X射线衍射物相定性分析PPT课件

1、X 射线衍射分析,2008. 9,.,2,Outline,Introduction Materials Characterization Comparison of some test methods XRD History retrospection Nature and production of X ray Interaction of X rays and materials,.,3,What is Materials Science and Engineering ?,Materials science investigates the relationships that exis

2、t between the structure and properties of materials Materials engineering engineers the structure of materials to produce substances with a predetermined set of properties,.,4,过程 Processing,结构 Structure,性能 效能 Properties,结构形成过程 “材料工艺”,中心环节 ,构件、器件的制备 “材料选择”,Performance,Materials Science and Engineerin

3、g,Goal/means,Cause/effect,Structure,Properties,Structure-Property Linkages,.,5,MSE develops from physics, chemistry and mathematics, and is a bridge between science and engineering. The physics and chemistry are needed to understand why Materials behave in certain ways.,.,6,研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实

4、现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等研究技术。 为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程. “Seeing” is believing,MSE and Materials Characterization 材料科学与工程和材料表征,.,7,Materials Characterization,Elemental Analysis Phase identification Phase transformation Structure

5、 at different levels, Macro to molecules and atoms Surface, interface Microscopy, spectroscopy and analysis, diffraction and imaging, thermal methods,.,8,多层次的物质结构Matters are organized differently at different length scale.,宏观：Macroscopic (0.1mm) Structure elements on the scale visible with human eye

6、. 微观：Microscopic (0.1micron-0.1mm) Grain or other mesoscopic objects consisting of a group of atoms and observable with a light microscope 介观：Mesoscopic (1-100nm) Structure between atomic and microscopic 原子：Atomic (0.1-1 nm) Arrangement of atoms in materials, electronic bondings 亚原子：Subatomic (0.1 n

7、m) Electrons, protons, neutrons,材料科学研究范畴 Domain of material science,.,9,Materials Characterization,Elemental Analysis Phase identification Phase transformation Structure at different levels, Macro to molecules and atoms Surface, interface Microscopy, spectroscopy and analysis, diffraction and imagin

8、g, thermal methods,材料研究需要各种分析表征手段，要求我们掌握它们的原理并在实践中加以灵活运用。,材料的分析与表征原理Materials Characterization,材料与输入信号相互作用，产生输出信号。,比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。,1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。,材料的分析与表征Materials Characterization,光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光 等,材料,了解掌握和灵活运用各种表征手段。,光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光 等,.,13,元素化学分析 eleme

9、ntal analysis 元素种类与含量（定性定量），不能反映原子之间的化学结合状态。在大多情况下不能满足材料研究需要。如材料中广泛存在同素异构现象。常见元素分析方法有化学分析法、荧光x射线分析、光谱法（原子吸收、发射等)离子探针微区分析、电子探针微区分析、X射线光电子能谱等。 相分析方法 phase analysis 反映元素的化学结合状态。“相”的概念与物理化学中“相”的概念有区别。常见分析方法有光学显微镜、电子显微镜、热分析、x射线衍射物相分析（定性、定量）等。,几种分析方法的局限与对比,.,14,材料相定量分析方法比较 Qs: 哪几种相、某种物质的结晶状态、各相的含量 岩相法petr

10、ographic analysis 观察显微镜多个视域各相所占的面积，经统计并折算为体积或重量百分数。 费时费力，精度不高，对组分不均匀的材料，试样和视域的选择均影响分析结果。（5%） 化学相分析法chemical analysis 特种溶剂对各组分选择性溶解使各相分开。由于同一溶剂对不同相不易做到绝对的溶解或不溶，往往难以建立完整的方法而作为其他方法的补充。 X-射线衍射物相定量分析 X-ray diffraction 根据相含量与衍射线强度的关系定量。快速、简便。对简单系统，精度能满足要求。,.,15,.,16,X射线的发展史,1895年，德国物理学家Rntgen （伦琴）在研究阴极射线时

11、发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）,1912年，德国的Laue (劳厄)第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科X射线衍射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）,1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖),.,17,X射线的发展史,1917年, 巴克拉发现元素的标识X射线；,1924年, 塞格巴恩创立了X射线光谱学；,1936年，德拜、 1946年，马勒， 1979年，柯马克等人由于在X射线及其

12、应用方面研究而获得化学，生理，物理诺贝尔奖；,有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。,.,18,1、衍射分析技术的发展,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,.,19,X 射线应用技术,X 射线形貌技术（Radiography） 医学诊断、治疗、工业探伤 X 射线光谱技术（Spectrum） 元素分析 X 射线衍射技术 （X ray Diffraction-XRD） 相分析、结构分析等,.,20,课程要求和内容提纲,理解XRD和仪器工作原理，熟练掌

