無機材料測試技術(shù)課件

1、無機材料測試技術(shù) 授課人：曹春娥 盧希龍 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料學(xué)院2022/8/7本課程的作用教學(xué)的基本要求考核方式緒論2022/8/7一、本課程的作用“無機非金屬材料工程”是教育部21世紀(jì)初一般院校工科人才培養(yǎng)模式改革研究與實踐項目的優(yōu)勢專業(yè)，也是江西省首批品牌專業(yè)。無機材料測試技術(shù)是該專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，也是重要的實驗技術(shù)課。本課程在無機非金屬材料研究領(lǐng)域中起著不同尋常的作用，它們將“無機非金屬材料工程”專業(yè)的核心問題“組成結(jié)構(gòu)性能”有機地聯(lián)系在一起，從而實現(xiàn)本專業(yè)人才培養(yǎng)的目標(biāo)。 2022/8/7二、教學(xué)基本要求 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)

2、）的基本原理與各種研究方法與測試技術(shù)的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點；2. 對正在發(fā)展完善之中的新測試技術(shù)在相應(yīng)的章節(jié)里作簡略介紹，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(xiàn)的能力； 2022/8/73. 通過實驗課的訓(xùn)練，以培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)作風(fēng)和態(tài)度，使他們加深理解基本原理、熟悉儀器設(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理與進(jìn)行物相鑒定的能力，并具備采用必要測試技術(shù)對無機非金屬材料進(jìn)行物相分析的基本能力，為今后的畢業(yè)課題研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。2022/8/7三、考核方式考試成績?yōu)?0%，平時成績?yōu)?0%。平時成績由作業(yè)、實驗、考勤、課堂紀(jì)律等組成?？芍贫ㄏ嚓P(guān)

3、獎懲制度,在第一次課向?qū)W生公布，獎懲分?jǐn)?shù)在總評后的成績中直接加減。按百分制將成績計算出后，再折算為考查課的五級記分，即優(yōu)、良、中、及格、不及格。2022/8/7 一、X射線衍射分析二、電子顯微分析三、熱分析主要內(nèi)容2022/8/7第一篇 X射線衍射分析技術(shù)第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ) 11 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì) 12 X射線譜13 X射線與物質(zhì)的相互作用2022/8/711 X射線的產(chǎn)生及性質(zhì) 1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線，后人為了紀(jì)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)中的應(yīng)用十分廣泛，在硅酸鹽材料工業(yè)及材料科學(xué)中X射線物相分析是一種重要分析方法。

4、2022/8/71895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線。（1901年獲得首屆諾貝爾獎）1912年，德國的Laue第一次成功地進(jìn)行X射線通過晶體發(fā)生衍射的實驗，驗證了晶體的點陣結(jié)構(gòu)理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門新的學(xué)科X射線衍射晶體學(xué)。 （1914年獲得諾貝爾獎）1913年，英國Bragg導(dǎo)出X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并測定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)。（ 1915年獲得諾貝爾獎)2022/8/7 此外，巴克拉（1917年，發(fā)現(xiàn)元素的標(biāo)識X射線），塞格巴恩（1924年，X射線光譜學(xué)），德拜（1936年）、馬勒（1946年）、柯馬克（1979

5、年）等人由于在X射線及其應(yīng)用方面研究而獲得化學(xué)、生物、物理諾貝爾獎。有機化學(xué)家豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應(yīng)用X射線分析的以直接法測定晶體結(jié)構(gòu)的純數(shù)學(xué)理論，特別對研究大分子生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面起了重要推進(jìn)作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學(xué)獎。 莫賽萊于1914年發(fā)現(xiàn)標(biāo)識X射線的波長與原子序數(shù)的關(guān)系，奠定了X射線光譜學(xué)的基礎(chǔ)。2022/8/7X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、宇宙射線一樣也是一種電磁波或電磁輻射，它的波長為10-1210-8m ，在電磁波譜中位于紫外線與 射線之間并與它們部分相重疊。一般波長短的X射線穿透能力強，稱為硬X射線，反之則稱為軟X射線。用于

