材料分析方法考试复习题

一、名词解释（30分，每题3分）1）短波限:连续X射线谱的X射线波长从一最小值向长波方向伸展，该波长最小值称为短波限。P7。2）质量吸收系数指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量，这样就摆脱了密度的影响，成为反映物质本身对X射线吸收性质的物质量。P12。3）吸收限吸收限是指对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为质量吸收系数的下降，但随着波长的降低，质量吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列吸收限。P12。4）X射线标识谱当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值kU时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，故称为X射线标识谱。P9。5）连续X射线谱线强度随波长连续变化的X射线谱线称连续X射线谱线。P7。6）相干散射当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇，光量子不足以使原子电离，但电子可在X射线交变电场作用下发生受迫振动，这样的电子就成为一个电磁波的发射源，向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射，因为各电子所散射的射线波长相同，有可能相互干涉，故称相干散射。P14。7）闪烁计数器闪烁计数器利用X射线激发磷光体发射可见荧光，并通过光电管进行测量。P54。8）标准投影图对具有一定点阵结构的单晶体，选择某一个低指数的重要晶面作为投影面，将各晶面向此面所做的极射赤面投影图称为标准投影图。P99。9）结构因数在X射线衍射工作中可测量到的衍射强度HKLI与结构振幅2HKLF的平方成正比，结构振幅的平方2HKLF称为结构因数。P34。10）晶带面（共带面）晶带轴我们说这些相交于平行直线的一组晶面属于同一晶带，称晶带面或共带面，其交线即为晶带轴。P99。11）选择反射镜面可以任意角度反射可见光，但X射线只有在满足布拉格方程的角上才能发生反射，因此，这种反射亦称选择反射。P27。12）倒易点阵倒易点阵是在晶体点阵的基础上按照一定的对应关系建立起来的空间几何图形，是晶体点阵的另一种表达形式。P144。13）极图多晶体中某hkl晶面族的导易矢量（或晶面法线）在空间分布的极射赤面投影图。P101。14）球差球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的像差。P124。15）衍射衬度这种由于样品中不同位向的晶体的衍射条件（位向）不同而造成的衬度差别叫衍射衬度。P170。16）、结构消光当0hklF时，即使满足布拉格定律，也没有衍射束产生，因为每个晶胞内原子散射波的合成振幅为零，这叫做结构消光。P149。二、填空题：（20分，每空1分）1、X射线光电子能谱仪、俄歇谱仪和二次离子质谱仪是三种重要的表面成分分析仪器。2、电子探针的功能主要是进行微区成分分析，根据检测信号的不同分为波谱仪和能谱仪。3、正点阵和倒易点阵互为倒易。4、标准电子衍射花样是标准零层倒易截面的比例图像，倒易阵点的指数就是衍射斑点的指数。5、电子束的束斑大小、检测信号的类型以及检测部位的原子序数是影响扫描电子显微镜分辨率的三大因素。6、X射线衍射仪的试样一般是将多晶粉末压在样品框内制成，粉末微粒线度约为微米至几十微米。7、透射电子显微镜的试样必须导电，一般采用粉末样品和薄膜样品，薄膜样品的厚度都在500nm以下。8、扫描电子显微镜的试样必须导电，一般采用粉末样品或块体样品。9、透射电子显微镜一般是利用透射电子成像，扫描电子显微镜一般是利用二次电子或背散射电子成像。10、电子探针一般可通过定点分析、线分析和面分析三种分析方法进行成分分析。三、简答题（20分，每题10分）1、X射线衍射定性分析、定量相分析的基本原理各是什么？简述X射线衍射定性分析的基本步骤，结合K值法简述X射线衍射定量相分析的主要过程。P59-67。答：X射线衍射定性分析的基本原理是：任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样。每一种晶体物质和它的衍射花样都是一一对应的。多相试样的衍射花样是由它和所含物质的衍射花样机械叠加而成。通常用d（晶面间距d表征衍射线位置）和I（衍射线相对强度）的数据代表衍射花样。用d-I数据作为定性相分析的基本判据。定性相分析方法是将由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组（PDF卡片）进行对比，以鉴定出试样中存在的物相。X射线衍射定量相分析的基本原理是：物质的衍射强度与该物质参加衍射的体积成正比，其衍射强度公式是21cossin)2(cos113222222034240MHKLjePFVVcmeRII。这个强度公式是对单相而言的。对多项物质，参加衍射物质中的各个相对X射线的吸收各不相同。每个相的含量发生变化时，都会改变总体吸收系数值。因此，在多项物质衍射花样中，某一组分相的衍射强度与该相参加衍射的体积，由于吸收的影响，并不呈现线性关系。所以，在多相物质定量相分析方法中，要想从衍射强度求得各相的含量，必须处理吸收的影响。这是定量相分析方法中要处理的主要问题。X射线衍射定性分析的基本步骤：（1）获得衍射花样：可以用德拜照相法，透射聚焦照相法和衍射仪法。（2）计算南间距d值和测定相对强度I/I1值（I1为最强线的强度）：定性相分析以2θ90°的衍射线为主要依据。（3）检索PDF卡片：人工检索或计算机检索。（4）最后判定：判定唯一准确的PDF卡片。X射线衍射定量分析的基本步骤：（1）测定jsK值。制备Wj∶Ws=1∶1的两相混合样。sjjsIIK（Ij、Is各选一个或2个合适的衍射峰）（2）制备待测相的复合样：掺入与jsK相同的内标物质，含量可不同。（3）测量复合样。精确测量Ij、Is，所选峰及条件与jsK同。