材料分析方法-1-1

1、材料分析方法材料分析方法李海敏李海敏 1986 1986年年1 1月月2828日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機升空僅日，美國挑戰(zhàn)者號航天飛機升空僅僅僅1 1分分1212秒就墜毀，秒就墜毀，7 7名宇航員全部遇難，直接經(jīng)濟損名宇航員全部遇難，直接經(jīng)濟損失失1212億美元。億美元。 根據(jù)調(diào)查這一事故的總統(tǒng)委員會的報告，爆炸根據(jù)調(diào)查這一事故的總統(tǒng)委員會的報告，爆炸是一個是一個O O形封環(huán)（橡膠圈）失效形封環(huán)（橡膠圈）失效所致。這個封環(huán)位于所致。這個封環(huán)位于右側(cè)固體火箭推進器的兩個底層部件之間。失效的右側(cè)固體火箭推進器的兩個底層部件之間。失效的封環(huán)使熾熱的氣體點燃了外部燃料罐中的燃料。封環(huán)使熾熱的氣體點燃了外

2、部燃料罐中的燃料。 設(shè)計時沒有考慮溫度對橡膠圈組織行為和力學設(shè)計時沒有考慮溫度對橡膠圈組織行為和力學性能的影響。性能的影響。材料科學的發(fā)展趨勢材料科學的發(fā)展趨勢 從簡單物質(zhì)到復雜物質(zhì)從簡單物質(zhì)到復雜物質(zhì) 從簡單結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)控制從簡單結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)控制 從粉體材料到器件材料從粉體材料到器件材料 從塊體材料到薄膜材料從塊體材料到薄膜材料 從純物質(zhì)到復合，摻雜材料從純物質(zhì)到復合，摻雜材料 從宏觀到微觀的納米材料從宏觀到微觀的納米材料 從單功能到多功能和智能材料從單功能到多功能和智能材料材料科學的發(fā)展趨勢材料科學的發(fā)展趨勢傳統(tǒng)材料一提高性能價格比傳統(tǒng)材料一提高性能價格比先進材料一提高在惡劣環(huán)境下的使用性能先

3、進材料一提高在惡劣環(huán)境下的使用性能功能材料功能材料低維材料低維材料納米材料納米材料環(huán)境材料環(huán)境材料材料科學涉及的領(lǐng)域材料科學涉及的領(lǐng)域 電電子子器件器件 功能材料功能材料 結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料 納米材料納米材料 環(huán)境材料環(huán)境材料 化學，化工，地質(zhì)，冶金，機械，儀器儀表，航空航化學，化工，地質(zhì)，冶金，機械，儀器儀表，航空航天，自動化控制，核能，建材等領(lǐng)域天，自動化控制，核能，建材等領(lǐng)域如何入手如何入手? 材料科學的研究基點材料科學的研究基點 材料科學與工程的基本要素材料科學與工程的基本要素 組織結(jié)構(gòu)、成分、加工制備、性能。前面三者共同支撐組織結(jié)構(gòu)、成分、加工制備、性能。前面三者共同支撐“性能性能”。

4、鉆石與石墨的故事鉆石與石墨的故事 有有一位聲名顯赫的物理學家，有一天早上出門，太太要一位聲名顯赫的物理學家，有一天早上出門，太太要求他買回來一粒閃亮的鉆石，作為結(jié)婚紀念日的禮物。求他買回來一粒閃亮的鉆石，作為結(jié)婚紀念日的禮物。 那個那個物理學家答應(yīng)了。等他晚上回家時，太太滿心期物理學家答應(yīng)了。等他晚上回家時，太太滿心期望地等在門口，但他將一根鉛筆，遞到太太的手上望地等在門口，但他將一根鉛筆，遞到太太的手上。這。這難道就難道就是鉆石嗎？是鉆石嗎？太太的鼻子都差點氣歪了，但那位物理學家卻一本正經(jīng)地太太的鼻子都差點氣歪了，但那位物理學家卻一本正經(jīng)地說道：說道：“難道你不知道嗎？鉆石與鉛筆里面的石墨，

5、都是同一樣難道你不知道嗎？鉆石與鉛筆里面的石墨，都是同一樣物質(zhì)啊。物質(zhì)啊?！薄昂?，你騙我，鉆石可是世界上最堅硬昂貴的東西，而石哼，你騙我，鉆石可是世界上最堅硬昂貴的東西，而石墨，既便宜又柔軟，兩者怎么可能混為一談呢？墨，既便宜又柔軟，兩者怎么可能混為一談呢？”于是，太太大發(fā)脾氣，而且一定讓丈夫明天買一粒又大又亮的于是，太太大發(fā)脾氣，而且一定讓丈夫明天買一粒又大又亮的鉆石，才能算數(shù)鉆石，才能算數(shù)。鉆石、石墨、鉆石、石墨、富勒烯富勒烯鉆石、石墨、富勒烯鉆石、石墨、富勒烯C C6060制品與材料特性的關(guān)系制品與材料特性的關(guān)系如何入手如何入手材料科學的研究基點材料科學的研究基點 材料的四要素材料的四要

