材料表征方法思考题答案

第一章XRD1.X射线的定义、性质、连续X射线和特征X射线的产生、特点。答：X射线定义：高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。性质：看不见；能使气体电离，使照相底片感光，具有很强的穿透能力，还能使物质发出荧光；在磁场和电场中都不发生偏转；当穿过物体时只有部分被散射；能杀伤生物细胞。连续X射线产生：经典物理学解释——由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。量子力学解释——大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。特点：强度随波长连续变化特征X射线产生：当管电压达到或高于某一临界值时，阴极发出的电子在电场的加速下，可以将物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。此时的原子处于激发态。处于激发态的原子有自发回到激发态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量降低。原子从高能态变为低能态时，多出的能量以X射线的形式释放出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能级差一定，故辐射出波长一定的特征X射线。特点：仅在特定的波长处有特别强的强度峰。2.X射线与物质的相互作用答：X射线与物质的相互作用，如图所示一束X射线通过物体后，其强度因散射和吸收而被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。散射分为两部分，即相干散射和不相干散射。当X射线照射到物质的某个晶面时可以产生反射线，当反射线与X射线的频率、位相一致时，在相同反射方向上的各个反射波相互干涉，产生相干散射；当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，产生波长比入射X射线波长长的X射线，且波长随着散射方向的不同而改变，这种现象称为不相干散射。其中相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。物质对X射线的吸收是指X射线通过物质时，光子的能量变成了其它形式的能量，即产生了光电子、俄歇电子和荧光X射线。当X射线入射到物质的内层时，使内层的电子受激发而离开物质的壳层，则该电子就是光电子，与此同时产生内层空位。此时，外层电子将填充到内层空位，相应伴随着原子能量降低，放出的能量就是荧光X射线。当放出的荧光X射线回到外层时，将使外层电子受激发，从而产生俄歇电子而出去。产生光电子和荧光X射线的过程称为光电子效应，产生俄歇电子的过程称为俄歇效应。示意图见下：散射X射线（相干、非相干散射）；电子（反冲电子、俄歇电子、光电子、荧光X射线）；透过射线；热能。3.X射线衍射原理。布拉格方程的物理意义答：X射线衍射原理，即布拉格定律：2dsinθ=nλ式中d为晶面间距，θ为入射束与反射面的夹角，λ为X射线的波长，n为衍射级数，其含义是：只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。4.X射线衍射实验方法。粉末衍射仪的工作方式、工作原理。答：在各种衍射实验方法中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法。多晶X射线衍射方法包括照相法与衍射仪法。粉末衍射仪的工作方式中，常用的有两种，即连续式扫描和步进式扫描。5.X射线粉末衍射法物相定性分析过程及注意的问题答：物相分析过程：①首先用粉末照相法或粉末衍射仪法获取被测试样物相的衍射花样或图谱。②通过对所获衍射图谱或花样的分析和计算，获得各衍射线条的2θ、d值及相对强度大小I/I。③使用检索手册，查寻物相PDF卡片号。④若是多物相分析，则在上一步完成后，对剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复上述步骤，直至全部衍射线能基本得到解释。应注意的问题：（1）一般在对试样分析前，应尽可能详细地了解样品的来源、化学成分、工艺状况，仔细观察其外形、颜色等性质，为其物相分析的检索工作提供线索。（2）尽可能地根据试样的各种性能，在许可的条件下将其分离成单一物相后进行衍射分析。（3）由于试样为多物相化合物，为尽可能地避免衍射线的重叠，应提高粉末照相或衍射仪的分辨率。（4）对于数据d值，由于检索主要利用该数据，因此处理时精度要求高，而且在检索时，只允许小数点后第二位才能出现偏差。（5）特别要重视低角度区域的衍射实验数据，因为在低角度区域，衍射所对应d值较大的晶面，不同晶体差别较大，衍射线相互重叠机会较小。（6）在进行多物相混合试样检验时，应耐心细致地进行检索，力求全部数据能合理解释。（7）在物相定性分析过程中，尽可能地与其它的相分析结合起来，互相配合，互相印证。6.简述现代材料研究的X射线实验方法在材料研究中有哪些主要应用。答：研究晶体材料，X射线衍射方法非常理想非常有效，而对于液体和非晶态物固体，这种方法也能提供许多基本的重要数据。所以X射线衍射法被认为是研究固体最有效的工具。主要应用如下：★物相分析；★多晶体点阵常数的精确测定；★应力的测定；★晶粒尺寸和点阵畸变的测定；★单晶取向和多晶织构测定。7.试推导布拉格方程，并对方程中的主要参数范围确定进行讨论。（必考）讨论如下：（1）布拉格方程描述了“选择反射”的规律。产生“选择反射”的方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足布拉格方程的方向；（2）布拉格方程表达了反射线空间方位（θ）与反射晶面间距（d）及入射方位（θ）和波长（λ）的相互关系；（3）入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面产生的反射方向上的相干散射线，而被接收记录的样品反射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线；（4）布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基元，原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉（叠加）的结果。(5)衍射产生的必要条件“选择反射”即反射定律＋布拉格方程是衍射产生的必要条件。①布拉格方程由原子面反射方向上散射线的干涉(一致)加强条件导出，而各原子面非反射方向上散射线是否可能因干涉(部分)加强从而产生衍射线呢?