材料研究与测试方法---期末完整总结

XRD1、连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理连续X射线谱:从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。特征X射线谱:从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固定能量，频率或固定波长的特征X射线。书上答：原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K、L、M、N等，不同能级的壳层上，而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，于是在原来的位置出现空位，原子系统的能量升高，处于激发态，这时原子系统就要向低能态转化，即向低能级上的空位跃迁，在跃迁时会有一能量产生，这一能量以光子的形式辐射出来，即特征X射线2、X射线谱的种类？各自的特征？两种类型：连续X射线谱和特征X射线谱连续X射线谱：具有从某一个最短波长（短波极限）开始的连续的各种波长的X射线。它的强度随管电压V、管电流i和阳极材料原子序数Z的变化而变化。指X射线管中发出的一部分包含各种波长的光的光谱。从管中释放的电子与阳极碰撞的时间和条件各不相同，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱特征X射线谱：也称标识X射线谱，它是由若干特定波长而强度很大的谱线构成的，这种谱线只有当管电压超过一定数值Vk(激发电压)时才能产生，而这种谱线的波长与X射线管的管电压、管电流等工作条件无关，只取决于阳极材料，不同元属制成的阳极将发出不同波长的谱线，并称为特征X射线谱3、X射线相干散射与非相干散射现象相干散射：当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，电子振动时向四周发射电磁波的散射过程。（这些散射波之间复合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光的干涉条件，所以可以发生干涉作用）非相干散射：当X射线光子与束缚不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相撞时的散射过程。4、光电子、荧光X射线以及俄歇电子的含义光电效应：以光子激发原子所发生的激发和辐射过程。光电子：光电效应中由光子激发所产生的电子（或入射光量子与物质原子中电子相互碰撞时被激发的电子）。荧光X射线（二次特征X射线）：由X射线激发所产生的特征X射线。俄歇电子：原子外层电子跃迁填补内层空位后释放能量并产生新的空位，这些能量被包括空位层在内的临近原子或较外层电子吸收，受激发逸出原子的电子叫做俄歇电子。5、短波限、吸收限短波限：X射线管不同管电压下的连续谱存在的一个最短波长值。吸收限：把一特定壳层的电子击出所需要的入射光最长波长。6、X射线与物质的如何相互作用的，产生那些物理现象？X射线与物质的作用是通过X射线光子与物质的电子相互碰撞而实现的。与物质作用后会产生X射线的散射（弹性散射和非弹性散射），X射线的吸收，光电效应与荧光辐射等现象7、晶面及晶面间距晶面：在空间点阵中可以作出相互平行且间距相等的一组平面，使所有的节点均位于这组平面上，各平面的节点分布情况完全相同，这样的节点平面成为晶面。晶面间距：两个相邻的平行晶面的垂直距离。8、晶面间距与点阵常数之间的关系(掌握立方晶系的)。dhkl=a/sqrt(h2+k2+l2)9、什么叫X射线的衍射？布拉格方程的表达式？各字母的含义？意义？极限条件？应用？1）当一束X射线照射到晶体上，晶体中各个原子对X射线的相干散射波干涉叠加的现象叫X射线的衍射。2）布拉格方程两种表达1)普通形式：2dsinθ=nλ2)标准形式：2dHKLsinθ=λ3）其中d为晶面间距，（HKL）为衍射指数，θ为半衍射角，λ为X射线波长，n为整数，称衍射级数。