6、素 結(jié)構(gòu)決定材料的性能是自然界的永恒規(guī)律結(jié)構(gòu)決定材料的性能是自然界的永恒規(guī)律 組織結(jié)構(gòu)由成分與生產(chǎn)工藝決定組織結(jié)構(gòu)由成分與生產(chǎn)工藝決定 確定的組織及成分必須通過一定的合成加工手段來實確定的組織及成分必須通過一定的合成加工手段來實現(xiàn)現(xiàn) 確定的組織及成分必須通過分析研究發(fā)現(xiàn)，進而通過確定的組織及成分必須通過分析研究發(fā)現(xiàn)，進而通過改進加工工藝來實現(xiàn)改進加工工藝來實現(xiàn)材材料料設(shè)設(shè)計計的的工工作作范范圍圍課程學習內(nèi)容課程學習內(nèi)容第一章第一章 X X射線衍射分析射線衍射分析 X X射線的產(chǎn)生及其物理作用射線的產(chǎn)生及其物理作用 X X射線衍射原理射線衍射原理 X X射線衍射強度射線衍射強度 X X射線衍射方

7、法射線衍射方法 X X射線物相分析及其應(yīng)用射線物相分析及其應(yīng)用第二章第二章 電子顯微鏡電子顯微鏡第三章第三章 熱分析熱分析第四章第四章 紅外、紫外吸收光譜法紅外、紫外吸收光譜法實驗教學實驗教學課程學習方法課程學習方法 該課程基于該課程基于X X光及光電子微粒與材料的相互光及光電子微粒與材料的相互作用，講授利用作用，講授利用衍射、反射衍射、反射等物理現(xiàn)象，對材料等物理現(xiàn)象，對材料的微觀結(jié)構(gòu)、成分組成、物相結(jié)構(gòu)進行分析研究的微觀結(jié)構(gòu)、成分組成、物相結(jié)構(gòu)進行分析研究的各種現(xiàn)代分析方法。既學習掌握的各種現(xiàn)代分析方法。既學習掌握基礎(chǔ)理論知識基礎(chǔ)理論知識，又要掌握常用的又要掌握常用的X X光衍射、掃描電鏡

8、、光譜、熱分光衍射、掃描電鏡、光譜、熱分析等現(xiàn)代化檢測析等現(xiàn)代化檢測設(shè)備的使用操作設(shè)備的使用操作，注重，注重理論與實理論與實踐的結(jié)合踐的結(jié)合。 教學內(nèi)容進行了部分調(diào)整，提綱挈領(lǐng)、教學內(nèi)容進行了部分調(diào)整，提綱挈領(lǐng)、記好記好筆記筆記、及時復習及時復習。勤于思維，善于動手，在操作。勤于思維，善于動手，在操作分析中驗證學習相關(guān)理論，在進一步學習相關(guān)理分析中驗證學習相關(guān)理論，在進一步學習相關(guān)理論的基礎(chǔ)上拓寬思維，活學活用。論的基礎(chǔ)上拓寬思維，活學活用。學習要點：學習要點：3 3個問號個問號？是什么是什么 涵義涵義？為什么為什么 原理原理？做什么做什么 應(yīng)用應(yīng)用前言前言 材料分析測試方法是關(guān)于材料分析測試

9、方法是關(guān)于材料成分材料成分、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、微觀微觀形貌形貌與與缺陷缺陷等的等的分析分析、測試技術(shù)測試技術(shù)及其有關(guān)及其有關(guān)理論理論基基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 分類分類 基于電磁輻射及運動電子束和物質(zhì)相互作用的各基于電磁輻射及運動電子束和物質(zhì)相互作用的各種性質(zhì)建立的各種分析方法已經(jīng)成為材料分析測種性質(zhì)建立的各種分析方法已經(jīng)成為材料分析測試方法的重要組成部分，大體可分為試方法的重要組成部分，大體可分為衍射分析衍射分析、光譜分析光譜分析、能譜分析能譜分析和和電子顯微分析電子顯微分析四大類方法。四大類方法。前言前言 (1) (1)衍射分析衍射分析是以材料結(jié)構(gòu)分析為基本目的的是以材料結(jié)構(gòu)分析為基本目的的分析方法，包括分析方