13、握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。 X射线的物理基础 晶体结构基础知识 X射线衍射几何条件和衍射线强度 X射线衍射仪 X射线衍射物相定性分析原理及应用,.,21,第一章 X射线的物理基础,The nature of X rays The production and detection The spectrum of X rays Interaction of X-rays with materials Safety,.,22,1. The Nature of X rays,X射线和可见 光一样属于电磁 辐射，但其波长 比可见光短得 多，介于紫外线 与射线之间， 约为102到

14、102 埃的范围 。 （如右图所示）,.,23,波粒二相性properties of both waves and particles,波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。 粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质相互作用现象，用动能和动量表征。 波粒二相性公式：E=hv=h.c/，P=h/,.,24,由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮

15、度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。,能量与强度 Energy and Intensity,能量：E=hv=h.c/（与波长成反比，频率成正比）与穿透能力相关。,强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积 上在单位时间内所通过的光子数目的能 量总和。 常用的单位是J/cm2.s.,强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.,.,25,2. Production of X RaysX射线源,X 射线源,X射线管发出的X射线（最多） X ray tube-Thermal cathode,synchronization acceleration

16、同步辐射源,.,26,X ray tube,.,27,Working of X ray tube,.,28,.,29,.,30,3. X Ray spectrum X射线谱,当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照经典电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续X射线。 Sudden deceleration of fast-moving particles Continuous and characteristic X Ray spectrum,.,31,h.c/=eV = h.c/eV 0=1.24/V,Continuous/white X Ray spectr

17、um,.,32,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 式中e电子电荷，等于 静电单位； V电子通过两极时的电压降（静电单位）； h普朗克常数，等于 相关习题：,.,33,相关习题,试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？,.,34,X射线的强度,连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系： 且X射线管的效率为:,.,35

18、,当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。,连续X射线强度最大值在1.50,而不在0处。,.,36,是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。,.,37,特征/标识X射线谱,根本原因：原子内层电子的跃迁 高能电子撞击出靶材料原子的内层一个电子，被逐出电子的空位很快被外层的一个电子填占。而这个电子空位又被更外层来的电子占有，如此一系列步骤使该电离原子恢复正常状态。每一步的电子跃迁产生特征X射线。,.,38,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,Wk,Wl,Wm,Wn,

19、0,原子的能量,标识X射线产生过程,K激发,L激发,Ka辐射,K辐射,L辐射,过程演示,（任意键演示）,.,39,K系激发机理,.,40,标识X射线的标识,线分别为相邻电子层、隔层电子层、隔两层跃迁产生的特征线,K系x射线：其它电子层跃迁到K层产生。 等,.,41,L层电子跃迁到K层的概率比其它电子层跃迁到K层的概率大，即单位时间辐射出的 光子数多。,比临近连续X 射线强度大90倍左右，是 的45倍,.,42,Wave length-莫塞莱定律,标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：,特征

20、谱波长与靶材原子序数的平方成反比,.,43,标识X射线的强度特征 Intensity,K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为： 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的35倍时，连续谱造成的衍射背影最小。,.,44,4. x射线与物质相互作用Interaction between x rays and solid substances,X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。,X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律； 吸收限的应用；,.,45,

21、.,46,X射线的散射,X射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射； 非相干散射。,.,47,相干散射,物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。 X射线衍射 技术的基础,.,48,非相干散射,X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加

22、连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。,.,49,X射线的吸收,物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。,热能 光电效应； 俄歇效应。,.,50,光电效应,以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。 产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限k。,.,51,俄歇效应,原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出E-E能量，产生两种效应：

23、 (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。,.,52,X射线的吸收及其应用,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。式,.,53,质量衰减系数m,表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： K为常数,x射线的波长愈长，或吸收体的原子序数愈大，x射线越容易被吸收；亦即x射线的波长越短，或者穿过原子序数越小的物质时，其穿透力越大,.,54,计算举例：试问Cu靶Ka线经过10-3厘米厚的铜薄片和铅薄片，强度各减弱多少？,已知,对于x=10-3厘

24、米的铜薄片：,对于x=10-3厘米的铅薄片：,强度减弱 1-0.623=37.7%,强度减弱 1-0.065=93.5%,.,55,Compound and solid solution,元素吸收系数与其质量分数乘积之和,物相定量分析的基础,SiO2对Cu Ka线质量吸收系数计算举例：,原子量：Si 28.09， O 16.0；,质量吸收系数：Si 60.6， O 11.5（查表）,已知,则 SiO2质量吸收系数,=(28.09*60.6 + 16*11.5)/(28.09 + 16.0) = 34.45 cm2/g,.,56,吸收限,m随的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为K吸收限。 吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于时光子的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大。 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。,.,57,滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的K和K 之间，且尽量靠近K 。