4）意义：仅当射向相邻原子面上的入射光程差为波长λ的整数倍时，相邻晶面的反射波才能干涉加强形成衍射线，产生衍射5）极限条件：（2个）1、2dsinθ=nλ=sinθ=nλ/(2d)≤1=n≤2d/λ当入射线的波长和衍射面选定以后，d和λ的值都定了，可能有的衍射级数n也就确定了，所以一组晶面只能在有限的几个方向上“反射”X射线。2、对于一定波长λ的X射线而言，晶体中能产生衍射的晶面族数也是有限的sinθ=nλ/(2d)≤1d≥λ/2也就是说晶面间距大于波长的二分之一的晶面才能产生衍射6）应用：1、测晶面间距d2、测X射线波长（利用XRF）已知波长λ的X射线，测定θ角，计算晶体的晶面间距d，结构分析；已知晶体的晶面间距，测定θ角，计算X射线的波长，X射线光谱学。10、反射级数与干涉指数布拉格方程表示面间距为d’的（hkl）晶面上产生了n级衍射，n就是反射级数干涉指数：当把布拉格方程写成：时，这是面间距为1/n的实际上存在或不存在的假想晶面的一级反射，若把这个晶面叫作干涉面，其间的指数就叫作干涉指数11、阐述多晶体X射线衍射强度影响因素及其应用1）参考P42-P50影响X射线衍射强度的因素有如下5项：①结构因子②角因子包括极化因子和洛仑兹因子③多重性因子④吸收因子⑤温度因子。2）应用：利用各影响因子对衍射强度的影响，可判断出晶胞内原子的种类，原子个数，原子位置。结构因子：①消光规律的判断；②金属间化合物的有序度的判断。角因子：利用谢乐公式研究晶粒尺寸大小；多重性因子：等同晶面对衍射强度的影响吸收规律：试样形状和衍射方向的不同，衍射线在试样中穿行的路径便不同，引起吸收效果的不一样。温度因子：研究晶体的热运动，测定热膨胀系数等。12、X射线衍射方法劳埃法、周转晶体法、粉末法13、结构因子，系统消光这种由于原子在晶体中的位置不同或者原子种类不同而引起的某些方向上的衍射线消失的现象，称为“系统消光”。结构因子是定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响因子。也称作结构因素。Sinnd'2nSind'2：nSind'2：nSind'2：14、结构因子的计算1）简单点阵每个晶胞中只有一个原子a，其位置在原点（000）处：F2＝[facos2π(0)]2＋[fasin2π(0)]2＝fa2∴F＝fa可见：①结构因子与晶面指数（hkl）无关，表明所有晶面均有反射，均能衍射。②所有晶面的结构因子大小一样。2）体心点阵单位晶胞中有两个原子，N＝2，其坐标为（000）、（1/21/21/2）设为同种原子，即f1＝f2＝fa。则：F2＝fa2·[1＋cosπ(h＋k＋l)]2F＝fa·[1＋cosπ(h＋k＋l)]结论：h＋k＋l＝偶数时，F＝2fa，产生衍射；h＋k＋l＝奇数时，F＝0，不产生衍射。3）面心点阵N＝4，其坐标为：（000）、（1/21/20）、（1/201/2）、（01/21/2）。设为同种原子，f1＝f2＝f3＝f4＝fa，则：F2＝fa2·[1＋cosπ(h＋k)＋cosπ(k＋l)＋cosπ(h＋l)]2F＝fa·[1＋cosπ(h＋k)＋cosπ(k＋l)＋cosπ(h＋l)]结论：若h、k、l全奇或者全偶时，F＝4·fa，有衍射；若h、k、l不是全奇或者全偶时，F＝0，没有衍射。4）底心斜方晶胞（0、0、0）、（1/2、1/2、0)。h、k全奇或全偶，F=2f，有衍射。点阵类型反射出现条件反射消失条件简单点阵全部无体心点阵H+K+L=偶数H+K+L=奇数C面带心点阵H+K=偶数H+K=奇数B面带心点阵H+L=偶数H+L=奇数A面带心点阵K+L=偶数K+L=奇数面心点阵H、K、L全奇全偶H、K、L奇偶混杂三方点阵-H+K+L=3n-H+K+L≠3n15、德拜相机1）光阑的作用：限制入射线的不平行度和固定入射线的尺寸和位置，也成为准直管。2）承光管的作用：监视入射线和试样的相对位置，同时吸收透射的X射线，保护操作者的安全。