10、法，包括X X射線衍射分析、電子衍射分析和中射線衍射分析、電子衍射分析和中子衍射分析等。子衍射分析等。 (2) (2)光譜分析光譜分析是以材料成分分析為基本目的的是以材料成分分析為基本目的的分析方法，包括各種吸收光譜分析方法、發(fā)射光譜分析方法，包括各種吸收光譜分析方法、發(fā)射光譜分析方法和散射光譜分析方法和散射光譜( (拉曼散射譜拉曼散射譜) )分析方法。分析方法。前言前言 (3) (3)能譜分析能譜分析是以是以材料成分分析材料成分分析為基本目的的為基本目的的分析方法，包括分析方法，包括光電子能譜光電子能譜、俄歇電子能譜、離子、俄歇電子能譜、離子中和譜和電子能量損失譜。中和譜和電子能量損失譜。

11、(4) (4)電子顯微分析電子顯微分析是以材料是以材料微觀形貌微觀形貌、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與與成分分析成分分析為基本目的。其中的一些分析方法也可歸為基本目的。其中的一些分析方法也可歸于光譜分析于光譜分析( (如電子探針如電子探針) )、能譜分析、能譜分析( (如電子激發(fā)俄如電子激發(fā)俄歇能譜歇能譜) )和衍射分析和衍射分析( (如電子衍射如電子衍射) )等范疇。透射電子等范疇。透射電子顯微鏡分析和掃描電子顯微分析及電子探針分析是顯微鏡分析和掃描電子顯微分析及電子探針分析是基本的電子顯微分析方法?；镜碾娮语@微分析方法。第一章第一章 X X射線衍射分析射線衍射分析 材料研究方法的研究對象是材料的材料研究方法

12、的研究對象是材料的組織組織、成分及成分及結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)； 采用的手段及方法是基于檢測對象對采用的手段及方法是基于檢測對象對電磁波及特電磁波及特征射線征射線的反應(yīng)；的反應(yīng)； 基礎(chǔ)是材料的基礎(chǔ)是材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及及電磁輻射電磁輻射。 1895 1895年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)年，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X X射線并對其射線并對其進行了研究。進行了研究。18961896年，在年，在NatureNature上發(fā)表論文，上發(fā)表論文，指出指出x x射線的幾個特點：可以被射線的幾個特點：可以被吸收吸收且吸收的程度且吸收的程度與與被輻射物質(zhì)被輻射物質(zhì)的原子量和密度有關(guān)；輕元素物質(zhì)的原子量和密度有關(guān)；輕元素物質(zhì)對對x x射

13、線幾乎射線幾乎透明透明，重元素物質(zhì)對，重元素物質(zhì)對X X射線有不同程度射線有不同程度吸收；能產(chǎn)生吸收；能產(chǎn)生熒光熒光，使照相底片感光。，使照相底片感光。 倫琴并未指出倫琴并未指出x x射線的本質(zhì)是什么射線的本質(zhì)是什么? ?19121912年，法國物理學家勞厄提出年，法國物理學家勞厄提出2 2個假設(shè)：個假設(shè)： x x射線是電磁波；射線是電磁波；x x射線能產(chǎn)生衍射。射線能產(chǎn)生衍射。上述假設(shè)通過硫酸銅單晶衍射實驗得到證實。上述假設(shè)通過硫酸銅單晶衍射實驗得到證實。 同時期，英國布拉格父子從反射角度提出設(shè)想：用同時期，英國布拉格父子從反射角度提出設(shè)想：用x射線照射線照射晶體中一系列相互平行原子面將會產(chǎn)

14、生反射，并認為只有反射射晶體中一系列相互平行原子面將會產(chǎn)生反射，并認為只有反射線相互疊加時反射才能發(fā)生，相互抵消時反射并不存在（線相互疊加時反射才能發(fā)生，相互抵消時反射并不存在（反射的反射的選擇性選擇性）。并推導出了布拉格方程：）。并推導出了布拉格方程：1913年，布拉格用年，布拉格用X分光計首次測出了分光計首次測出了NaCl晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)。通過這些研究，通過這些研究，x x射線學出現(xiàn)了射線學出現(xiàn)了2 2個分支：個分支：根據(jù)衍射花樣，在波長已知的情況下測定晶體結(jié)構(gòu)，根據(jù)衍射花樣，在波長已知的情況下測定晶體結(jié)構(gòu)，研究與結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種問題研究與結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種問題 X X射線

15、衍射線衍射學射學根據(jù)衍射花樣，在分光晶體結(jié)構(gòu)已知的情況下測定根據(jù)衍射花樣，在分光晶體結(jié)構(gòu)已知的情況下測定各種物質(zhì)發(fā)出的各種物質(zhì)發(fā)出的x x射線的波長和強度，研究物質(zhì)的原射線的波長和強度，研究物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和成分子結(jié)構(gòu)和成分 X X射線光譜學射線光譜學第一節(jié)第一節(jié) X X射線的產(chǎn)生及其物理作用射線的產(chǎn)生及其物理作用 一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ) 二、二、X X射線譜射線譜 三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 四、四、X X射線的探測與防護射線的探測與防護一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)1.1.原子的組成原子的組成 原子原子 (Atom) (Atom) 原子核原子核+ +核

