材料分析方法X射线的性质PPT课件

1、 材料内部的成份、结构直接决定着材料的性能和应用。 如何判定材料的成份和结构是材料学领域的关键问题。 绪论绪论问题问题1 1： 假如你有一块黄橙橙的矿石，你能判断是假如你有一块黄橙橙的矿石，你能判断是否含有黄金吗？否含有黄金吗？ 阿基米德方法？阿基米德方法？第1页/共55页碳结构的变化问题2：你能区分不同结构的相同成分物质？锅烟灰-C60金刚石炭纳米管第2页/共55页 在本次课程学习的主要材料分析方法： (1) X射线衍射仪（XRD， X-Ray diffraction） 用于物相(或说结构）分析 及其他 dfrkn(2) 透射电镜（TEM， Transmission Electron Mic

2、roscope） 物相分析，和微观形貌 makrskp (3) 扫描电镜 （SEM， Scanning Electron Microscope） 表面形貌(4)波长分散谱仪波谱仪WDS, Wavelength Dispersive Spectrometer 能量分散谱仪能谱仪 EDS, Energy Dispersive Spectrometer spektrmt(r) WDS, EDS利用特征射线进行成分分析, EDS可作为两电镜的附件, 用于微区成份分析 第3页/共55页光电光电子子荧光（二次特荧光（二次特征征X X射线射线 扫描扫描电镜电镜SEMSEM样品样品1 1特征特征X X射线射线

3、二次电子二次电子高能电子高能电子入射入射透射电子透射电子（TEMTEM）背 散 射背 散 射电子电子衍射衍射XRDXRDXPSXPSEDS/WDSEDS/WDS 高能电子束与固体样品作用时产生的信号和高能电子束与固体样品作用时产生的信号和6大材料分析手段大材料分析手段X X射线射线荧光谱荧光谱分析分析样样品品2 2X X射线射线样样品品2 2样样品品2 2第4页/共55页X射线衍射仪射线衍射仪(XRD)第5页/共55页透射电镜（TEM）多晶体衍射花样多晶体衍射花样单晶体衍射花样单晶体衍射花样可可进进行行物物相相分分析析第6页/共55页50 nm2nmTEM: (2) 可成像可成像 图图a, b

4、(1) 可形成衍射花样可形成衍射花样, 进行物相分析进行物相分析, 图图c第7页/共55页苍蝇的复眼扫苍蝇的复眼扫描电镜图像描电镜图像扫描电微镜（扫描电微镜（SEM）第8页/共55页 第一部分第一部分 材料材料X X射线衍射分析射线衍射分析常用来分析 物相、晶格参数，应力等X-ray Diffraction第9页/共55页 第一章 X射线的性质 本章要点：本章要点：1. X射线的本质：为电磁波，具有波粒子二象性射线的本质：为电磁波，具有波粒子二象性2. X射线管的主要构造射线管的主要构造3. X射线连续谱射线连续谱的特征和的特征和 产生原因（及应用）产生原因（及应用）4. X射线特征谱射线特征

5、谱产生过程、条件产生过程、条件(难点难点) 、命名命名、莫塞莱定律（应用）、莫塞莱定律（应用）5.X射线与物质相互作用: 散射(相干与非相干)+ +真吸收( 光电子，俄歇效应，荧光X 射线) + 透射6. X射线透过的强度公式，质量吸收系数射线透过的强度公式，质量吸收系数7. 二次特征辐射、吸收限二次特征辐射、吸收限(或称激发限或称激发限) 、及质量吸收系数曲线、及质量吸收系数曲线8.吸收限在吸收限在结构分析时结构分析时的应用：的应用： 1) (了解）滤波：了解）滤波：Z Z滤滤= = Z Z靶靶1 1 （Z Z靶靶40)40)；Z Z滤滤= = Z Z靶靶2 2 （Z Z靶靶=40=40）

6、2) 2)选靶材选靶材一般一般方法方法是是: :Z Z靶靶Z Z样样+1+1第10页/共55页电子束电子束W. K. Rontgen伦琴于1901年获首届诺贝尔物理奖 第一张第一张X X光照片光照片伦琴18951895年，伦琴发现了一种穿透力很强的射线年，伦琴发现了一种穿透力很强的射线射线射线 引言第11页/共55页 X射线准直缝晶体劳厄斑. . 19121912年劳厄年劳厄（M.von LaueM.von Laue）发现通过晶体时产生衍射）发现通过晶体时产生衍射现象现象, , 劳厄劳厄证实了证实了X X射线的波动性射线的波动性第12页/共55页X X射线的本质: : 波长很短的电磁波 X射线

