第一章射線物理學(xué)基礎(chǔ)

第一章射線物理學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一考核方式最后考試形式平時(shí)考勤和作業(yè)記入成績教學(xué)改革X射線衍射相關(guān)的科研實(shí)例實(shí)驗(yàn)課程第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一緒論現(xiàn)代材料分析技術(shù)是一門試驗(yàn)方法課，采用：X射線衍射電子顯微鏡分析材料：微觀組織結(jié)構(gòu)顯微成分

第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一材料和材料科學(xué)材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代人們把信息、材料和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱。80年代以高技術(shù)群為代表的新技術(shù)革命，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。材料科學(xué)：是一門研究材料組成（成分）、結(jié)構(gòu)和性能以及它們之間關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)大廈由金屬材料、高分子材料和陶瓷材料三個(gè)支柱支撐。第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一貫穿一個(gè)主線：

工藝應(yīng)用組成結(jié)構(gòu)性能X射線衍射和電子顯微鏡表征微觀組織結(jié)構(gòu)第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝（合成與制備）、性能（性質(zhì)與使用性能）

第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一.材料的組織結(jié)構(gòu)和性能1.組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)決定性能是自然界永恒的規(guī)律。材料的性能（包括力學(xué)性能和物理性能）是由其內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的。2.微觀組織結(jié)構(gòu)控制認(rèn)識(shí)材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系及顯微組織結(jié)構(gòu)形成的條件和過程機(jī)理。控制顯微組織組織結(jié)構(gòu)性能第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.微觀組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容1.微觀化學(xué)成分（不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等）2.晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（面心立方、體心立方、位錯(cuò)、層錯(cuò)等）3.晶粒大小與形態(tài)（等軸晶、柱狀晶、枝晶等）4.相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布（球、片、棒、沿晶界聚集或均勻分布等）5.界面（表面、相界與晶界）6.位向關(guān)系（慣習(xí)面、孿生面、新相與母相）7.夾質(zhì)物8.內(nèi)應(yīng)力（噴丸表面、焊縫熱影響區(qū)等）第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三.傳統(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測試方法1.光學(xué)顯微鏡最常用、最簡單的觀察材料顯微組織的工具。直接觀察微觀組織形態(tài)。分辨率低（200nm）和放大倍數(shù)低（約1000倍）。不能觀察更小的組織形態(tài)和單元。只能觀察表面形態(tài)而不能觀察材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，更不能進(jìn)行微區(qū)成分分析。2.化學(xué)分析只能測平均成分，但不能給出所含元素的分布。光譜分析給出的結(jié)果也是平均成分。微觀成分的不均勻性不能檢測。

第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一四.X射線衍射與電子顯微鏡1.X射線衍射（X-RayDiffraction，XRD）

XRD是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)、晶體缺陷（位錯(cuò)等）、不同結(jié)構(gòu)相的含量及內(nèi)應(yīng)力的方法。是建立在一定晶體架構(gòu)模型基礎(chǔ)上的間接方法，即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號(hào)的特征去分析計(jì)算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。無法把形貌觀察和晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來。

X射線聚焦困難，最小區(qū)域在毫米數(shù)量級(jí)，不能對(duì)更小區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)選擇性分析。第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.電子顯微鏡（ElectronMicroscope,EM)

EM是用高能電子束作光源，用磁場作透鏡制造的具有高分辨率和高放大倍數(shù)的電子光學(xué)顯微鏡。

1）透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscope,TEM)。分辨率10－1nm，放大倍數(shù)106倍。組織形貌和晶體結(jié)構(gòu)。

2）掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）。分辨率1nm，放大倍數(shù)2×105倍。表面形貌觀察。