16、外電子核外電子 電子電子 波波- -粒二象性粒二象性 軌道非固定軌道非固定，幾率最大的，幾率最大的 分布構(gòu)成分布構(gòu)成電子云層電子云層，近似，近似 認為核外電子在各自的軌認為核外電子在各自的軌 道道( (稱原子軌道稱原子軌道) )上運動并上運動并 用用“電子電子( (殼殼) )層層”形象化描形象化描 述電子的分布狀況述電子的分布狀況 一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)2. 2. 原子的激發(fā)原子的激發(fā) ( (1)1)基態(tài)基態(tài)：原子核外電子按照能量最低原理、泡利原子核外電子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特規(guī)則，分布于各能級上，處于能不相容原理、洪特規(guī)則，分布于各能級上，處于能量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)

17、。量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)。泡利不相容原理泡利不相容原理：原子中每個電子必須有：原子中每個電子必須有獨自獨自一組一組四個量子數(shù)四個量子數(shù)，一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相，一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子；同的兩個電子； 一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)例：一個原子中不會存在四個量子數(shù)完全相例：一個原子中不會存在四個量子數(shù)完全相同的電子，這句話說明了原子的核外電子的同的電子，這句話說明了原子的核外電子的排布遵循下列哪個原則（排布遵循下列哪個原則（ ）A. A. 泡利不相容原理泡利不相容原理 B. B. 洪特規(guī)則洪特規(guī)則C. C. 能量最低原則能量最低原則 D. D. 鮑林近似能級圖鮑林

18、近似能級圖一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)能量最低原則能量最低原則：電子總是按：電子總是按能量最低能量最低的狀態(tài)的狀態(tài)分布。分布。 洪特規(guī)則洪特規(guī)則：由原子光譜的事實總結(jié)出的多條：由原子光譜的事實總結(jié)出的多條規(guī)則。其基本原則是：基態(tài)多電子原子的電規(guī)則。其基本原則是：基態(tài)多電子原子的電子總是首先子總是首先自旋平行地自旋平行地、單獨地單獨地填入簡并軌填入簡并軌道道 。 一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)(2)(2)激發(fā)態(tài)、激發(fā)激發(fā)態(tài)、激發(fā) 原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)（激發(fā)態(tài)）的過程。原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài)（激發(fā)態(tài)）的過程。激發(fā)條件激發(fā)條件： 較高能級是空的或未填滿，由泡利不相容原理決定較高能級是空的或未

19、填滿，由泡利不相容原理決定 吸收能量等于兩能級能量差。吸收能量等于兩能級能量差。 愈接近原子核，電子能級愈低，電子愈穩(wěn)定；愈接近原子核，電子能級愈低，電子愈穩(wěn)定； 愈遠離，愈遠離， 愈高，愈高， 不穩(wěn)定。不穩(wěn)定。 電子可以在軌道間躍遷：低能級軌道電子可以在軌道間躍遷：低能級軌道高能級軌道（吸收能高能級軌道（吸收能量）量） 一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)（3 3）激發(fā)能激發(fā)能電子激發(fā)前后所處能級（能量）之差。電子激發(fā)前后所處能級（能量）之差。不穩(wěn)不穩(wěn) 定定，存在存在10108 810101010s s后返回基態(tài)。后返回基態(tài)。 （4 4）電子（能級）躍遷電子（能級）躍遷原子中電子受激向高能級躍遷

20、或由高向原子中電子受激向高能級躍遷或由高向低能級的躍遷。低能級的躍遷。分為：分為： 輻射躍遷輻射躍遷多余能量以電磁輻射形式放出；多余能量以電磁輻射形式放出； 無輻射躍遷無輻射躍遷多余能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。多余能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 （5 5）電離能電離能使原子中電子脫離原子核束縛的能量（使原子中電子脫離原子核束縛的能量（eVeV） 分為一次電離、二次電離等。分為一次電離、二次電離等。一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)一一次電離：原子失去一個電子次電離：原子失去一個電子二次電離：失去一個電子的離子再失去一個二次電離：失去一個電子的離子再失去一個電子電子依次依次類推，可發(fā)生三次電離、四次電離類推，可發(fā)生三次電離