3）底片的安装：正装法：几何关系和计算均较简单，常用于物相分析等工作反装法：高角线弧对间距较小，有底片收缩造成的误差也较小，适用于点阵常数的测定偏装法（不对称装法）：有反装法的优点，其外还可以直接由底片上测算出真实的圆周长，因此，消除了由于底片收缩、试样偏心以及相机半径不准确所产生的误差16、物相的定性分析1）基本原理多晶体衍射线条的数目、位置及其强度，是每种物质的特征。——物相定性分析的原理。如果试样中存在几种不同结构的物相，则所得衍射线条是各个单独物相衍射结果的简单叠加，其中，每个物相特有的衍射花样不变。——多相材料物相分析的原理2）物相定性分析制备试样时注意事项1必须使择优取向减至最小，因为择优取向能使衍射线条的相对强度明显地与正常值不同2晶粒要细小3注意相对强度随入射线波长不同而有所变化4必须选取合适的辐射，使荧光辐射降至最低且能得到适当数目的衍射线条。3）定性分析方法步骤与思路1、拍摄并分析衍射花样或衍射图①制备粉末衍射花样（德拜相），或者在衍射仪上测得衍射图。注意：对复杂结构的化合物相，应该选用波长较长的X射线，这样可以使衍射线条尽可能分开，并避免漏掉大晶面间距的重要线条。②测量衍射线条位置（2θ），计算出面间距d。选择衍射峰的中线位置测出2θ角；计算出d值，或者由2θ-d对照表查出d值。注意：为了使d值具备足够的精度，2θ、d应分别给出0.010°和0.001位有效数字。③测量相对强度I/I1。若是德拜照片，常常采用目测法确定强度。一般将强度分为五级：很强线-定为100；强线-定为80～70；中等线-定为60～50；弱线-定为40～30；很弱线-定为10～5。2、查索引，比对卡片，确定物相种类①从前反射区(2θ＜90°)中选出强度最大的三根线，并使其d值按强度递减次序排列，即：d1d2d3，其余线条的d值也按强度递减次序列于其后。②在数值索引中找到最强线d1所在的大组。③按次强线的面间距d2找到接近的几列。④检查这几列数据中的第三个d值，看是否与待测试样的d3相符。如果相符，再查看d4，d5，……，一直到八强线数据均进行过对照为止，最后从中找出最可能的物相及其卡片号。⑤从档案中抽出卡片，将试验所得d—I/I1数据与卡片上的数据详细对照。如果完全符合，则物相鉴定完成。给出物相定性分析与定量分析的原理及一般步骤。答：定性分析：原理：目前所知结晶物质，之所以表现出种类的差别，是由于不同的物质个具有自己特定的原子种原子排列方式和点阵常数，进而呈现出特定的衍射花样；多相物质的衍射花样互不干扰、相互独立，只是机械的叠加；衍射花样可以表明物相中元素的化学结合态。这样只要把晶体全部进行衍射或照相再将衍射花样存档，试验时，只要把试样的衍射花样和标准衍射花样相对比，从中选出相同者就可以确定了。步骤：先求出晶面间距d和相对强度I/I1后有以下三个程序：根据待测相得衍射数据，得出三强面的晶面间距值d1、d2、d3.根据d1值，在数值索引中检索适当d组，找出与d1、d2、d3值复合较好的一些卡片。把待测相的三强线的d值和I/I1值与这些卡片上各物质的三强线d值和I//I1值相比较，淘汰不相符的卡片，最后获得与试验数据一一吻合的卡片，卡片上所示物质即为待测相。若待测试样为复相混合物时，需反复测试定量分析：原理87页17、物相的定量分析1）基本原理：物相定量分析的根据：各相衍射线的强度，随该相的含量增加而提高。但由于试样对X射线具有吸收作用，使得“强度”并不正比于“含量”，因此必须加以修正。2）障碍：择优取向碳化物干扰消光效应微吸收效应3）X射线物相定量分析的常用方法内标法、外标法和k值法直接对比法18、名词解释：相干散射（汤姆逊散射）、不相干散射（康普顿散射）、荧光辐射、俄歇效应、吸收限、俄歇效应、晶面指数与晶向指数、晶带、X射线散射、衍射结构因子、多重因子、罗仑兹因子、系统消光相干散射（汤姆逊散射）：X射线光子作用于内层电子，散射波波长不变，方向改变。不相干散射（康普顿散射）：X射线与弱束缚的外层电子作用，使散射波波长变长，方向改变的散射。荧光辐射：X射线将内层电子击出导致外层电子向内层跃迁引起的辐射。俄歇效应：原子内层电子被击