6、晶體衍射分析常用的X射線波長約在2.5到0.5 之間。2022/8/7 高能輻射區(qū) 射線 能量最高，來自于核能級躍遷 射線 來自內(nèi)層電子能級的躍遷 光學(xué)光譜區(qū) 紫外光 來自原子和分子外層電子能級的躍遷 可見光 紅外光 來自分子振動和轉(zhuǎn)動能級的躍遷 波譜區(qū) 微波 來自分子轉(zhuǎn)動能級及電子自旋能級躍遷 無線電波 來自原子核自旋能級的躍遷續(xù)前電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列 射線 X 射線紫外光可見光紅外光微波無線電波波長長2022/8/7X射線產(chǎn)生的原理電磁原理： 當(dāng)帶電粒子在加速或減速過程中，會釋放出電磁波，在巨大加速或減速過程中，所釋放的電磁波具有高能量，當(dāng)其波長在10-1210-8m則成X光。

7、2022/8/7 當(dāng)高速加速的電子束撞擊陽極靶時，高速電子受到靶原子的阻擋，急速停下來，其部分動能則以X光的形式釋放出來。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：c/ E2022/8/7 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)。2022/8/7 X-射線：波長0.00110nm的電磁波高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生X射線輻射。X射線的產(chǎn)

8、生2022/8/7X光管工作情形2022/8/7X射線產(chǎn)生必須具備的三個基本條件： () 產(chǎn)生自由電子 () 使電子作定向高速運動 () 有障礙物使其突然減速2022/8/7X射線的性質(zhì) 是電磁波，具有波粒二象性。 =h=h(c/) ， P=h/；能被物質(zhì)吸收，會產(chǎn)生干涉、衍射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象；與可見光比較，差別主要在波長和頻率。 具有很強的穿透能力，通過物質(zhì)時可被吸收使其強度減弱，能殺傷生物細(xì)胞。 沿直線傳播，光學(xué)透鏡、電場、磁場不能使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。2022/8/7小結(jié) 一、X 射線的產(chǎn)生 X射線準(zhǔn)直縫晶體勞厄斑證實了X射線的波動性勞厄（Laue）實驗（1912）-KAX射線X射線管+X射線

9、: 10-2102二、X射線的性質(zhì)2022/8/712 X射線譜1、連續(xù)X射線譜2、X射線特征光譜2022/8/71連續(xù)X射線譜定義：是具有連續(xù)變化波長的X射線，也稱多色X射線。 產(chǎn)生機理：主要有兩種解釋。 經(jīng)典物理學(xué)理論認(rèn)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靶上時，由于到達(dá)靶面上的時間和被減速的情況各不相同，因此產(chǎn)生的電磁波具有連續(xù)的各種波長。近代量子理論認(rèn)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)出波長不同。 2022/8/7連續(xù)X射線譜的特點 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，具有極大能量的光子波長，即為短

10、波極限0 。 當(dāng)：ev=hmax=hc/0 有短波極限：0=12400/v2022/8/7 特征 i固定，V變化（升高） 在一連續(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。2022/8/72022/8/7X射線強度X射線強度：在單位時間內(nèi)通過垂直于X射線傳播方向的單位面積上的光子數(shù)目的能量總和。理解要領(lǐng)： 強度是由光子的能量和數(shù)目兩個因素決定的，所以連續(xù)X射線的強度不在光子能量最大的0處。2022/8/72.特征X射線譜定義產(chǎn)生機理作用2022/8/7特征X射線譜定義：是具有特定波

11、長的X射線， 也稱單色X射線。2022/8/7X射線特征譜的產(chǎn)生 X射線特征譜涉及核內(nèi)層電子能級的改變。當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子）或X射線光子撞擊原子時，會使原子內(nèi)層的一個電子被撞出，而使該原子處于受激態(tài)。被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個電子所填充，在此電子層上又形成新的空位，該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過一系列的躍遷（LK，ML，NM），直至受激原子回到基態(tài)。 2022/8/7特征光譜產(chǎn)生：碰撞躍遷(高) 空穴躍遷(低)特征譜線的頻率： R=1.097107 m-1,Rydberg常數(shù)；核外電子對核電荷的屏蔽常數(shù)；n電子殼層數(shù)；c光速；Z原子序數(shù) 不同