21、、四次電離一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)3 3輻射的吸收與發(fā)射輻射的吸收與發(fā)射 電磁波通過某物質(zhì)時，從能量角度說分為：部分被電磁波通過某物質(zhì)時，從能量角度說分為：部分被散射散射，部分被部分被吸收吸收，部分被，部分被透過透過。 （1 1）輻射的吸收實質(zhì)輻射的吸收實質(zhì)：吸收輻射光子能量發(fā)生粒：吸收輻射光子能量發(fā)生粒子的能級子的能級 躍遷，躍遷， h h = =E=EE=E2 2E E1 1 不同物質(zhì)因能級躍遷類型不同不同物質(zhì)因能級躍遷類型不同對輻射的吸收對輻射的吸收不同不同能級躍遷不同能級躍遷不同輻射被吸收程度對輻射被吸收程度對或或的的分布分布吸收光譜不同。吸收光譜不同。一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁

22、輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：以光子激發(fā)原子所產(chǎn)生的激發(fā)和以光子激發(fā)原子所產(chǎn)生的激發(fā)和輻射過程稱為光電效應(yīng)。輻射過程稱為光電效應(yīng)。一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)（2）輻射的發(fā)射）輻射的發(fā)射 物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象，實質(zhì)是輻射躍遷。物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象，實質(zhì)是輻射躍遷。物質(zhì)的激發(fā)方式：物質(zhì)的激發(fā)方式： 非光激發(fā)非光激發(fā) 熱激發(fā)熱激發(fā)電弧電弧、火焰等產(chǎn)生熱粒子碰撞、火焰等產(chǎn)生熱粒子碰撞 電激發(fā)電激發(fā)電場加速電子轟擊電場加速電子轟擊 電磁輻射電磁輻射 一一次光子次光子 激發(fā)源光子激發(fā)源光子（光）激發(fā)（光）激發(fā) 二次光子二次光子 躍遷后發(fā)射光子（熒

23、光或磷光）躍遷后發(fā)射光子（熒光或磷光）物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度對物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度對或或的分布稱為的分布稱為發(fā)射光譜，光致發(fā)光則稱為發(fā)射光譜，光致發(fā)光則稱為熒（磷）光光譜熒（磷）光光譜，不同物質(zhì)具有特定的特征發(fā)射光不同物質(zhì)具有特定的特征發(fā)射光 譜譜；熒光吸；熒光吸收一次光子與發(fā)射二次光子的時間短（收一次光子與發(fā)射二次光子的時間短（108104），而磷光的時間長，在），而磷光的時間長，在10410s間。間。一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ) 分子發(fā)光分子發(fā)光：處于基態(tài)的分子吸收能量：處于基態(tài)的分子吸收能量( (電、熱、電、熱、化學和光能等化學和光能等) )被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，然后從不穩(wěn)定的激被激發(fā)至

24、激發(fā)態(tài)，然后從不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)并發(fā)射出光子，此種現(xiàn)象稱為發(fā)光。發(fā)態(tài)返回至基態(tài)并發(fā)射出光子，此種現(xiàn)象稱為發(fā)光。發(fā)光分析包括熒光、磷光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。發(fā)光分析包括熒光、磷光、化學發(fā)光、生物發(fā)光等。 熒（熒（磷磷）光光譜：）光光譜：光致發(fā)光所得到的光譜光致發(fā)光所得到的光譜一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)（3 3）光譜的分類光譜的分類 吸收、發(fā)射、散射（拉曼散射譜）。吸收、發(fā)射、散射（拉曼散射譜）。 吸收與發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同，吸收與發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同，可分為可分為原子光譜原子光譜與與分子光譜分子光譜。 由于物質(zhì)微粒能級躍遷的類型不同由于物質(zhì)微粒能級躍遷的類型

25、不同能級差不能級差不同同吸收與發(fā)射譜波長范圍不同吸收與發(fā)射譜波長范圍不同紅外、紫外、可紅外、紫外、可見光、見光、X X射線譜。射線譜。一、電磁輻射基礎(chǔ)一、電磁輻射基礎(chǔ)按強度對波長的分布分為：按強度對波長的分布分為：線光譜：線光譜：某些特征波長位置有很高的狹仄譜線，有特某些特征波長位置有很高的狹仄譜線，有特征信息征信息帶帶光譜：光譜：多條波長相近的譜線形成的譜帶，有特征信多條波長相近的譜線形成的譜帶，有特征信息息連續(xù)光譜：連續(xù)光譜：強度對波長連續(xù)分布，無特征信息，在光強度對波長連續(xù)分布，無特征信息，在光譜分析中，易遮蓋特征譜，干擾分析譜分析中，易遮蓋特征譜，干擾分析二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線

