無機材料測試技術(shù)ppt課件

1、無機資料測試技術(shù)無機資料測試技術(shù) 授課人：曹春娥 盧希龍 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院資料學(xué)院本課程的作用教學(xué)的根本要求考核方式緒論一、本課程的作用“無機非金屬資料工程是教育部工程的優(yōu)勢專業(yè)，也是江西省首批品牌專業(yè)。是該專業(yè)的主干專業(yè)根底課，也是重要的實驗技術(shù)課。本課程在無機非金屬資料研討領(lǐng)域中起著不同尋常的作用，它們將“無機非金屬資料工程專業(yè)的中心問題“組成構(gòu)造性能有機地聯(lián)絡(luò)在一同，從而實現(xiàn)本專業(yè)人才培育的目的。 二、教學(xué)根本要求 1. 掌握各種測試技術(shù)主要指X射線衍射技術(shù)，電子顯微分析技術(shù)和熱分析技術(shù)的根本原理與各種研討方法與測試技術(shù)的運用范圍及優(yōu)缺陷；2. 對正在開展完善之中的新測試技術(shù)在相應(yīng)的章節(jié)里

2、作簡單引見，使學(xué)生對這些現(xiàn)代測試技術(shù)有所了解，提高閱讀科技文獻的才干； 3. 經(jīng)過實驗課的訓(xùn)練，以培育學(xué)生的嚴謹科學(xué)作風(fēng)和態(tài)度，使他們加深了解根本原理、熟習(xí)儀器設(shè)備的構(gòu)造與性能，對電子顯微分析照片、X射線衍射圖譜和熱分析曲線等有分析處置與進展物相鑒定的才干，并具備采用必要測試技術(shù)對無機非金屬資料進展物相分析的根本才干，為今后的畢業(yè)課題研討任務(wù)打下堅實的根底。三、考核方式考試成果為70%，平常成果為30%。平常成果由作業(yè)、實驗、考勤、課堂紀律等組成。可制定相關(guān)獎懲制度,在第一次課向?qū)W生公布，獎懲分數(shù)在總評后的成果中直接加減。按百分制將成果計算出后，再折算為調(diào)查課的五級記分，即優(yōu)、良、中、及格、不

3、及格。 一、一、X射線衍射分析射線衍射分析二、電子顯微分析二、電子顯微分析三、熱分析三、熱分析主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一篇第一篇 X X射線衍射分析技術(shù)射線衍射分析技術(shù)第一章第一章 X射線物理學(xué)根底射線物理學(xué)根底 11 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì)射線的產(chǎn)生及性質(zhì) 12 X射線譜射線譜13 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用11 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì) 1895年德國物理學(xué)家倫琴在研討陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線，后人為了留念發(fā)現(xiàn)者也稱它為“倫琴射線。 X射線技術(shù)目前在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的運用非常廣泛，在硅酸鹽資料工業(yè)及資料科學(xué)中X射線物相分析是一種重要分析方法。1895年德國物理學(xué)家倫琴在研討陰年德國物理學(xué)家倫

4、琴在研討陰極射線時發(fā)現(xiàn)了極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線。射線。1901年年獲得首屆諾貝爾獎獲得首屆諾貝爾獎1912年，德國年，德國的的Laue第一次勝利地進展第一次勝利地進展X射線經(jīng)射線經(jīng)過晶體發(fā)生衍射的實驗，驗證了晶過晶體發(fā)生衍射的實驗，驗證了晶體的點陣構(gòu)造實際。并確定了著名體的點陣構(gòu)造實際。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而構(gòu)成的晶體衍射勞埃方程式。從而構(gòu)成了一門新的學(xué)科了一門新的學(xué)科X射線衍射晶體射線衍射晶體學(xué)。學(xué)。 1914年獲得諾貝爾獎年獲得諾貝爾獎1913年，英國年，英國Bragg導(dǎo)出導(dǎo)出X射線晶體構(gòu)造射線晶體構(gòu)造分析的根本公式，既著名的布拉格分析的根本公式，既著名的布拉格公式。并測定了

