无机非金属测试技术

《无机非金属测试技术》复习资料第一章X射线衍射1.X射线的产生及X射线管X射线的产生：X射线是真空中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。X射线产生条件：a.阴极产生自由电子；b.直流高电压使电子做定向高速运动；c.阳极有障碍物使其突然减速。2.X射线连续谱与特征谱区别连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;是医学采用的特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用3.X射线连续谱产生解释解释一：根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，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。解释二:量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。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。极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限λ0。都有一个最短波长，称之短波限λ0，强度的最大值在λ0的1.5倍处。eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）4.Cu靶的波长Kα=1.5418（A。）5.X射线与物质的相互作用6.光电效应光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析(XPS)俄歇电子高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)二次荧光高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量7.散射与吸收散射散射无能力损失或损失相对较小相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上进行,从而带有壳层的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具可以在分析成分的同时告诉你元素价态8.X射线的衰减小结宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关是X射线透射学的基础这就是质厚衬度微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量这与吸波原理是一样的9.X射线的衰减规律IH＝I0exp-(μ/ρ)ρH＝I0e-μmρH式中μm＝μ/ρ称质量衷减系数，其单位为cm2／g。μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi10.滤波片的选择规则•Z靶＜40时，Z滤＝Z靶-1；•Z靶＞40时，Z滤＝Z靶-211.立方晶系晶面间距计算公式12.在推导衍射方程时做三点假设：（1）入射线与衍射线都是平行波。（2）晶胞中只有一个原子，即晶胞是简单的。（3）原子尺寸忽略不计，原子中各原子发出的相干散射是由原子中心发出的。13.试解释Bragg方程布拉格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射线，即所谓系统消光。14.X衍射线的方向与强度影响因素衍射线的方向只与X射线的波长，晶胞的形状和大小，以及入射线与晶体的相对方位等有关。衍射线的强度主要与晶体结构（包括晶体中原子种类、数目及排列方式）、晶体的完整性及参与衍射的晶体的体积。15.衍射线的强度相对强度:I相对=F2P（1+cos22θ/sin2θcosθ）e-2M1/u式中：F——结构因子；P——多重性因子；分式为角因子，其中θ为衍射线的布拉格角；e-2M——温度因子；1/u-吸收因子。16.结构因子F定义一个结构因子F：I晶胞＝|F|2Ie各原子的分数坐标为u1,v1,w1;u2,v2,w2;u3,v3,w3……1/2sind一个电子的散射波振幅的振幅之和晶格内全部原子散射波FNnlwkvhuinlwkvhuilwkvhuilwkvhuinnnefefefefF1)(2)(23)(22)(21......3332221112222224sinlkha222lkhad17.消光规律晶体结构中如果存在着带心的点阵、滑移面等，则产生的衍射会成群地或系统地消失，这种现象称为系统消光，即由于原子在晶胞中位置不同而导致某些衍射方向的强度为零的现象。立方晶系的系统消光规律是：体心点阵（I）h+k+l=奇数面心点阵（F）h，k，l奇偶混杂底心（c）h+k＝奇数底心（a）k+l=奇数底心（b）h+l=奇数简单点阵（P）无消光现象18.粉末多晶体的衍射强度（1）结构因子（2）角因子（包括极化因子和罗仑兹因子）（3）多重性因子（4）吸收因子（5）温度因子19.X射线衍射分析方法衍射方法λθ实验条件劳厄法变不变连续X射线照射固定的单晶体转晶法不变部分变化单色X射线照射转动的单晶体粉晶法不变变单色X射线照射粉晶或多样试样衍射仪法不变变单色X射线照射多晶体或转动的单晶体20.多晶粉末分析1）德拜照相法相机圆筒常常设计为内圆周长为180mm和360mm，对应的圆直径为φ57.3mm和φ114.6mm。这样的设计目的是使底片在长度方向上每毫米对应圆心角2°和1°，为将底片上测量的弧形线对距离2L折算成2θ角提供方便。安装方法：正装法反装法不对称装片法（可以消除底片收缩、试样偏心、相机直径不准等造成的误差）2）衍射仪法衍射仪运动时，探测器与试样同时转动，但转动的角速度为1：2的比例关系这样辐射探测器接收到的衍射是那些与试样表面平行的晶面产生的衍射衍射仪工作方式：连续扫描步进扫描21.