3）電子探針顯微分析（EletronProbeMicro-Analysis,EPMA)。微區(qū)化學(xué)成分。

SEM和EPMA結(jié)合起來，表面形貌觀察和微區(qū)化學(xué)成分分析。第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一篇材料X射線衍射分析第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章X射線衍射方向第三章X射線衍射強(qiáng)度第四章多晶體分析方法第五章物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測定第六章宏觀殘余應(yīng)力的測定第七章多晶體織構(gòu)的測定第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容X射線的性質(zhì)（波粒二相性）X射線的產(chǎn)生及X射線譜（適用工作的特征譜）X射線與物質(zhì)的相互作用（相干散射為X射線衍射分析的基礎(chǔ)）X射線的安全防護(hù)第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一引言1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴（W.CR?ntgen)在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了。鍍氰亞鉑酸鋇的硬紙板發(fā)出熒光。由于當(dāng)時(shí)尚不了解這種輻射的性質(zhì)，故稱其為X射線，后人也稱之為倫琴射線。1901年倫琴獲第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1912年，德國物理學(xué)家勞埃（M.vonLaue）發(fā)現(xiàn)X射線在晶體上的衍射。證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性。獲1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。受勞埃啟發(fā)，1913年，布拉格（SirWilliamHenryBragg，SirWilliamLawrenceBragg）父子提出了著名的布拉格方程：

2dsinθ＝nλ1915年，布拉格父子獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，小布拉格年僅25歲?？茖W(xué)研究，醫(yī)療和技術(shù)工程上應(yīng)用。第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一倫琴發(fā)現(xiàn)X射線勞埃發(fā)現(xiàn)X射線衍射亨利·布拉格勞倫斯·布拉格第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)X射線的性質(zhì)X射線是一種波長很短的電磁波。

X射線波長介于紫外線與γ射線之間。波長0.01~10nm。過去通常用單位埃（?）。用于晶體衍射的X射線的波長在0.05~0.25nm。X射線具有波粒二相性波動(dòng)性：以一定的頻率ν和波長λ在空間傳播；具有干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。粒子性：以大量光速運(yùn)動(dòng)的粒子組成的不連續(xù)粒子流。具有一定的質(zhì)量m、能量E和動(dòng)量P。與原子和電子相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)和熒光輻射等現(xiàn)象，與物質(zhì)相互作用和交換能量。

第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線的這些粒子稱為光量子。每個(gè)光量子的E和P分別為：式中，h為普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s，c為光速，2.998×108m/s。電磁波譜第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)X射線產(chǎn)生及X射線譜X射線是由高速運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相作用而產(chǎn)生的。X射線產(chǎn)生要有幾個(gè)基本條件：

1）產(chǎn)生自由電子；

2）使電子做高速運(yùn)動(dòng)；

3）在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物。第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線管主要由陰極、陽極和窗口組成：（1）陰極：陰極的功能是發(fā)射電子。它由鎢絲制成，在通過一定的電流加熱后便能釋放出熱輻射電子。（2）陽極：陽極又稱之為靶，是使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。主要的靶材主要有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等。在軟X射線裝置中常用Al靶。（3）窗口：是X射線射出的通道，通常窗口有兩個(gè)或四個(gè)，窗口材料既要求有足夠的強(qiáng)度以維持管內(nèi)的高真空度，又要求對(duì)X射線的吸收較小。金屬鈹，也有用硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。

第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一X射線管剖面圖由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：連續(xù)X射線譜和特征X射線譜（或標(biāo)識(shí)X射線譜）。第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一產(chǎn)生X射線的基本電氣線路第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

其特點(diǎn)是X射線波長從一個(gè)最小值λswl向長波方向伸展，強(qiáng)度在λm處有一最大值。這種強(qiáng)度隨著波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。λswl稱該管電壓的短波限。一.連續(xù)X射線譜管電壓、管電流和陽極靶的原子序?qū)B續(xù)譜的影響第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

連續(xù)譜受管電壓U、管電流i和陽極靶材的原子序Z的作用，其相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如下：

1）當(dāng)提高管電壓U時(shí)（i、Z不變），各波長X射線的強(qiáng)度都提高，短波限λswl和強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的λm減小。