②“选择反射”作为衍射的必要条件，意味着即使满足“选择反射”条件的方向上也不一定有反射线。由于sinθ1，所以nλ/2d=sinθ1,即nλ2d，对于衍射而言，n的最小值为1，所以在任何可观测的衍射角度下，产生衍射的条件为：λ2d。这就是说，能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射的晶面的最小面间距的2倍。同理，必然有dλ/2，即：只有那些晶面间距大于入射X射线波长一半的晶面才能发生衍射。思考题：1．如何提高显微镜分辨本领，电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？答：所谓分辨本领，是指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。通常，我们以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。确定光学透镜分辨本领d0的公式为d0=0.61λ/(n·sin@)=0.61λ/(N·A)透镜的分辨本领主要取决于照明束波长λ。电子透镜的分辨本领随加速电压的提高而提高。透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。对于光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响，但是电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。像差分球差、像散、畸变等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。2．透射电子显微镜的成像原理是什么？答：它的成像原理与阿贝衍射像原理一样，经过两个过程：物—衍射线—物。阴极灯丝产生的电子经过阳极加速，然后被栅极和聚光镜会聚成一束亮度高、相干性好的电子束斑，电子束斑通过一定的角度入射到晶体样品表面从而得到衍射线，衍射线经过物镜和中间镜，再经过投影镜的多次成倍的放大（总放大倍率为M总=M物*M中*M投），将图像投影到荧光屏上。通过调整中间镜的透镜电流，当中间镜的物平面与物镜的背焦面重合时，在荧光屏上出现衍射花样；中间镜的物平面与物镜的像平面重合时，则出现显微像。3.扫描电子显微镜的工作原理是什么？答：扫描电镜的成像原理和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。4.相对光学显微镜和透射电子显微镜、扫描电镜各有哪些优点？答：扫描电镜：（1）目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20～20000倍，并且连续可调。介于光学显微镜和透射电镜之间。这就使扫描电镜在某种程度上弥补了光学显微镜和透射电镜的不足。（2）扫描电镜以景深大而著名。（3）样品制备简单。5．为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？答：在透射电镜中，电子束是透过样品成像的，而电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很薄的薄膜样品。而扫描电镜是收集的电子束与样品作用后从表面溢出的各种信息。6．与X射线衍射相比，（尤其透射电镜中的）电子衍射的特点是什么？答：晶体对电子波的衍射现象，与X射线衍射一样，一般简单地用布喇格定律加以描述。当波长为λ的单色平面电子波以掠射角θ照射到晶面间距为dhkl的平行晶面组(hkl)时(图4.21)，若满足布喇格(Bragg)方程2dsinθ=nλ则在与入射方向成2θ角方向上，相邻平行晶面反射波之间的波程差为波长的整数倍，各层晶面的原子的散射在2θ方向上具有相同位相，它们因相互加强而产生该晶面组的衍射束。由于入射束S0、衍射束S与衍射晶面的法线Nhkl在同一平面内，与几何光学上的反射规律相似，所以习惯上常把晶体的衍射说成是满足布喇格条件的晶面对入射束的反射。特点：1)透射电镜常用双聚光镜照明系统，束斑直径为1～2μm，经过双聚光镜的照明束相干性较好。2)透射电镜有三级以上透镜组成的成像系统，借助它可提高电子衍射相机长度。普通电子衍射装置相机长度一般为500mm左右，而透射电镜相机长度可达1000～5000mm。3)可以通过物镜和中间镜的密切配合，进行选区电子衍射，使成像区域和电子衍射区域统一起来，达到样品微区形貌分析和原位晶体学性质测定的目的。7．选区电子衍射和选区成像的工作原理是什么，这两种工作方式有什么应用意义？简单地说，选区电子衍射借助设置在物镜像平面的选区光栏，可以对产生衍射的样品区域进行选择，并对选区范围的大小加以限制，从而实现形貌观察和电子衍射的微观对应。选区电子衍射的基本原理见图。选区光栏用于挡住光栏孔以外的电子束，只允许光栏孔以内视场所对应的样品微区的成像电子束通过，使得在荧光屏上观察到的电子衍射花样仅来自于选区范围内晶体的贡献。实际上，选区形貌观察和电子衍射花样不能完全对应，也就是说选区衍射存在一定误差，选区域以外样品晶体对衍射花样也有贡献。选区范围不宜太小，否则将带来太大的误差。对于100kV的透射电镜，最小的选区衍射范围约0.5μm；加速电压为1000kV时，最小的选区范围可达0.1μm。8．扫描电镜应用的物理信号主要有哪些？二次电子，背散射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子等。9．扫描透射电镜(STEM)有哪些特点？STEM是既有透射电子显微镜又有扫描电子显微镜的显微镜。象SEM一样，STEM用电子束在样品的表面扫描，但又象TEM，通过电子穿透样品成像。STEM能够获得TEM所不能获得的一些关于样品的特殊信息。STEM技术要求较高，要非常高的真空度，并且电子学系统比TEM和SEM都要复杂。优点1.利用扫描透射电子显微镜可以观察较厚的试样和低衬度的试样。2.利用扫描透射模式时物镜的强激励，可以实现微区衍射。3.利用后接能量分析器的方法可以分别收集和处理弹性散射和非弹性散射电子。10．电子探针仪与X射线谱仪从工作原理和应用上有哪些区别？电子探针仪：电子探针(EPMA)利用高速运动的电子经电磁透镜聚焦成直径为微米量级的电子束探针，从试样表面微米量级的微区内激发出X射线再经过WDS分析，从而进行微区成分分析。X射线谱仪：能量色散谱仪（EnergyDisersiveSpectrometer，简称能谱仪/EDS）是用X光量子的能量不同来进行元素分析的方法，能谱仪的方框图如图8－1。X光量子由锂漂移硅探测器（Si(Li)detector）接受后给出电脉冲信号，由于X光量子的能量不同，产生的脉冲高度（幅度）也不同，经过放大器放大整形后送入多道脉