5、公式。并測定了NaCl的晶體構(gòu)造。的晶體構(gòu)造。 1915年獲得諾貝爾獎年獲得諾貝爾獎) 此外，巴克拉此外，巴克拉1917年，發(fā)現(xiàn)元素的標識年，發(fā)現(xiàn)元素的標識X射射線，塞格巴恩線，塞格巴恩1924年，年，X射線光譜學(xué)，射線光譜學(xué)，德拜德拜1936年、馬勒年、馬勒1946年、柯馬克年、柯馬克1979年等人由于在年等人由于在X射線及其運用方面射線及其運用方面研討而獲得化學(xué)、生物、物理諾貝爾獎。有研討而獲得化學(xué)、生物、物理諾貝爾獎。有機化學(xué)家豪普物曼和卡爾勒在機化學(xué)家豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立年代后建立了運用了運用X射線分析的以直接法測定晶體構(gòu)造射線分析的以直接法測定晶體構(gòu)造的純數(shù)學(xué)實際，特別對

6、研討大分子生物物質(zhì)的純數(shù)學(xué)實際，特別對研討大分子生物物質(zhì)構(gòu)造方面起了重要推進作用，他們因此獲構(gòu)造方面起了重要推進作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎。年諾貝爾化學(xué)獎。 莫賽萊于莫賽萊于1914年發(fā)現(xiàn)標識年發(fā)現(xiàn)標識X射線的波長與原子射線的波長與原子序數(shù)的關(guān)系，奠定了序數(shù)的關(guān)系，奠定了X射線光譜學(xué)的根底。射線光譜學(xué)的根底。X射線的本質(zhì) X射線與無線電波、紅外線、可見光、紫外線射線與無線電波、紅外線、可見光、紫外線射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，射線、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，它的波長為它的波長為10-1210-8m ，在電磁波譜中位于紫，在電磁波譜中位于紫外線與外線與 射

7、線之間并與它們部分相重疊。普通波長射線之間并與它們部分相重疊。普通波長短的短的X射線穿透才干強，稱為硬射線穿透才干強，稱為硬X射線，反之那么稱射線，反之那么稱為軟為軟X射線。用于晶體衍射分析常用的射線。用于晶體衍射分析常用的X射線波長約射線波長約在在2.5到到0.5 之間。之間。續(xù)前電磁波譜：電磁輻射按波長順序陳列 射線射線 X X 射線射線紫外光紫外光可見光可見光紅外光紅外光微波微波無線電波無線電波電磁原理：電磁原理： 當(dāng)帶電粒子在加速或減速過程中，會釋放當(dāng)帶電粒子在加速或減速過程中，會釋放出電磁波，在宏大加速或減速過程中，所出電磁波，在宏大加速或減速過程中，所釋放的電磁波具有高能量，當(dāng)其波

8、長在釋放的電磁波具有高能量，當(dāng)其波長在10-10-121210-8m10-8m則成則成X X光。光。 當(dāng)高速加速的電子束撞擊陽極靶時，高速電子遭到靶原子的阻撓，急速停下來，其部分動能則以X光的方式釋放出來。高速電子撞擊時減少的能量E 、所轉(zhuǎn)化出來的X光波長，根據(jù)愛因斯坦公式Ec/可表示為： 高速電子在撞擊到原子時，很容易將能量傳送給原子中的電子，而使原子離子化。當(dāng)原子內(nèi)層軌道的電子被激發(fā)后，其空位很快會被外層電子的躍入填滿，在此電子躍遷的過程中，由于不同軌道間的能量差，X光會隨著放出。 此過程所產(chǎn)生的X光與原子中電子軌道的能量有關(guān)。 X-射線：波長0.00110nm的電磁波高速電子撞擊使高速電