2）當(dāng)保持管電壓一定，提高管電流i，各波長X射線的強(qiáng)度一致提高，但λswl和λm不變。

3）在相同的管電壓和管電流下，陽極靶材的原子序數(shù)Z越高，連續(xù)譜的強(qiáng)度越大，但λswl和λm不變。連續(xù)譜的總強(qiáng)度為：

式中，K1為常數(shù)。第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，其效率為：

效率很低，大部分能量都耗費(fèi)在使陽極靶發(fā)熱。量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋連續(xù)譜和短波限：電子動(dòng)能eU，全部給予一個(gè)光量子，則，此光量子的波長即為短波限λswl

絕大多數(shù)到達(dá)陽極靶面的電子經(jīng)過多次碰撞消耗其能量，每次碰撞產(chǎn)生一個(gè)光量子，故其能量均小于短波限，而產(chǎn)生的波長大于λswl的不同波長的輻射，構(gòu)成連續(xù)譜。第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.特征X射線譜當(dāng)加于X射線管兩端的電壓增高到陽極靶材相應(yīng)的某一特定值Uk時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定的波長位置上，會(huì)出現(xiàn)一些列強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，它們的波長對(duì)一定材料的陽極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長可以作為陽極靶材的標(biāo)志或特征，故稱為特征譜或標(biāo)識(shí)譜。特征譜的波長不受管電壓、管電流的影響，只取決于陽極靶材元素的原子序。特征譜第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一布拉格（W.H.Bragg)發(fā)現(xiàn)了特征譜。莫塞萊（H.G.J.Moseley)對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出莫塞萊定律：

式中，K2和σ都是常數(shù)。該定律表明：陽極靶材的原子序數(shù)越大，相應(yīng)的同一系的特征譜波長越短。依據(jù)經(jīng)典原子模型，各層上電子能量的表達(dá)式：

En為主量子數(shù)為n的殼層上電子的能量；n為主量子數(shù)。

第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

量子力學(xué)觀點(diǎn)解釋特征譜：當(dāng)沖向陽極靶的電子將內(nèi)層電子擊出成為自由電子，原子處于高能的不穩(wěn)定狀態(tài)，自發(fā)向穩(wěn)態(tài)過渡。K層出現(xiàn)空位，原子處于K激發(fā)態(tài)，若L層電子躍遷到K層，原子轉(zhuǎn)變到L激發(fā)態(tài)，其能量差以X射線光量子的形式輻射出來，這就是特征X射線。L層電子躍遷到K層，發(fā)射Kα射線。

L層存在亞能級(jí)，不同亞能級(jí)上的電子躍遷到K層，所輻射的能量小有差別而形成波長較短的Kα1譜線和波長稍長的Kα2譜線。若M層電子躍遷到K層，則輻射波長更短的Kβ譜線。第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一特征譜發(fā)射過程示意圖第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一所輻射的特征頻譜頻率計(jì)算公式：若n2=1(即K層），n1＝2（即L層），發(fā)射的Kα譜波長λkα為：式中，wn1、wn2分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)的能量。第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一進(jìn)一步得到：K激發(fā)態(tài)下，L層電子向K層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于M層躍遷的幾率，所以Kα譜線的強(qiáng)度約為Kβ譜線的5倍。L層內(nèi)不同亞能級(jí)電子向K層躍遷所發(fā)射的Kα1譜線和Kα2譜線的關(guān)系是：（I表示輻射強(qiáng)度）。特征譜的強(qiáng)度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式為：