立方晶体衍射花样标定立方晶体的面间距公式为将上式代入布拉格方程有：•令N=h2+k2+l2，则有：•Sin2θ1:sin2θ2:sin2θ3:…sin2θn=N1:N2:N3:…Nn立方简单点阵1：2：3：5：6：8：9…立方体心点阵2：4：6：8：10：12…立方面心点阵3：4：8：11：12：16…注意系统消光22.单晶物相定性分析如待分析试样为单相，在物相未知的情况下可用Hanawalt索引或Fink索引进行分析。用数字索引进行物相鉴定步骤如下：1）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值d1、d2和d3（并估计它们的误差）。2）根据最强线的面间距d1，在数字索引中找到所属的组，再根据d2和d3找到其中的一行。3）比较此行中的三条线，看其相对强度是否与被摄物质的三强线基本一致。如d和I/I1都基本一致，则可初步断定未知物质中含有卡片所载的这种物质。4）根据索引中查找的卡片号，从卡片盒中找到所需的卡片。5）将卡片上全部d和I/I1与未知物质的d和I/I1对比如果完全吻合，则卡片上记载的物质，就是要鉴定的未知物质。23.物相定性分析卡片粉末衍射卡（thePowderDiffractionFile），简称PDF卡，或称JCPDS卡（theJointCommitteeonPowderDiffractionStandarda）24.卡片中数据可靠性的表示表示该卡片数据高度可靠表示数据可靠程度较低i表示已作强度估计并指标化，但数据不如号可靠C表示所列数据是从已知的晶胞参数计算而来无标记的卡片，表示可靠性一般25.JCPDS三种索引字顺索引哈那瓦索引芬克索引26.定性分析程序1）粉末衍射图的获得2）衍射线d值得测定3）衍射线相对强度的测量27.物相分析注意事项1)d值的数据比相对强度的数据重要2)由低角衍射线条测算的d值误差比高角线条要大些3)X射线衍射分析只能肯定某相的存在，而不能确定某相的不存在4)X射线衍射分析时往往要与其他方法配合才能得出正确结论5)峰强大的线，要十分注意检索，务求准确6)注意择优取向的影响，以防强度失真28.定量相分析方法直接对比法外标法内标法K值法外标法：外标法是将待测样品中j相的某一衍射线条的强度与纯物质j相的相同衍射线条强度进行直接比较，即可求出待测样品中j相的相对含量。直接对比法：接比较法测定多相混合物中的某相含量时，是将试样中待测相某衍射线的强度与另一相某衍射线的强度相比较，而不必掺入外来标准物质。因此，它既适用于粉末，又适用于块状多晶试样。第二章电子显微分析1.电子显微分析的特点（三个）A.可以在极高的放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。B.是一种微区分析方法，具有高的分辨率，成像分辨率达到0.2-0.3mm，可以直接分辨原子，能进行nm尺度的晶体结构及化学组成分析。C.各种电子显微镜分析仪器日益向多功能、综合性方向发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等综合分析。2.电磁透镜的分辨率主要影响因素（分辨本领是电磁透镜的最重要性能指标）球差色差轴上像散（像散）可消除畸变3.电磁透镜的性能指标分辨本领（最重要）场深（景深）焦深4.电子与固体物质的相互作用1）背散射电子（backscatteringelectrons,BE）电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90°重新从试样表面逸出，称为背散射电子。特点：A）能量高，大于50ev；B）分辨率较低；C）产生与Z有关。与形貌有关。2）二次电子（secondaryelectrons,SE）入射电子在试样内产生二次电子,所产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。特点：A）能量低，为2-3ev。B）仅在试样表面10nm层内产生。C）对试样表面状态敏感，显示表面微区的形貌有效。D）分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。E）与形貌密切相关，图象的景深大、立体感强，常用于观察形貌。3)吸收电子（absorptionelectrons,AE）入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。4)俄歇电子（Augerelectrons,AuE）如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子仅在表面1nm层内产生，适用于表面分析。5)透射电子（transmisiveelectrons,TE)当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。如果试样很薄，只有10-20nm的厚度，透射电子的主要组成部分是弹性散射电子，成像比较清晰，电子衍射斑点也比较明锐。X射线6)X射线（包括特征X射线、连续辐射和X光荧光）信号产生的深度和广度范围较大。荧光X射线是特征X射线及连续辐射激发的次级特征辐射。X射线在固体中具有强的穿透能力，无论是特征X射线还是连续辐射都能在试样内达到较大的范围。7)阴极荧光阴极荧光是指某些材料（半导体、磷光体和一些绝缘体）在高能电子束照射下发射出的可见光（或红外、紫外光），也叫阴极发光现象。5.透射电子显微镜由三大部分组成电子光学系统，真空系统及供电控制系统6.三级成像放大系统组成物镜中间镜投影镜7.透射电镜的主要性能指标分辨率：点分辨率和线分辨率放大倍数加速电压8.复性膜电子显微像的衬度衬度指电子图像的光强度差。包括质厚衬度衍射衬度9.透射电镜样品的制备于透射电镜观察式样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在50-500nm，表面清洁。制备薄膜一般有以下步骤：（1）切取厚度小于0.5mm的薄块。（2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。（3）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500nm的薄膜。粉末样品的制备：超声波分散器分散为悬浮液，滴几滴到碳加强火棉胶支