9、子撞擊使陽極元素的內(nèi)層陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生電子激發(fā)；產(chǎn)生X X射線輻射。射線輻射。X光管任務(wù)情形X射線產(chǎn)生必需具備的三個根本條件： () 產(chǎn)生自在電子 () 使電子作定向高速運動 () 有妨礙物使其忽然減速X射線的性質(zhì) 是電磁波，具有波粒二象性。是電磁波，具有波粒二象性。 =h=h(c/) =h=h(c/) ， P=h/P=h/；能被物質(zhì)吸收，會產(chǎn)生干涉、；能被物質(zhì)吸收，會產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等景象；與可見光比衍射和光電效應(yīng)等景象；與可見光比較，差別主要在波長和頻率。較，差別主要在波長和頻率。 具有很強的穿透才干，經(jīng)過物質(zhì)時具有很強的穿透才干，經(jīng)過物質(zhì)時可被吸收使其強度減弱，能殺傷

10、生物可被吸收使其強度減弱，能殺傷生物細胞。細胞。 沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場、磁沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場、磁場不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。場不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。小結(jié)小結(jié) 一、一、X X 射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 X射線射線準直縫準直縫晶晶體體勞厄斑勞厄斑證明了證明了X X射線的動搖性射線的動搖性勞厄勞厄Laue實驗實驗1912-KAX射線射線X X射線管射線管+X X射線射線 : 10-2 : 10-2102102A二、二、X X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)12 X射線譜1、延續(xù)、延續(xù)X射線譜射線譜2、X射線特征光譜射線特征光譜1延續(xù)X射線譜定義：是具有延續(xù)變化波長的定義：是具有延續(xù)變化波長的X射線，也稱多色射線，

11、也稱多色X射線。射線。 產(chǎn)活力理：主要有兩種解釋。產(chǎn)活力理：主要有兩種解釋。 經(jīng)典物理學(xué)實際以為是高速運動熱電子的動能經(jīng)典物理學(xué)實際以為是高速運動熱電子的動能變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽極變成電磁波輻射能。數(shù)量極大的電子流射到陽極靶上時，由于到達靶面上的時間和被減速的情況靶上時，由于到達靶面上的時間和被減速的情況各不一樣，因此產(chǎn)生的電磁波具有延續(xù)的各種波各不一樣，因此產(chǎn)生的電磁波具有延續(xù)的各種波長。長。近代量子實際以為是多次碰撞多次輻射的結(jié)近代量子實際以為是多次碰撞多次輻射的結(jié)果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出果。由于碰撞次數(shù)不同，所以能量不同，表現(xiàn)出波長不同。波長不同。

12、在陽極靶所輻射的全部光子中，光在陽極靶所輻射的全部光子中，光子能量的最大值不能大于電子的能量，子能量的最大值不能大于電子的能量，具有極大能量的光子波長，即為短波極具有極大能量的光子波長，即為短波極限限0 。 當(dāng)：當(dāng)：ev=hmax=hc/0 有短波極限：有短波極限：0=12400/v 特征 i固定，V變化升高 在一延續(xù)X射線譜上可看出： 各種波長射線的相對強度I都相應(yīng)地增高； 各曲線上都有短波極限，且短波極限值。逐漸變??； 各曲線的最高強度值(m)的波長逐漸變小。X射線強度射線強度X射線強度：在單位時間內(nèi)經(jīng)過垂直于射線強度：在單位時間內(nèi)經(jīng)過垂直于X射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目射線傳播方向