12、元素具有自己的特征譜線定性基礎(chǔ) 。 2022/8/72022/8/7躍遷定則：(1)主量子數(shù) n0 (2)角量子數(shù) L=1(3)內(nèi)量子數(shù) J=1，0 J為L與磁量子數(shù)矢量和S， n=1,2,3，可分為 線系, 線系, 線系；LK層K： K1 、 K2 MK層K ： K1 、 K2 NK層K ： K 1 、 K 2 M L 層L ： L1 、 L2 NL層L ： L 1 、 L 2 NM層M； M1 、M2 2022/8/7特征光譜定性依據(jù)LK層；K 線系；n1 =2，n2 =1；不同元素具有自己的特征譜線 定性基礎(chǔ)；譜線強度定量；2022/8/7 這一系列躍遷（除無輻射躍遷外）都以X射線的形式

13、放出能量，即發(fā)射特征的X射線光譜。產(chǎn)生特征X射線光譜線的示意圖 如下： 2022/8/7特征X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)這個公式表明：只要是同種原子，不論它所處的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)如何，它發(fā)出的特征X射線均具有相同波長。2022/8/7特征X射線小結(jié)1） 定義：是具有特定波長的X射線，也 稱單色X射線。2） 產(chǎn)生機理：入射電子能量等于或大于物質(zhì)原子中K層電子的結(jié)合能，將K層電子激發(fā)掉，外層電子會躍遷到K層空位，因外層電子能量高，多余的能量就會以X射線的形式輻射出來，兩個能級之間的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波長也是固定的： En2En

14、1= h（c/）2022/8/7特征X射線小結(jié)3）特征譜結(jié)構(gòu) K系特征譜 ： K、K、K, K(K1、K2) 4）與Z的關(guān)系 1/K(Z) 熒光X射線光譜分析（XRF、XFS）2022/8/713 X射線與物質(zhì)的相互作用 散射 相干 非相干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 2022/8/7一.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)相干散射(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干散射2022/8/7一.X射線的散射 （1）相干散射 X射線

15、 光量子 碰撞(原子中束縛較緊、Z較大電子)新振動波源群（原子中的電子）；與X射線的周期、頻率相同，方向不同。 實驗可觀察到該現(xiàn)象，這是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)，也即測量晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)。2022/8/7（2）非相干散射Comptom 散射、非彈性散射；Comptom-吳有訓(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， 不相干 = - = K (1-cos2) K 與散射體和入射線波長有關(guān)的常數(shù)； Z，非相干散射； 在衍射圖上出現(xiàn)連續(xù)背景。2022/8/7二X射線吸收1.光電效應(yīng)與俄歇效應(yīng) (1) 光電效應(yīng)以X射線產(chǎn)生X射線的過程。 (2) 俄歇效應(yīng)以X射線產(chǎn)生X射線，

16、但該射線不輻射出而是再激發(fā)其它電子的過程。 2022/8/7 俄歇電子能譜分析（AES） 光電子能譜分析（ESCA） X射線光電子能譜分析（XPS） 紫外光電子能譜分析（UPS） 俄歇電子與熒光X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)生熒光X射線。2022/8/7吸收限激發(fā)（吸收）限與激發(fā)電壓k12.4/vk k稱為激發(fā)限，從X射線吸收的角度講又可稱吸收限，Vk稱 K系激發(fā)電壓。2022/8/72. 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X射線強度衰減： I=I0e-t I為透過強度，I0為入射強度，線吸收系數(shù)，t為厚度。 2022/8/7因為：=m (為密度)則有：I=I0e-mt （m為質(zhì)量吸收系數(shù)）若吸收體是化合物時：m=m i w i m i、w i分別為各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)和重量百分?jǐn)?shù) m與、z的關(guān)系 mk3Z3 吸收限、吸收限波長（k）2022/8/7元素的X射線吸收光譜吸收限(吸收邊)：一個特征X射線譜系的臨界激發(fā)波長，即m突變點對應(yīng)的波長。 在元素的X射線吸收光譜中， m 發(fā)生突變；呈現(xiàn)非連續(xù)性；上一個譜系的吸收結(jié)束，下一個譜系的吸收開始。 能級(MK), 吸收限(波長)， 激發(fā)需要的能量。2022/8/73. 吸收限的應(yīng)用 濾波片的選擇 選擇原則：KK濾K Z濾= Z靶1 （Z靶40) Z濾=