材料分析测试方法-2

X射线的主要特征：肉眼不可见沿直线传播、使胶片感光、使荧光物质发光很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用《材料分析测试方法》上节课要点X射线的本质X射线是一种波长很短的电磁波，具有波粒二象性，波长与晶格常数为同一数量级。《材料分析测试方法》上节课要点X射线的波粒二象性波动性：X射线以一定的波长和频率在空间传播，反映了物质运动的连续性。粒子性：X射线以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。当X射线在空间传播过程中发生干涉、衍射现象，就突出地表现出它的波动性；而在与物质相互作用交换能量时，就突出地表现出它的粒子性。《材料分析测试方法》上节课要点X射线产生的基本条件产生自由电子热阴极使电子作定向高速运动加速电场在电子运动路径上设置障碍物阳极(靶)《材料分析测试方法》上节课要点X射线谱X射线谱：用适当的方法测量X射线管发出的X射线的波长和强度，得到X射线强度随波长的变化曲线。连续X射线谱—临界管电压之下，曲线连续变化。特征X射线谱—临界管电压之上，在连续谱上出现特征谱线。常见Kα，Kβ两条。靶材一定，随管电压增高，只是强度相应增加，但特征谱线的位置（波长）不变。产生原理——连续谱：轫致辐射，形成衍射花样的背底特征谱：特征辐射，X射线衍射的光源，形成衍射花样(峰)。《材料分析测试方法》上节课要点1.5X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的复杂过程，但从能量转换来看，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来方向传播。《材料分析测试方法》一、X射线的散射X射线散射——沿一定方向运动的X射线光子流与物质的电子相互碰撞后，向周围发散开来的过程。相干散射（弹性散射）非相干散射（非弹性散射）《材料分析测试方法》两类1.相干散射当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线频率相同。任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子振动频率相同。由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。《材料分析测试方法》2.非相干散射X射线与物质原子中受束缚弱的电子碰撞时（如外层电子），可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象非相干散射。由于非弹性散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。《材料分析测试方法》非相干散射机理入射X射线遇到约束弱的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长（λ′）比入射x射线的波长（λ）长，其差值与散射度α之间存在如下关系：《材料分析测试方法》cos10243.0'小结《材料分析测试方法》相干散射因为是相干波所以可以干涉加强。只有相干散射才能产生衍射,所以相干散射是X射线衍射基础非相干散射因为非相干散射不能干涉加强产生衍射,所以非相干散射只是形成衍射的背底二、X射线的吸收X射线的吸收是指X射线的能量在通过物质时转变为其他形式的能量。即发生了能量损耗。吸收主要由原子内部的电子跃迁引起。这个过程发生X射线的光电效应及俄歇效应，使X射线的部分能量转变为光电子、荧光X射线及俄歇电子的能量。《材料分析测试方法》光电效应与荧光辐射《材料分析测试方法》光电效应——入射X射线光子的能量足够大时，可将内层电子击出，产生光电效应。《材料分析测试方法》荧光辐射——失去内层电子的原子处于激发态，将发生外层电子向内层跃迁同时释放波长一定的特征X射线。