13、的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。的能量總和。了解要領(lǐng)：了解要領(lǐng)： 強度是由光子的能量和數(shù)目兩個要素決議強度是由光子的能量和數(shù)目兩個要素決議的，所以延續(xù)的，所以延續(xù)X射線的強度不在光子能量最射線的強度不在光子能量最大的大的0處。處。2.特征X射線譜定義定義產(chǎn)活力理產(chǎn)活力理作用作用特征X射線譜定義：是具有特定波長的定義：是具有特定波長的X射線，射線， 也稱單色也稱單色X射線。射線。X射線特征譜的產(chǎn)生特征光譜產(chǎn)生：特征光譜產(chǎn)生：碰撞碰撞躍遷躍遷(高高) ) 空穴空穴躍遷躍遷(低低) )特征譜線的頻率：特征譜線的頻率： 212221)(2121nnZcRhEEnnnn R=1.097R=1.0971

14、07 m-1,Rydberg107 m-1,Rydberg常數(shù)；常數(shù)；核外電子對核電荷的屏蔽常數(shù)；核外電子對核電荷的屏蔽常數(shù)；n n電子殼層數(shù)；電子殼層數(shù)；c c光速；光速；Z Z原子序數(shù)原子序數(shù) 不同元素具有本人的特征譜線不同元素具有本人的特征譜線定性根底定性根底 。 躍遷定那么：躍遷定那么：(1)(1)主量子數(shù)主量子數(shù) n0 (2) n0 (2)角量角量子數(shù)子數(shù) L= L=1 1(3)(3)內(nèi)量子數(shù)內(nèi)量子數(shù) J= J=1 1，0 0 J J為為L L與磁量子數(shù)矢量和與磁量子數(shù)矢量和S S， n=1,2,3n=1,2,3，可分為可分為 線系線系, , 線系線系, , 線系；線系；LKLK層層

15、K K： K K1 1 、 K K2 2 MKMK層層K K ： K K1 1 、 K K2 2 NK NK層層K K ： K K 1 1 、 K K 2 2 M L M L 層層L L ： L L1 1 、 L L2 2 NLNL層層L L ： L L 1 1 、 L L 2 2 NM NM層層M M； M M1 1 、M M2 2 特征光譜特征光譜定性根據(jù)定性根據(jù)LK層；層；K 線系；線系；n1 =2，n2 =1；212221)(2121nnZcRhEEnnnn2)()43(ZcRK2)(34ZRcKK不同元素具有本人的特征不同元素具有本人的特征譜線譜線 定性根底；定性根底；譜線強度譜線強

16、度定量；定量； 這一系列躍遷除無輻射躍遷外都以這一系列躍遷除無輻射躍遷外都以X射線的方射線的方式放出能量，即發(fā)射特征的式放出能量，即發(fā)射特征的X射線光譜。產(chǎn)生特征射線光譜。產(chǎn)生特征X射線光譜線的表示圖射線光譜線的表示圖 如下：如下： KLMNO核K1K2KLL電子層電離限產(chǎn)生光譜線的來源L特征特征X射線的作用射線的作用莫塞萊定律：1/K(Z)式中： 是波長；K 、常數(shù)； Z原子序數(shù)這個公式闡明：只需是同種原子，這個公式闡明：只需是同種原子，不論它所處的物理形狀和化學(xué)形狀不論它所處的物理形狀和化學(xué)形狀如何，它發(fā)出的特征如何，它發(fā)出的特征X射線均具有射線均具有一樣波長。一樣波長。特征特征X射線小結(jié)

17、射線小結(jié)1 定義：是具有特定波長的定義：是具有特定波長的X射線，也射線，也 稱單色稱單色X射線。射線。2 產(chǎn)活力理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中產(chǎn)活力理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中K層電子的層電子的結(jié)合能，將結(jié)合能，將K層電子激發(fā)掉，外層電子會躍遷到層電子激發(fā)掉，外層電子會躍遷到K層空位，因外層空位，因外層電子能量高，多余的能量就會以層電子能量高，多余的能量就會以X射線的方式輻射出來，兩個射線的方式輻射出來，兩個能級之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波長也能級之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波長也是固定的：是固定的： En2En1= hc/特征特征X射線小結(jié)

