（2）軟X射線（10～100?）：穿透力弱，主要用于醫(yī)學。二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜5．X射線譜

指X射線強度隨波長變化的關系曲線，分為：（1）連續(xù)X射線譜

1）定義：具有連續(xù)波長，亦稱多色X射線。為高速運動的電子被靶突然阻止而產(chǎn)生，絕大多數(shù)電子經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，形成連續(xù)譜。二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜2）短波限

連續(xù)波在短波方向上有一波長極限——短波限（λ0），是指光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。只與管電壓有關。

eU=hνmax=hc/λ0

λ0=hc/eU=1.24/U(nm)e—電子電荷，等于1.6×10－19C；

U—電子通過兩極時的電壓降；

h——普朗克常數(shù)，等于6.626×10－34J·s

二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜實際必有部分電子能消耗于陽極靶的激發(fā)，且一個電子能量也可能轉化為n個光子或分次轉化，故實際λ>λ0,即λ>1.24/U且連續(xù)分布。Imax在1.5λ0處，此時波長記為λm二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜3）X射線強度

指垂直于X射線傳播方向的單位面積在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。用I表示，單位J/cm2.s。I由光子能量hν及其數(shù)目n共同決定:I＝nhν

二、X射線的產(chǎn)生及X射線譜連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度，也是陽極靶射出X射線的總能量：I連＝αiZ