晶体X射线衍射学基础

晶体X射线衍射学基础绪论二.学生培养目标三.X射线实验技术的发展概况四.X射线分析在金属材料领域中的主要应用五.课程简介一.学习目的材料的性能包括力学性能与物理性能加工成份组织结构性能应用它与哪些因素有关？有哪些检测分析技术？你们最关心的是什么？组织结构与性能的关系：性能是由其内部的微观组织结构所决定的。微观组织结构控制：在认识了材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件与过程机理的基础上，可以通过一定的方法（改变成份及采取不同的加工方法）控制其显微组织形成条件，使其形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。应用金属材料的用途主要由性能决定。如：在航天航空工业中，为了实现火箭、导弹、卫星、飞机等的飞行控制、通讯、目标捕获识别与跟踪、火力控制、突防、隐身等目的需要采用各种先进的仪器设备，而制造这些仪器设备，需要采用各种新材料，它们具有特殊的物理、化学和生物方面的性能，例如电、磁、声、热、光、力、化学和生物等功能，通过这些金属功能材料实现能量和信号的转换、吸收、存储、发射、传输、伟感、控制和处理，然后广泛地应用于航天航空工业方面的制导、导航、操纵系统、电子系统、电气系统、环境控制系统、能源供给系统、仪表通讯系统、遥感遥测系统、武器火控系统、生命保障系统以及生活服务系统等。航天航空工业中应用的金属功能材料主要包括磁性合金、弹性合金、膨胀合金、高比重合金、形状记忆合金、贮氢合金以及隐身材料、超导材料等。而航天器的机身，则需用强度高且轻的材料制成。影响性能的因素：首先，是它们的成分和组织（主要包括合金元素和杂质、合金的晶体结构以及金相组织等方面的影响）其次，是各种加工条件的影响（主要包括生产过程中各个环节、组织、加工条件之间的关系。金相、X射线衍射、磁性测量、力学性能测试、莫谱、电子显微镜、热分析（DTA）等等。材料的组织结构与性能组织结构与性能的关系：材料的性能（包括力学性能与物理性能）是由其内部的微观组织结构所决定的。微观组织结构控制：在认识了材料的组织结构与性能之间的关系及显微组织结构形成的条件与过程机理的基础上，可以能过一定的方法控制其显微组织形成条件，使其形成预期的组织结构，从而具有所希望的性能。显微组织结构的内容显微化学成分：不同相的成分，基体与析出相的成分，偏析等；晶体结构与晶体缺陷：面心立方、体心立方、位错、层错等；晶粒大小与形态：等轴晶、柱状晶、枝晶等；相的成分、结构、形态、含量及分布：球、片、棒、沿晶界聚集或均匀分布等；界面：表面、相界与晶界；位向关系：惯习面、孪生面、新相与母相；夹杂物；内应力：喷丸表面，焊缝热影响区等学生培养目标1.设计材料：即由已有的资料、经验，利用元素、已知合金、内部结构与性能的关系等多方面的知识，设计新材料，并预言其性质。这是材料科学发展的最终目标。2.实验测定材料的成分、组织结构、性能，并研究三者的关系是研究现有材料、发挥材料潜力、扩大材料的使用范围、提高材料的寿命，以及研究新材料、新工艺的主要手段，并对建立有关的材料学科的理论提供必需的数据。验证。从材料成分、组织结构的改变，改善材料的性能。材料研制或生产的主要任务是：完成上述两方面的任务，都涉及到一个测试手段的问题，我们采用的测试手段主要有：金相、电镜、磁性测量、力学性能测试、莫谱、X光、热分析（DTA）等等。“金属X射线学”——即利用X-ray在晶体中的衍射效应研究金属的合金结构的科学。X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。1908~1909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距(即原子间距)近似于1埃数量级。1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解1913~1914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：①新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。②新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。③新的数据记录及处理技术：高度计算机化a.实验设备、实验数据全自动化；b.数据分析计算程序化；c.衍射花样的计算机模拟。X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。课程简介《晶体X射线衍射学基础》是一门专业课程，学习本课程的目的，在于使学习者具备X射线分析技术所必须的基础理论、基本知识与基本实验技能，并对合金的相分结构、精细结构、晶体取向等有进一步的了解。用X射线在晶体中的衍射现象来研究晶体结构及有关问题，从金属物理角度，解决合金成分、结构、性能关系及问题，为金属材料科学的研究提供理论基础和研究方法。参考书：原子物理、光学；X射线金属学（柯列迪）金属X射线学（许顺生）材料近代测试分析方法（哈工大）要求：本课程中一些内容比较抽象，微观概念、空间概念不易掌握和建立，因此课前课后必须进行预习和复习，课堂上则要跟着老师的思路，积极思考、思维活跃，注意教学中的重点难点，对所学内容及时消化，认真、独立完成实验及作业。考核：平时成绩（包括作业、实验及课堂点名）30%，考试70%目录第一章X射线的产生和性质第二章几何晶体学基础第三章X射线衍射的几何原理第四章X射线衍射线束的强度第五章X射线衍射仪第六章X射线物相分析第一章X射线的产生和性质X射线的本质X射线的产生X射线谱X射线与物质的相互作用X射线的探测与防护重点本章重点X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。§1.1X射线的本质一.性质二.