7、的本质具有波粒二象性具有波粒二象性( (实际上任何物质具波粒二象性实际上任何物质具波粒二象性） 波动性：以一定频率、波长在空间传播；波动性：以一定频率、波长在空间传播； 微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的波长很短的电磁波波长很短的电磁波 0.01100 用于晶体分析的用于晶体分析的 = 0.52.5质量、能量和动量。质量、能量和动量。第13页/共55页hchE能量sJh3410626. 6smc/10998. 28其中：其中：h h为普朗克常数，为普朗克常数， c c为为X X射线的速度，射线的速度，例：求例：求200 nm 200 nm 的一个光

8、子所具有的能量的一个光子所具有的能量)(10930. 91020010998. 210626. 6199834JchE 第14页/共55页（了解）附：电磁波谱无线电波无线电波微波微波红外光红外光可见光可见光紫外光紫外光X X 射线射线射线射线第15页/共55页（1 1） X X射线管的作用：射线管的作用： 1- X射线的产生及X 射线管（）X射线管产生射线的条件：以高能电子打在靶材上产生以高能电子打在靶材上产生X X射线射线1 1） 产生自由电子；产生自由电子；2） 电子作定向高速运动电子作定向高速运动; ;3）使电子止住或突然减速的）使电子止住或突然减速的 障碍物障碍物第16页/共55页（3

9、）X射线管的结构：射线管的结构： 阴极：阴极：发射电子。由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由电子， 奔向阳极 。 阳极：阳极：亦称靶，是使电子突然减速并发射亦称靶，是使电子突然减速并发射X射线。射线。 通常的靶材有通常的靶材有: Cu、Mo、Co 等等 良好的循环水冷却，防止靶熔化 窗口：窗口：窗口是窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。通常用金属射线从阳极靶向外射出的地方。通常用金属铍，铍，第17页/共55页X X射线谱定义：射线谱定义：X X射线的射线的强度强度-波长波长的关系曲的关系曲线线X X射线管发射出来的射线管发射出来的X X射线射线 分为两种类型：分为两种类型：一一连续连续X X射

10、线谱射线谱二二特征特征X X射线谱射线谱强度强度 （任意单位）（任意单位）波长（波长（ ）35 KV的管压下，钼靶的的管压下，钼靶的X射线射线 1- X射线谱连续X射线特征特征X射线射线第18页/共55页一连续一连续X射线谱射线谱特点：特点： 波长连续变化。波长连续变化。 有一个波长极限有一个波长极限短波限短波限min。产生原因：高速运动的电子受阻而减速时产生的电磁辐射，也叫轫致辐射。 电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转化为热能，一部分以x-ray释放。撞向阳极的电子目数很多，时间、条件不同，或多次碰撞逐步减少其能量。 动能转换为x-ray的能量有多有少，射出x-ray的频率有大有小，形成不同

11、波长的x-ray，构成连续的谱线。第19页/共55页eVhcinm短波极限波长短波极限波长minmina.a.对应着极少数电子只经过对应着极少数电子只经过一次碰撞，并且将全部能量一次碰撞，并且将全部能量eU eU 转化为一个光量子。转化为一个光量子。b. 短波限只与管电压有关，短波限只与管电压有关，不受其它因素影响。不受其它因素影响。I不同阳极WAgMo连续谱连续谱第20页/共55页（了解）推导：（了解）推导：设管电压为设管电压为V，电子电量，电子电量e ，电场力做功，则，电场力做功，则电子获得动能为电子获得动能为eV，当这一能量完全转化为光子的能量时，当这一能量完全转化为光子的能量时eVch

12、hminmax长为连续谱的短波极限波 )(1240minnmeVeVhc得：得：第21页/共55页连续连续X X射线谱的强度射线谱的强度-两种计算方法：两种计算方法：1 1）光的强度决定于光的强度决定于单位时间内单位时间内通过通过单位面积单位面积的的光光 子数子数n n和每个光子的能量和每个光子的能量nhI 2）或者：I- 曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。dII0)(连续第22页/共55页特点： 具有特定的波长，谱线尖锐。 当管电压超过某一特定值Vk时才产生特征X射线。 叠加在连续x-ray谱上的。二特征X射线谱n原子系统内的电子按包利不相容原理和能量最低原 理分布于各个能级，能级是不