称为二次荧光辐射或荧光辐射。激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即而所以称λk为激发限，或吸收限，只有当入射X射线的波长λ≤λk时，才能产生光电效应而被吸收。激发限kkkhchw《材料分析测试方法》kkeVwkkkVeVhc24.1应用《材料分析测试方法》在X射线衍射分析中，荧光辐射是有害的，它会增加衍射谱的背底，使衍射花样变得复杂。但是在元素分析方面，荧光辐射又可作为X射线荧光光谱（XRF）分析的基础。X射线与物质作用小结《材料分析测试方法》三、X射线的衰减1.X射线的衰减规律与线吸收系数实验证明，一单色X射线透过一层均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加呈指数规律减弱，即tIIl0《材料分析测试方法》tleII0——透射束强度——入射束强度——线吸收系数——物质厚度线吸收系数μl表示沿穿透方向单位长度X射线的衰减程度，与X射线的波长、吸收物质、吸收物质物理状态有关2.质量吸收系数为避开吸收系数随吸收物体物理状态不同而改变的问题，令m《材料分析测试方法》lm——质量吸收系数质量吸收系数μm表示单位质量物质对X射线的吸收程度，只与X射线的波长和吸收物质有关。2.质量吸收系数实验表明：对于非单质元素组成的复杂物质，iniilm1)/(《材料分析测试方法》33ZKm——某元素的质量分数——相应元素的质量吸收系数ili)/(3.吸收限对于选定的物质（Z一定），作曲线。曲线中某几处出现值突增，其原因是在该波长处产生光电效应，X射线大量被吸收，称该波长为吸收限。《材料分析测试方法》mmm四、吸收限的应用1.滤波片的选择X射线衍射实验是利用K系特征辐射源，K系谱线包括和两条线，它们将在晶体衍射时产生两套花样，使得分析复杂化。解决方法——滤掉K《材料分析测试方法》KK滤波片选择方法选择一种合适的材料，使其吸收限正好位于和线波长之间，且尽量靠近线波长。将这种材料制成薄片——滤波片，置于入射束或衍射束光路中，强烈吸收线，而对吸收很少，得到单色辐射。K《材料分析测试方法》KkKKKK《材料分析测试方法》滤波片选择原则滤波片的原子序数比靶材原子序数小1~2《材料分析测试方法》4040bbZZ21bfbfZZZZ例如，对于Co、Cu、Fe靶，分别选Fe、Ni、Mn滤波片吸收限的应用之二2.阳极靶的选择X射线衍射实验中，入射X射线在与试样作用过程中产生荧光辐射，只能增加衍射花样的背景，为消除干扰，可通过适当的靶材来避免荧光辐射。原则：例如：对于钢铁试样，应选用Co靶或Fe靶。《材料分析测试方法》1sbZZ1.6X射线的防护过量X射线辐射对人体的伤害：局部组织灼伤或坏死，毛发脱落，血液病变，影响生育等防护措施：不要将手及身体的任何部位直接暴露在X射线光束下，避免一切不必要的照射。用重金属铅强烈吸收X射线，铅屏风、铅玻璃眼睛、铅橡胶手套、铅围裙等定期体检《材料分析测试方法》第二章X射线衍射方向晶体几何学简介布拉格方程X射线衍射方法《材料分析测试方法》2.1晶体几何学简介晶体特性晶体结构与空间点阵倒易点阵《材料分析测试方法》一、晶体的特性1.晶体的性质均匀性：晶体内部各个部分宏观性质相同。各向异性：晶体种不同的方向上具有不同的物理性质。固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。《材料分析测试方法》2.晶体结构与空间点阵晶体点阵晶体结构单位晶胞晶胞参数晶向指数、晶面指数《材料分析测试方法》晶面指数与晶向指数xyzOxyzO晶向指数[uvw]晶面指数（hkl）《材料分析测试方法》立方晶系四方晶系斜方晶系六方晶系菱方晶系单斜晶系三斜晶系简单点阵体心点阵面心点阵底心点阵晶系与布拉菲点阵《材料分析测试方法》晶系与布拉菲点阵晶系单胞形状点阵类型立方a=b=cα=β=γ=90°简单、体心、面心四方a=b≠cα=β=γ=90°简单、体心斜方a≠b≠cα=β=γ=90°简单、底心、体心、面心六方a=b≠cα=β=90°，γ=120°简单、菱方a=b=cα=β=γ≠90°简单单斜a≠b≠cα=γ=90°β≠90°简单、底心三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°简单《材料分析测试方法》简单点阵：八个顶点上各有一个阵点，分别为八个相邻的平行六面体所共有。