本质——是一种电磁波，有明显的波粒二象性返回本章开头一.X射线的性质1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。后人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”。伦琴在实验室的发现表明：X射线是用人的肉眼不可见的，但能使某些物质（铂氰化钡）发出可见荧光；具有感光性，能使照相底片感光；具有激发本领，使气体电离。实际观测还表明：X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；具有很强的穿透能力，波长越短，穿透物质的能力越大；与物质能相互作用。另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振化——即经物质后，某些方向强度强，某些方向弱；能杀死生物细胞，实验中要特别注意保护。二.X射线的本质1912年劳埃（Laue）在当时晶体学家已得出了原子排列的周期性及光栅实验的基础上，并根据可见光光栅衍射原理（周期性、波动性、数量级），提出非凡预言：从事实验研究的两位研究生支持了劳埃的这一设想，用X射线照射CuSO4.5H2O、NaCl晶体进行了试验，获得了世界上第一张X射线衍射照片。X射线照射晶体时，将产生衍射。几何光学回顾图1光栅实验可见光平面波光栅屏产生干涉条纹的条件①入射光是单色平面波②光栅刻痕周期性；③可见光波动性；④波长与a+b同数量级。劳埃实验1X-rayCuSO4.5H2O单斜晶系底片对称性差的衍射花样，样品转动一个方向时花样变化劳埃实验2X-rayNaCl(密排六方）底片对称性好的衍射花样劳埃实验的意义与功绩：①证实了X光的电磁波本质；②证实了X光波长与晶体原子尺度类似（同一数量级）；③证实了晶体内原子排布呈周期性，即让了晶体的结构。为研究物质的微观世界提供了崭新的方法。实验还表明，X射线在空间传播具有粒子性，或者说X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流。这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量ε=hν或ε=hc/λ式中，h是普朗克常数，h=6.63×10-34J·s；ν和λ分别为光量子的频率和波长。X射线的单位通常用埃（Å）1Å=10-8cm=10-10m目前欧美普遍采用nm，1nm=10Å。X射线是一种波长较短的电磁波，其本质与可见光相同，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短，具有强的穿透能力。X射线处于电磁波谱中，紫外线和γ射线之间（见P1图1-1）。无限电波红外线可见光紫外线X射线γ射线宇宙射线1031010-110-310-510-710-910-1110-13图1-2电磁波谱X射线的波长为λ=10-10cm～10-6cm，即100～0.01Å或更短。通常，用于晶体衍射实验的X射线波长约为2.5～0.5Å，而用于金属材料探伤的X射线波长则要更短一些，约为1～0.05Å，而常见的可见光的波长约为4000～8000Å。本节小结①X射线是一种电磁波，是具有波粒二重性的矛盾统一体（即具有一切微观粒子的共性）;②X射线的波长很短，约为10-10～10-6cm，与晶体内呈周期性排列的原子间距为同一数量级；③晶体衍射产生的图象特征，精确地反映了晶体结构；④是近代先进的实验技术。返回本节开头§1.2X射线的产生和设备一、X射线的产生条件二、X射线管三、X射线仪四、X射线探测与防护下一节返回本章开头一、X射线的产生条件因此，要获得X射线，必须满足以下条件（见P2）①产生并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；②在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动；③在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。实验证明，高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。﹋﹋﹋高压发生器X光管阳极阴极灯丝变压器X射线发生装置图1-3VV0二、X射线管1.X射线管基本工作原理2.X射线管的基本构造（见P3图1-2）3.X射线管的额定功率4.特殊结构的X射线管1.X射线管基本工作原理高速运动的电子与物体发生碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1%左右）能量转变为X射线的能量产生X射线，其中绝大部分能量（约左右）转变成热能使物体（靶）温度升高。2.X射线管的基本构造接变压器冷却水X射线2.靶(阳极）铜3.铍窗口电子金属聚焦罩1.钨灯丝（阴极）真空玻璃图1-3X射线管剖面示意图是发射电子的地方。由绕成螺线形的钨丝制成。是使电子突然减速和发射X射线的地方。常用的阳极材料有Cr、Fe、Co、Ni、Mo、Ag、W等。是X射线从阳极靶向外射出的地方。较好的窗口材料的铍片。3.X射线管的额定功率X射线管有一个上限的使用额定功率，它是由阴阳极之间的加速电压（又称管电压）(如图)和阴极可能提供的电子束流（又称管电流）所决定。4.特殊结构的X射线管⑴旋转阳极X射线管：采用适当的方法使阳极高速旋转，这样，可使靶面受电子轰击的部位——焦斑随进改变，有利于散热，可以提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。⑵细聚焦X射线管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，除了可以缩短拍摄照片得到极细的X射线束，有利于提高结构分析的精度。三.X射线仪由X射线管及其它供电、稳压、稳流、整流、控制等电器部分组成。X射线结构分析仪X射线衍射仪X射线衍射仪X射线四圆衍射仪四.X射线探测与防护因X射线是人类肉眼看不见的射线