18、射線小結(jié)3特征譜構(gòu)造特征譜構(gòu)造 K系特征譜系特征譜 ： K、K、K, K(K1、K2) 4與與Z的關(guān)系的關(guān)系 1/K(Z) 熒光熒光X射線光譜分析射線光譜分析XRF、XFS13 X射線與物質(zhì)的相互作用 散射 相關(guān) 非相關(guān)X射線作用于物質(zhì) 吸收 光電效應(yīng) 俄歇效應(yīng) 透過衰減 一.X射線的散射 X射線的強度衰減：吸收+散射；X射線的 ， Z ，越易吸收，吸收散射，吸收為主； ， Z，穿透力越強； 對輕元素N、C、O而言，散射為主。(1)相關(guān)散射(經(jīng)典散射，彈性散射，湯姆遜散射)X射線碰撞新振動波源群相關(guān)散射一.X射線的散射 1相關(guān)散射 X射線 光量子 碰撞(原子中束縛較緊、Z較大電子)新振動波源群

19、原子中的電子；與X射線的周期、頻率一樣，方向不同。 實驗可察看到該景象，這是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的根底，也即丈量晶體構(gòu)造的物理根底。2非相關(guān)散射Comptom 散射、非彈性散射；散射、非彈性散射；Comptom-吳吳有訓(xùn)效應(yīng)；有訓(xùn)效應(yīng)； X射線非彈性碰撞 ，方向，變反沖電子 波長、周相不同，波長、周相不同， 不相關(guān)不相關(guān) = - = K (1-cos2) K 與散射體和入射線波長有關(guān)的常數(shù)； Z，非相關(guān)散射； 在衍射圖上出現(xiàn)延續(xù)背景。二X射線吸收1.光電效應(yīng)與俄歇效應(yīng)光電效應(yīng)與俄歇效應(yīng) (1) 光電效應(yīng)光電效應(yīng)以以X射線產(chǎn)生射線產(chǎn)生X射線射線的過程。的過程。 (2) 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)以以X射

20、線產(chǎn)生射線產(chǎn)生X射線，射線，但該射線不輻射出而是再激發(fā)其它電子但該射線不輻射出而是再激發(fā)其它電子的過程。的過程。 俄歇電子能譜分析俄歇電子能譜分析AES 光電子能譜分析光電子能譜分析ESCA X射線光電子能譜分析射線光電子能譜分析XPS 紫外光電子能譜分析紫外光電子能譜分析UPS 俄歇電子與熒光俄歇電子與熒光X射線在同一過程中產(chǎn)生，幾率射線在同一過程中產(chǎn)生，幾率之和為一；輕元素易產(chǎn)生俄歇電子，重元素易產(chǎn)之和為一；輕元素易產(chǎn)生俄歇電子，重元素易產(chǎn)生熒光生熒光X射線。射線。吸收限吸收限激發(fā)吸收限與激發(fā)電壓激發(fā)吸收限與激發(fā)電壓k12.4/vk k稱為激發(fā)限，從稱為激發(fā)限，從X射線吸收的射線吸收的角度講又可稱吸收限，角度講又可稱吸收限，Vk稱稱 K系激系激發(fā)電壓。發(fā)電壓。2. 吸收系數(shù) 線吸收系數(shù)與質(zhì)量吸收系數(shù)線吸收系數(shù)與質(zhì)量吸收系數(shù) 由于散射與吸收，透射方向上透過的由于散射與吸收，透射方向上透過的X射射線強度衰減：線強度衰減： I=I0e-t I為透過強度，為透過強度，I0為入射強度，為入射強度，線吸收系數(shù)，線吸收系數(shù)，t為厚度。為厚度。 由于：由于：=m (為密度為密度)那么有：那么有：I=I0e-mt m為質(zhì)量吸收系數(shù)為質(zhì)量吸收系數(shù)假設(shè)吸收體是化合物時：假設(shè)