因此，每个阵胞占有一个阵点。坐标为：(000)《材料分析测试方法》底心点阵：除八个顶点上有阵点外，两个相对的面心上有阵点，面心上的阵点为两个相邻的平行六面体所共有。因此，每个阵胞占有两个阵点。阵点坐标为：（000）、（½½0）《材料分析测试方法》体心点阵：除8个顶点外，体心上还有一个阵点，因此，每个阵胞含有两个阵点，坐标为（000）、（½½½）《材料分析测试方法》面心点阵：除8个顶点外，每个面心上有一个阵点，每个阵胞上有4个阵点，其坐标分别为：（000）、（0½½）、（½0½）、（½½0）《材料分析测试方法》3.倒易点阵倒易点阵是在晶体点阵基础上按一定对应关系建立起来另外一个点阵，是晶体点阵的另一种表达形式。倒易点阵参数用a*、b*、c*；α*、β*、γ*表示。《材料分析测试方法》VbacVcabVcba;;倒易点阵以长度的倒数为量纲，其中的一个点阵，对应晶体点阵中的一个晶面。正倒点阵互为倒易关系。《材料分析测试方法》倒易矢量从倒易点阵原点出发指向任意一个倒易阵点的矢量称为倒易矢量，用ghkl表示。***lckbhaghkl《材料分析测试方法》倒易矢量的基本性质1）g垂直于正点阵中的（hkl）晶面2）g的长度等于（hkl）晶面的晶面间距dhkl的倒数)(hklghkldg1《材料分析测试方法》4.晶带在晶体结构或空间点阵中，与某一晶体学方向平行的所有晶面构成一个晶带。该晶向称为晶带轴，这些晶面称为晶带面。《材料分析测试方法》[uvw](h1k1l1)(h2k2l2)(h3k3l3)晶带定律晶带轴[uvw]与晶带面(hkl)满足晶带定律：《材料分析测试方法》0lwkvhu[uvw](h1k1l1)(h2k2l2)(h3k3l3)0111wlvkuh0222wlvkuh0333wlvkuh晶带定律的应用1)已知晶带轴，判断哪些晶面属于该晶带；2)已知两个晶带面为（h1k1l1)和(h2k2l2),用晶带定律求出晶带轴[uvw]；3)判断空间两个晶向或两个晶面是否相互垂直；4)判断某一晶向是否在某一晶面上（或平行于该晶面）。《材料分析测试方法》晶带轴计算（求两个晶面的交线）求（h1k1l1）晶面与（h2k2l2）晶面共同的晶带轴[uvw]，即（h1k1l1）晶面与（h2k2l2）晶面的交线。《材料分析测试方法》[uvw](h1k1l1)(h2k2l2)h1k1l1h1k1l1h2k2l2h2k2l2uvw122112211221khkhwhlhlvlklku一、概述衍射是指存在某种位相关系的两个或两个以上相干波相互叠加引起的一种物理现象。当一束X射线照射到晶体上时，首先被电子所散射，每个电子都是一个新的辐射波源，向空间辐射出与入射波同频率的电磁波。《材料分析测试方法》2.2晶体对X射线的衍射可将晶体中每个原子都看作是一个新的散射波源，它们各自向空间辐射与入射波同频率的电磁波（相干波）。由于这些散射波之间的干涉作用，使得空间某些方向上的波则始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观测到衍射线；而另一些方向上的波则始终互相抵消，就没有衍射线产生。《材料分析测试方法》相干波的条件：频率（或波长）相同振动方向相同相位差恒定《材料分析测试方法》二、X射线在晶体中的衍射1.假设X射线为单一波长的平行光电子皆集中在原子中心原子不作热振动（原子间距不变）《材料分析测试方法》2.衍射的基本过程当一束X射线照射到晶体上时，X射线光子被电子所散射，所有电子的散射波都可以看成由原子中心发出，它们向空间辐射与入射波频率相同的电磁波。由