13、连续的，K层靠近原子核，能量最低。n管电压增加到一定数值，电子脱离出来，体系处于不稳定的激发态。 n电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识x-ray谱。产生原因：产生原因：与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关。第23页/共55页K壳层壳层L壳层壳层M壳层壳层 内壳层电子被击出电离时，在内壳空位产生空位。 外层电子向内壳空位填充时产生一个X射线光子特征特征X射线谱：射线谱：KLh层：层跃迁到若电子从KL第24页/共55页第一步：第一步： 高能电子把靶原子的高能电子把靶原子的内壳层内壳层电子打出，使原子电子打出，使原子 电离，在内壳层上出现空位。电离，

14、在内壳层上出现空位。第二步：第二步： 原子中外电子向原子中外电子向内壳层空位内壳层空位跃迁，跃迁的能跃迁，跃迁的能 量差转化成一个量差转化成一个X X射线光子。射线光子。特征特征X射线的产生过程：射线的产生过程：高能电子高能电子电离出电离出靶的内层电子，靶的内层电子， 出现内层空位出现内层空位 外层电子跃外层电子跃入入填充填充，发射，发射X光子光子即：即：第25页/共55页K系辐射：系辐射： K层电子被打出，层电子被打出， 任意层上任意层上的电子向的电子向K层空位跃迁，产生光子。层空位跃迁，产生光子。K： 邻层向邻层向K层空位跃迁（层空位跃迁（L K）K：隔隔层向层向K层空位跃迁（层空位跃迁（

15、M K）K：N层向层向K层空位跃迁（层空位跃迁（N K）L系辐射系辐射： L层电子被打出，层电子被打出， 其他其他 层层向向L层空位跃迁，产生光子。层空位跃迁，产生光子。M系辐射：系辐射： M层电子被打出，层电子被打出，其他其他层跃入填充，层跃入填充，产生光子产生光子。特征X射线谱的命名第26页/共55页k层电子被迁出的过程叫k系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射为k系辐射。K是由K1和K2两条谱线组成，与原子能级的精细结构（亚能级）有关。 213132KKK第27页/共55页产生某系激发要求阴极电子的能量产生某系激发要求阴极电子的能量 eV eV 大于等于某层电子的电大于等于某层电子的电离能）

16、离能）。临界激发电压：临界激发电压：激发特征激发特征x x特征特征X射线谱射线谱时，入射电子的最低加时，入射电子的最低加速电压。速电压。对于同种原子：临界激发电压对于同种原子：临界激发电压V Vk k V VL L V VM M V VN N对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。特征特征X射线谱产生条件：射线谱产生条件：第28页/共55页En ( eV)氢氢原原子子能能级级图图-13.6-1.51-3.390n = 1n = 2n = 3n = 4n = 5n = 6选读选读 ：氢原子能级图：氢原子能级图(稳态）稳态）eVhmeE6 .1382

17、2041 , 3 , 2 , 121nnEEn 第29页/共55页 特征特征X X射线的频率由靶原子能级的差值决定射线的频率由靶原子能级的差值决定, , 只取决阳极靶材料的原子序数，是元素的固有特性。 莫塞莱定律莫塞莱定律描述了它与原子序数描述了它与原子序数Z Z的关系。的关系。特征X射线的波长：)(1zK式中： z靶材料的原子序数 K常数（与靶材物质总量子数有关） (看书P9-10) 常数（与电子所在壳层位置有关） 第30页/共55页连续谱的只能增加衍射花样的背底。V=（35）VK时，I标/I连最大， VK 为临界激发电压辐射源选择：辐射源选择：在在X X射线的多晶体衍射中，主要利用射线的多

18、晶体衍射中，主要利用K K线做辐射源，线做辐射源，L L系或系或M M系由于波长太长，系由于波长太长， 容易被物质吸收，所以容易被物质吸收，所以 不利用不利用 X X射线管最佳工作电压：射线管最佳工作电压： V=（35）VK看书看书: P10, 表表1-1第31页/共55页一连续X射线谱特点:产生原因: (减速辐射)二特征X射线谱 特点：产生原因： (能级跃迁,或激发辐射)产生过程： 产生条件：入射高能物质能量大于等于靶材某内层电离能特征X射线命名：特征X射线的波长：X射线谱的小结：三三. .在在X X射线的多晶体衍射中，主要利用射线的多晶体衍射中，主要利用K K线做辐射源线做辐射源X射线管最

19、佳工作电压： V=（35）VK第32页/共55页选择判断，正确的是选择判断，正确的是( )B.特征X射线产生条件是： 入射高能物质能量大于等于靶材某内层电离能A.特征X射线产生条件是： 入射高能物质能量大于等于特征X射线本身能量D.特征X射线与原子的内层电子跃迁过程有关C.使靶材产生特征X射线的入射高能物质可是高能电子， 也可以是高能X射线， 或者其他。第33页/共55页一束一束X射线通过物质时，它的能量可以分为三部分：射线通过物质时，它的能量可以分为三部分： 1-5 X射线与物质相互作用 散射 相干 非相干 真吸收 1. 产生（普通）光电子、X X射线的强度衰减的原因：射线的强度衰减的原因：