式中，K3為常數(shù)，Un為特征譜的激發(fā)電壓，對(duì)于K系，Un＝Uk；m為常數(shù)（K系m＝1.5,L系m＝2）。第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一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色光源，即盡可能高的I特/I連。當(dāng)U/Uk＝4時(shí)，I特/I連獲最大值。X射線管適宜的工作電壓U＝（3～5）Uk。第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一靶材ZK系列特征譜波長/0.1nmK吸收限K/0.1nmUK/kVU適宜/kVK1K2KKCr242.289702.293612.291002.084872.070205.4320~25Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.4025~30Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.4730~35Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.0435~40Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4450~55表1-1幾種陽極靶材及其特征譜參數(shù)注：K=(2K1+K2)/3第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是X射線應(yīng)用的基礎(chǔ)。德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線時(shí)，就觀察到它的穿透力，可使熒光物質(zhì)發(fā)光，可使氣體或其它物質(zhì)電離等。入射到物質(zhì)的X射線分為穿透，散射和吸收。第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一一.X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)X射線通過物質(zhì)后的衰減X射線通過深度為x處的dx厚度物質(zhì)其強(qiáng)度的衰減dIx/dx成正比μl為常數(shù)，成為吸收系數(shù)。經(jīng)過積分得（積分限0～t）：稱透射系數(shù)。第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一線吸收系數(shù)μl表明物質(zhì)對(duì)X射線的吸收特征。μl是X射線通過單位厚度（即單位體積）物質(zhì)的相對(duì)衰減量。

X射線強(qiáng)度隨投透入深度呈指數(shù)衰減。第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)量吸收系數(shù)μm，表示為:

式中，ρ為吸收體的密度。

式中，m為單位面積厚度t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m＝ρt）。μm的物理意義指X射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的衰減。這樣就擺脫了密度的影響，成為反應(yīng)物質(zhì)本身對(duì)X射線吸收性質(zhì)的物理量。第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)量吸收系數(shù)取決于吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和X射線的波長λ，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為：式中，K4是常數(shù)。原子序數(shù)越大，對(duì)X射線的吸收能力越強(qiáng)；對(duì)一定的吸收體，X射線的波長越短，穿透能力越強(qiáng)，表現(xiàn)為吸收系數(shù)下降。隨波長降低，μm在某些波長位置上突然升高，出現(xiàn)吸收限。

質(zhì)量吸收系數(shù)隨入射波長的變化第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一二.X射線的真吸收光電效應(yīng)解釋吸收系數(shù)突變的現(xiàn)象。當(dāng)入射光量子的能能量等于或略但與吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能（即該層電子激發(fā)態(tài)能量）時(shí)，此光量子很容易被電子吸收，成為自由電子，稱為光電子，原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現(xiàn)象即光電效應(yīng)。此效應(yīng)消耗大量的入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對(duì)應(yīng)的入射波長即為吸收限。K層電子變成自由電子需要的能量時(shí)Wk，即引起激發(fā)態(tài)的入射光量子能量須達(dá)到此值。式中，νk和λk分別為K吸收限的頻率和波長。第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)于同一元素,X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系：入射X射線所激發(fā)出來的特征X射線稱為熒光輻射（熒光X射線，二次X射線）。用來進(jìn)行較重元素的成分分析。K層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空位，另一個(gè)L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個(gè)K層空位被兩個(gè)L層空位替代的過程稱為俄歇效應(yīng)。躍出的L層電子稱為俄歇電子。用來進(jìn)行表層輕元素的分析。光電效應(yīng)所造成的入射能量消耗和X射線穿過物質(zhì)時(shí)所引起的熱效應(yīng)，稱為真吸收。第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過程示意圖第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

吸收限的應(yīng)用可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的K和K波長之間，且盡可能靠近K線波長。把這種材料制成薄片—濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收K線，而對(duì)K線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射。這種材料的K吸收限介于光源的λK和λK之間。濾波片原理示意圖第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一濾波片原子序數(shù)比靶元素的原子序數(shù)小1～2。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一在衍射分析時(shí)，希望試樣對(duì)X射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。靶的K譜(T)略大于或遠(yuǎn)小于試樣的K

X射線管靶材的選擇第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一三.X射線的散射X射線穿過物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，強(qiáng)度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)。強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射。X射線的散射包括：與原波長相同的相干散射和與原波長不同的不相干散射。第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.相干散射當(dāng)入射X射線與受原子核束縛較緊的電子相遇，使電子在X射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，像四周輻射與入射X射線波長相同的輻射。