26、的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜1 1X X射線的產(chǎn)生原理射線的產(chǎn)生原理 陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運動電子與物陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運動電子與物質(zhì)碰撞產(chǎn)生（質(zhì)碰撞產(chǎn)生（1 1能量），其余能量），其余9999轉(zhuǎn)為熱能。轉(zhuǎn)為熱能。 2 2X X射線產(chǎn)生條件射線產(chǎn)生條件 1 1）產(chǎn)生自由電子）產(chǎn)生自由電子 2 2）使電子做定向高速運動）使電子做定向高速運動 3 3）運動路徑設(shè)置使其突然減速的障礙物）運動路徑設(shè)置使其突然減速的障礙物 二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜3 3X X射線管射線管 相當于一個真空度為相當于一個真空度為10105 510107 7mmHgmmHg的大

27、真空二極管的大真空二極管 （1 1）基本組成）基本組成 1 1）陰極陰極：W W絲制成，發(fā)射熱電子。絲制成，發(fā)射熱電子。 2 2）陽極陽極：亦稱靶：亦稱靶使電子突然減速，發(fā)射使電子突然減速，發(fā)射X X射線。射線。 常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜3 3）窗口窗口X X射線從陽極向外射出區(qū)射線從陽極向外射出區(qū)，鈹制鈹制，高真高真空空，對對X X 射線吸收小。射線吸收小。 4 4）焦點焦點陽極靶被電子轟擊發(fā)射出陽極靶被電子轟擊發(fā)射出X X射線處。射線處。二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X

28、X射線譜射線譜4 4X X射線分類射線分類（0.010.01100100） （1 1）硬硬X X射線射線波長較短，能量較高，穿透力強，波長較短，能量較高，穿透力強，用于無損探傷（用于無損探傷（0.050.051 1 ）及金屬的物相分析）及金屬的物相分析（0.50.52.5 2.5 ）。）。 （2 2）軟軟X X射線射線（1010100100）：穿透力弱，主要用于）：穿透力弱，主要用于醫(yī)學。醫(yī)學。二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜5 5X X射線譜射線譜 指指X X射線強度隨波長變化的關(guān)系曲線，分為：射線強度隨波長變化的關(guān)系曲線，分為：（1 1）連續(xù)連續(xù)X X射線譜射線譜

29、1 1）定義：具有連續(xù)波長，）定義：具有連續(xù)波長， 亦稱多色亦稱多色X X射線。為高速運動射線。為高速運動 的電子被靶突然阻止而產(chǎn)生，的電子被靶突然阻止而產(chǎn)生， 絕大多數(shù)電子絕大多數(shù)電子經(jīng)歷多次碰撞經(jīng)歷多次碰撞， 產(chǎn)生能量各不相同的輻射，產(chǎn)生能量各不相同的輻射， 形成連續(xù)譜。形成連續(xù)譜。二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜連續(xù)波在短波方向上有一波長極限連續(xù)波在短波方向上有一波長極限（0），是指光子），是指光子 一次碰撞就耗盡能量一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的X射線。射線。 eU=hmax=hc/0 0=hc/eU=1.24/U (nm) e電子電荷，等于電子電荷，等于1.610

30、19 C； U電子通過兩極時的電壓降；電子通過兩極時的電壓降； h普朗克常數(shù)，等于普朗克常數(shù)，等于6.6261034 Js 二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜UImax在在1.50處，此時波長記處，此時波長記為為m二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜3）X射線強度射線強度 指垂直于指垂直于X射線傳播方向的單位面積在單位時間射線傳播方向的單位面積在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。 用用I表示，單位表示，單位 J/cm2.s 。 I由光子能量由光子能量h及其數(shù)目及其數(shù)目n共同決定共同決定: Inh 二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射

31、線譜射線譜 連續(xù)連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度，也是陽極靶射出射線的總強度，也是陽極靶射出X射線的總射線的總能量：能量： I連連iZUm i電流；電流；U電壓；電壓；m2； Z原子序數(shù)；原子序數(shù)；（1.11.4）10-9 陽極靶只能影響連續(xù)譜的強度，陽極靶只能影響連續(xù)譜的強度，不能影響不能影響其波長分布。其波長分布。二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜（射線管效率）（射線管效率） I連連/功率功率iiZU2/iUiZU i（1.11.4）10-9 當使用鎢陽極（當使用鎢陽極（Z=74），管電壓為），管電壓為100KV，

32、=1%，可見效率低，多發(fā)熱，故要用可見效率低，多發(fā)熱，故要用高熔點金屬高熔點金屬做陽極做陽極且水冷。且水冷。 二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜： a、同一陽極靶，管電壓、同一陽極靶，管電壓U不變，不變，提高管電流提高管電流i ，各波長射線的強度各波長射線的強度I 提高，但提高，但0和和m不變不變； b、提高管電壓提高管電壓（i、Z不變），各波長射線的不變），各波長射線的I增增大，但短波限大，但短波限0 和強度最大時對應(yīng)的和強度最大時對應(yīng)的m減小減??； c、U與與i相同時，原子序數(shù)相同時，原子序數(shù)Z越高，連續(xù)譜的越高，連續(xù)譜的I越大，越大，但但0和和m不變不變二、二、X射線的產(chǎn)生