20、“吸收吸收”= =真吸收真吸收+ +散射散射； 产生产生Auger Auger 电子（即俄歇效应）电子（即俄歇效应）3. 热热透过的强度透过的强度X X射线射线作用于作用于物质物质xmeII033ZKm质量吸收系数2. 产生产生X射线荧光，或叫二次特征射线荧光，或叫二次特征X射线射线第34页/共55页X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程一束X射线通过物体后，其强度被衰减，是其散射和真吸收的结果，真吸收是造成强度衰减的主要原因。第35页/共55页一一. X射线的散射射线的散射可分为可分为 相干散射相干散射和和不相干散射不相干散射1. 相干散射相干散射: X X射线波长不变射线波长不变

21、 在入射束电场的作用下，物质原子中的电子被迫围绕其平衡位置振动，向四周辐射与入射x-ray波长相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干条件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花样。相干散射是x-ray在晶体中产生衍射现象的基础。2. 2. 不相干散射不相干散射: : X X射线波长变射线波长变化化第36页/共55页二二. 物质对物质对X射线的真吸收射线的真吸收1. 发出（普通）光电子 发出俄歇电子（俄歇效应）发出俄歇电子（俄歇效应）2. X 射线荧光（或二次特征射线荧光（或二次特征X射线辐射，射线辐射， 即以即以X 射线照射射线照射3. 热热真真吸吸收收物体产生物体产生X射线）

22、射线）真吸收时产生电离效应，真吸收时产生电离效应， 荧光效应，荧光效应， 热效应等热效应等第37页/共55页相关概念光电子: 当入射x光的能量足够大时，可以电离出被照物质原子中的电子，电离出的电子称为光电子, X射线荧光（二次特征X射线): 当入射x光将原子内层电子电离,其他层电子向内层空位层跃迁辐射出的次级特征X射线称为X射线荧光（二次特征X射线）。第38页/共55页X X射线荧光（射线荧光（二次特征二次特征X射线）产生条件射线）产生条件:例如：如果要产生例如：如果要产生K K系系X X射线荧光射线荧光, , 入射入射X X射线的能量射线的能量 大于等于被照射原子大于等于被照射原子K K层的

23、电离能）层的电离能）。第39页/共55页相关概念：俄歇相关概念：俄歇(Auger)效应效应当激发源的能量足够大时，可以击出被照物质原子中的当激发源的能量足够大时，可以击出被照物质原子中的电子，击出的电子称为电子，击出的电子称为光电子光电子, , 同时，较外层电子向空位层跃迁时产生的能量并没有以同时，较外层电子向空位层跃迁时产生的能量并没有以X X射线的形式辐射出射线的形式辐射出, ,而是打出某层的一个电子，该电子较而是打出某层的一个电子，该电子较电子叫电子叫俄歇电子，该效应俄歇俄歇电子，该效应俄歇(Auger)效应。效应。 俄歇电子激发源出射电子填充电子WXYEWEXEY俄歇电子激发源俄歇俄歇

24、(Auger)效应示意图效应示意图引申引申(自学）：自学）：第40页/共55页2）俄歇）俄歇(Auger)效应：效应： 俄歇电子激发源出射电子填充电子WXYEWEXEY俄歇电子激发源激发源激发源 打出电子打出电子 较外层电子向空位跃迁的能较外层电子向空位跃迁的能量量 不产生不产生X射线而是打出某层电子（射线而是打出某层电子（俄歇电子）俄歇电子）1）二次特征X射线：激发源（ X射线) 击出电子 较外层电子向空位跃迁的能量 产生X射线俄歇俄歇(Auger)效应示意图效应示意图二次特征二次特征X射线与射线与俄歇电子俄歇电子两者比较两者比较引申引申(自学）自学） ：第41页/共55页每种物质的俄歇电子

25、的能量大小只取决于该原子的三个能级（参与过程的三个能级能量），是元素的固有特征。每种元素都有自己的俄歇电子能谱（固有特征）。俄歇电子能谱可进行元素的成分分析及试样表面状态分析等。这种特征电子的能量较低，只有几百电子伏特，在固体表面以内深处即使有这种电子也跑不出来，仪器测量不到， 所以利用俄歇效应设计的俄歇谱仪便成了对固体表面2-3层原子成分分析最适宜的仪器俄歇电子通常用参与过程的三能级来命名。即：初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、出射电子原在能级。（空位所在能级/ 跃迁电子原在能级 /出射电子原在能级）例：K层电子被击出，L2层电子跳入K层空位，多余能量将L3层电子击出， 俄歇