（4）通过jsK求待测相含量。求得sjjj12、分别说明透射电子显微镜成像操作与衍射操作时各级透镜之间的相对位置关系。答：如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子显微镜中的成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电子显微镜中的衍射操作。4、透射电镜中有哪些主要光阑？在什么位置？其作用如何？答：透射电镜中有聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑等三种主要光阑。1）、在双聚光镜系统中，聚光镜光阑常装在第二聚光镜的下方。聚光镜光阑的作用是限制照明孔径角。2）、物镜光阑又称为衬度光阑，通常它被安装在物镜的后焦面上。加入物镜光阑使物镜孔径角减小，能减小像差，得到质量较高的显微图像。物镜光阑的另一个主要作用是在后焦面上套取衍射束的斑点（即副焦点）成像，这就是所谓暗场像。3）、选区光阑又称场限光阑或视场光阑。一般都放在物镜的像平面位置。作用是使电子束只能通过光阑孔限定的微区。3、实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？答：实验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大2~6（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。选择滤波片的原则是X射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉Kβ线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。分析以铁为主的样品，应该选用Co或Fe靶的X射线管，它们的分别相应选择Fe和Mn为滤波片。4、何为波谱仪和能谱仪？说明其工作的三种基本方式，并比较波谱仪和能谱仪的优缺点。答：波谱仪：用来检测X射线的特征波长的仪器能谱仪：用来检测X射线的特征能量的仪器他们工作的三种基本方式是定点分析、线分析和面分析。优点:1）能谱仪探测X射线的效率高。2）能谱仪在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。3）能谱仪结构简单，稳定性和重现性都很好4）能谱仪不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。缺点：1）能谱仪分辨率低。2）能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。3）能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。四、计算题（30分）1、已知铝的点阵常数a=0.405nm，今用CuKα（λ=1.5406Å）辐射在衍射仪上扫描测试其粉末样品，试问其最低角的三条衍射线是由哪三个晶面衍射产生的？分别计算这三个衍射角及三条衍射线的强度（忽略温度因子和吸收因子的影响）。（20分）原子散射因子nmsin0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.0fAl13.011.08.957.756.65.54.53.73.12.652.32.0解：根据布拉格方程sin2d，当λ一定，θ是反射面面间距d的函数。在立方晶系中：222LKHad代入布拉格方程，得：2222224sinLKHa在面心立方中，只有当H、K、L全为奇数或全为偶数时才能产生衍射。因此最低角的三条衍射线是{111}、{200}和{220}三个晶面衍射产生的。{111}晶面衍射产生的衍射峰角度为：2222222222211105.445406.14sinLKHa=0.10853294.0sin，θ=19.23°，15406.03294.0sinnm2.1380.2138.20.20.395.875.795.8Alf=8.7844{200}晶面衍射产生的衍射峰角度为：2222222222200205.445406.14sinLKHa=0.14473804.0sin，θ=22.36°，15406.03804.0sinnm2.4690.2469.20.20.395.875.795.8Alf=8.3872{220}晶面衍射产生的衍射峰角度为：2222222222202205.445406.14sinLKHa=0.28945380.0sin，θ=32.54°，15406.05380.0sinnm3.4920.3492.30.30.475.76.675.7Alf=7.1842若以波长为λ、强度为I0的X射线，照到晶胞体积为V胞的粉末试样上，被照射晶体体积为V，在与入射线方向夹角为2θ方向上产生了指数为（HKL）晶面的衍射，在距试样为R处记录到的单位弧长上衍射线的积分强度为：它们之间的相对积分强度为：MeAI2222HKLcossin2cos1PF若忽略温度因子和吸收因子的影响，则它们之间的相对积分强度为：cossin2cos1PF222HKLI当H、K、L全为奇数或全为偶数时，22HKL16FfAl是面心立方结构，{111}、{200}和{220}三个晶面对应的多重因子依次为8，6，12。对应的原子散射因数为8.7844，8.3872，7.1842设{111}晶面的衍射强度为100，则{200}晶面的衍射强度为：10023.19cos23.19sin23.192cos187844.86136.22cos36.22sin36.222cos163872.861222222=48.81则{220}晶面的衍射强度为：10023.19cos23.19sin23.192cos187844.86154.32cos54.32sin54.322cos1211842.761222222=30.752、画出面心立方晶体[001]晶带的标准零层倒易截面图，只画出中心点周围的8个倒易阵点即可。（10分）答：根据晶带定理，[001]晶带的零层倒易截面的{hkl}晶面指数应满足以下条