33、及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜：在連續(xù)譜基礎(chǔ)上：在連續(xù)譜基礎(chǔ)上 疊加若干條具有一定波長的疊加若干條具有一定波長的 譜線，這些譜線強度峰的譜線，這些譜線強度峰的波波 長反應(yīng)了物質(zhì)原子序數(shù)的特長反應(yīng)了物質(zhì)原子序數(shù)的特 征，征，所以叫所以叫；由；由 特征射線組成的譜線叫特征射線組成的譜線叫。 ：產(chǎn)生特征：產(chǎn)生特征X射線射線 的最低電壓的最低電壓UK臨界電壓臨界電壓。二、二、X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜2）特征）特征： 電壓達到電壓達到U臨界臨界時，時，特征譜特征譜 線的線的不變不變，強度按強度按n次次方的方的 規(guī)律增大規(guī)律增大。即：波長反映了。即：波長反映了 原子序數(shù)的特征。原子序數(shù)的特征

34、。如如: 鉬靶鉬靶K系特征系特征X射線有兩個強度高峰射線有兩個強度高峰K和和K，波，波長分為長分為0.71和和0.63. I特特/I連連在在U/U臨界臨界35 時最大時最大。 二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜 如：如：K K層電子被擊出層電子被擊出 時，系統(tǒng)能量由基態(tài)時，系統(tǒng)能量由基態(tài) 升高到升高到K K激發(fā)態(tài)，高激發(fā)態(tài)，高 能層電子向能層電子向K K層空位層空位 填充時，產(chǎn)生填充時，產(chǎn)生K K系輻系輻 射；把其中射；把其中L L層電子層電子 填充空位稱為填充空位稱為K K輻射輻射 M M層電子填充空位產(chǎn)層電子填充空位產(chǎn) 生生K K輻射。輻射。二、二、X X射線的產(chǎn)生及

35、射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜 由能級知由能級知K K輻射光子能量大于輻射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K層與層與L L層為相鄰層為相鄰能級，能級，L L填充幾率大填充幾率大，故實際，故實際K K強度約為強度約為K K強度的強度的5 5倍倍。 同理，同理，L L層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征X X射線稱為射線稱為L L系輻射系輻射或或L L系系射線，射線，L L層內(nèi)不同亞能級電子向?qū)觾?nèi)不同亞能級電子向K K層躍遷所發(fā)射的層躍遷所發(fā)射的K K11和和K K22的關(guān)系的關(guān)系是是 K1K1K2K2， I IK1K12I2IK2K2 對于多重線系，如對于多重線系，如L L

36、2 2及及L L3 3層電子向?qū)与娮酉騅 K層躍遷，形成的層躍遷，形成的KK有如有如下關(guān)系下關(guān)系 ： KK2/32/3K1K1+1/3+1/3K2K2 二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜莫塞萊定律莫塞萊定律 莫塞萊定律莫塞萊定律: :標識特征標識特征X X射線譜的頻率和波長只射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。特性。 莫塞萊定律：標識特征莫塞萊定律：標識特征X X射線譜的波長射線譜的波長與原與原子序數(shù)子序數(shù)Z Z的關(guān)系為：的關(guān)系為：1/()C Z 二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線

37、譜射線譜 在多晶材料的衍射分析中，總是希望應(yīng)用以特在多晶材料的衍射分析中，總是希望應(yīng)用以特征譜為主的單征譜為主的單 色光源，即色光源，即I I特特I I連連盡可能高。為了盡可能高。為了使使K K系譜線突出系譜線突出，x x射線管適宜的工作電壓一般比射線管適宜的工作電壓一般比K K系系激發(fā)電壓高激發(fā)電壓高3 35 5倍，即：倍，即：U U工作工作= =（3 35 5）U U臨界臨界（即（即U UK K）；下表給出常用）；下表給出常用x x射線管的適宜工作電壓及特征射線管的適宜工作電壓及特征譜波長等數(shù)據(jù)。譜波長等數(shù)據(jù)。二、二、X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X X射線譜射線譜三、三、X X射線與物質(zhì)