26、电子表示为：KL2L3。俄歇电子特点俄歇电子特点俄俄歇歇电电子子命命名名引申引申(自学）自学） ：第42页/共55页引申（ 自学，部分见本书最后部分）:X射线光电子能谱(XPS) ：被X射线击出壳层的电子。它带有壳层的特征能量,可用来进行成分和化合价分析。 俄歇电子能谱(AES) ：俄歇电子带有三壳层的特征能量，仅由三壳层的能量决定。可用来进行成分和化合价分析X射线荧光：带有壳层的特征能量。可用来进行成分分析。 第43页/共55页散射：无能量损失或损失相对较小 只有相干散射才能产生衍射 相干散射是进行材料晶体物相（结构）分析的工具真吸收：能量大幅度转换 真吸收（产生光电子、X射线荧光、俄歇电子

27、、热等， 光电子、X射线荧光和俄歇电子这些信号带有元素的能级特征是进行材料成分分析的工具小结：第44页/共55页三三. X射线的透过强度射线的透过强度xxxmeIeII001.X射线的透过强度射线的透过强度X射线通过物质时的衰减，是真吸收和散射造成的，主要是真吸收强度的衰减率与强度的衰减率与X X射线在均匀射线在均匀物质内通过的距离物质内通过的距离dx dx 成正比成正比2. 线吸收系数线吸收系数 物理意义：物理意义：X X射线沿传播方向穿过射线沿传播方向穿过单位长度单位长度物质时强度的衰减程度物质时强度的衰减程度3.3.质量吸收系数：质量吸收系数： 可用生物透视或工业产品探伤可用生物透视或工

28、业产品探伤X X射线沿传播方向穿过射线沿传播方向穿过单位质量单位质量单位长度物质时强度的衰减程度单位长度物质时强度的衰减程度m吸收体密度第45页/共55页种物质的质量百分比）是第混合物：iWWWWWi11miim(.3332221加权平均加权平均与吸收体的疏密程度（密度）和物质状态无关，与X射线的及吸收体Z有关。m随的变化曲线上存在尖锐突变，某些极大值对应的波长为称为吸收限，如K吸收线。33ZKm4.4.质量吸收系数大小：质量吸收系数大小：与波长的三次方和元素的原子序数的三与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此次方近似地成比例，因此a.b.c.d.m第46页/共55页 四四.

29、 吸收限及其应用吸收限及其应用定义定义: 在吸收体质量吸收系数随在吸收体质量吸收系数随x射线波长变化的图谱上，射线波长变化的图谱上， 出现出现一些吸收极大值，此时对应着入射一些吸收极大值，此时对应着入射x射线射线 刚好把吸收体元素的某刚好把吸收体元素的某内层电子电离。内层电子电离。 K 吸收吸收 限波长限波长 ：对应着对应着入射：对应着对应着入射x射线刚射线刚好能把吸收体元素的好能把吸收体元素的K层电子电离。层电子电离。 注意：注意：（1）不管入射）不管入射x射线的波长是等于、大于还是小于射线的波长是等于、大于还是小于 ， 吸收体吸收体对对X 射线都有吸收，射线都有吸收， 吸收后可能转化为热能

30、或吸收后可能转化为热能或X射线荧光等。在射线荧光等。在吸收限波长时，吸收限波长时， 物质对物质对X射线的吸收达到极值。射线的吸收达到极值。（2）但若是要使得吸收体产生）但若是要使得吸收体产生X射线荧光（二次特征射线），入射线荧光（二次特征射线），入射高能粒子的能量必须大于等于被照射体的某内层电子的电离能。射高能粒子的能量必须大于等于被照射体的某内层电子的电离能。例如：入射例如：入射X射线的波长必须等于和小于射线的波长必须等于和小于 才能产生才能产生K系荧光。系荧光。KchEK吸收限吸收限KK第47页/共55页 曲线产生突变。突变处极大值称为吸收限。相应的波长为吸收限波长。m33ZKm 单质的 曲线质量吸收系数与质量吸收系数与入射入射X射线波长的关系图射线波长的关系图m第48页/共55页2.吸收限的应用之一 ：滤波片利用特征x-ray进行物相分析时，只用单色K谱线，将K等滤掉，需使用滤波片。滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点。滤波片