38、的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 X X射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后，內(nèi)容和過程復射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后，內(nèi)容和過程復雜，然就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束雜，然就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X X光通過物質(zhì)時，分光通過物質(zhì)時，分為三部分：為三部分：散射散射、吸收吸收、透過透過。三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1 1X X射線的散射射線的散射 X X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生相干散射相干散射和和非相干非相干散射散射。 （1 1）相干散射：物質(zhì)中電子在）相干散射：物質(zhì)中電子在X X射線作用下振動，射線作用下振動，產(chǎn)生的產(chǎn)生的新電磁波波長和頻率相同新電磁波波長和頻率相同，位相差恒

39、定，產(chǎn)，位相差恒定，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，發(fā)生相干散射。生干涉現(xiàn)象，發(fā)生相干散射。 （2 2）非相干散射特征：）非相干散射特征： X X射線光子與射線光子與束縛力不大的外層電子或自由束縛力不大的外層電子或自由電子發(fā)生非彈電子發(fā)生非彈 性碰撞性碰撞使波長增大；使波長增大； 電子獲得能量成為反沖電子；電子獲得能量成為反沖電子； 位向差不恒定，無干涉發(fā)生。位向差不恒定，無干涉發(fā)生。三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2 2X X射線的吸收射線的吸收 X X射線通過物質(zhì)時發(fā)生能量損失，吸收的能量射線通過物質(zhì)時發(fā)生能量損失，吸收的能量引發(fā)物質(zhì)中原子內(nèi)部的電子躍遷，發(fā)生引發(fā)物質(zhì)中原子內(nèi)部的電子躍

40、遷，發(fā)生X X射線的光電射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。 （1 1）二次特征輻射）二次特征輻射 當入射當入射x x射線光子射線光子能量達到某一閾值能量達到某一閾值可擊出物可擊出物質(zhì)原子內(nèi)層電子時，產(chǎn)生光電效應(yīng)形成二次特征輻質(zhì)原子內(nèi)層電子時，產(chǎn)生光電效應(yīng)形成二次特征輻射。與此能量閾值相應(yīng)的波長稱為物質(zhì)的射。與此能量閾值相應(yīng)的波長稱為物質(zhì)的吸收限吸收限, , 亦稱為亦稱為K K系特征輻射的系特征輻射的激發(fā)限激發(fā)限，用，用K K代表。代表。 產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：X X射線光子波長必須小射線光子波長必須小于于吸收限吸收限k k。 輻射輻射條件：激發(fā)限條件：激發(fā)限K K=1

41、.24/U=1.24/UK K （nmnm） U UK K把原子中把原子中K K殼層電子擊出原軌道所需殼層電子擊出原軌道所需要的最小激發(fā)電壓；要的最小激發(fā)電壓；三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 K在討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時叫做在討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時叫做K系激發(fā)限系激發(fā)限；若討論若討論x射線被物質(zhì)吸收射線被物質(zhì)吸收(光電吸收光電吸收)時，又可把時，又可把K叫叫吸收限吸收限。 推導推導: 為產(chǎn)生為產(chǎn)生K系熒光輻射，入射光子的能量系熒光輻射，入射光子的能量h必須必須大于或等于大于或等于K層層 電子的逸出功電子的逸出功WK，即即hhc/eUK hc/eUK=1.24/UK=K

42、 說明：當入射說明：當入射x射線波長剛好小于等于射線波長剛好小于等于K時，時，可發(fā)生此種物質(zhì)對波長為可發(fā)生此種物質(zhì)對波長為k的的X射線的強烈吸射線的強烈吸收，而且正好在收，而且正好在K1.24UK時吸收最為時吸收最為嚴重，形成所謂的吸收邊，此時熒光散射也嚴重，形成所謂的吸收邊，此時熒光散射也最嚴重。最嚴重。三、三、X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用（2）X射線的吸收射線的吸收 X射線透過物質(zhì)時，因散射和吸收作用，透射射線透過物質(zhì)時，因散射和吸收作用，透射方向強度必定減弱。方向強度必定減弱。 1）朗伯定律朗伯定律：單色光照射到均勻介質(zhì)上，均勻介質(zhì)：單色光照射到均勻介質(zhì)上，均勻介質(zhì)對光強的衰減對光強的衰減 程度，即介質(zhì)原子對入射光子的吸收程度，即介質(zhì)原子對入射光子的吸收幾率，與介質(zhì)的厚度（幾率，與介質(zhì)的厚度（t）成）成 正比。正比。 dIt/It=-dt 比例常數(shù)，與入射線波長及物質(zhì)有關(guān)，稱比例常數(shù)，與入射線波長及物質(zhì)有關(guān)，稱為該物質(zhì)對入射為該物質(zhì)對入射X 射線的衰減系數(shù)，亦稱為線衰減射線的衰減系數(shù)，亦稱為線衰減系數(shù)。系數(shù)。 上式積分得：上式積分得：It= I0e-t t為介質(zhì)厚度；為介質(zhì)厚度；I/I0稱為穿透系數(shù)稱為