材料分析方法-1-1

1、材料分析方法材料分析方法李海敏李海敏 1986 1986年年1 1月月2828日，美国挑战者号航天飞机升空仅日，美国挑战者号航天飞机升空仅仅仅1 1分分1212秒就坠毁，秒就坠毁，7 7名宇航员全部遇难，直接经济损名宇航员全部遇难，直接经济损失失1212亿美元。亿美元。 根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一个是一个O O形封环（橡胶圈）失效形封环（橡胶圈）失效所致。这个封环位于所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个底层部件之间。失效的右侧固体火箭推进器的两个底层部件之间。失效的封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。封环使炽热的气体点燃了外

2、部燃料罐中的燃料。 设计时没有考虑温度对橡胶圈组织行为和力学设计时没有考虑温度对橡胶圈组织行为和力学性能的影响。性能的影响。材料科学的发展趋势材料科学的发展趋势 从简单物质到复杂物质从简单物质到复杂物质 从简单结构到结构控制从简单结构到结构控制 从粉体材料到器件材料从粉体材料到器件材料 从块体材料到薄膜材料从块体材料到薄膜材料 从纯物质到复合，掺杂材料从纯物质到复合，掺杂材料 从宏观到微观的纳米材料从宏观到微观的纳米材料 从单功能到多功能和智能材料从单功能到多功能和智能材料材料科学的发展趋势材料科学的发展趋势传统材料一提高性能价格比传统材料一提高性能价格比先进材料一提高在恶劣环境下的使用性能先

3、进材料一提高在恶劣环境下的使用性能功能材料功能材料低维材料低维材料纳米材料纳米材料环境材料环境材料材料科学涉及的领域材料科学涉及的领域 电电子子器件器件 功能材料功能材料 结构材料结构材料 纳米材料纳米材料 环境材料环境材料 化学，化工，地质，冶金，机械，仪器仪表，航空航化学，化工，地质，冶金，机械，仪器仪表，航空航天，自动化控制，核能，建材等领域天，自动化控制，核能，建材等领域如何入手如何入手? 材料科学的研究基点材料科学的研究基点 材料科学与工程的基本要素材料科学与工程的基本要素 组织结构、成分、加工制备、性能。前面三者共同支撑组织结构、成分、加工制备、性能。前面三者共同支撑“性能性能”。

4、钻石与石墨的故事钻石与石墨的故事 有有一位声名显赫的物理学家，有一天早上出门，太太要一位声名显赫的物理学家，有一天早上出门，太太要求他买回来一粒闪亮的钻石，作为结婚纪念日的礼物。求他买回来一粒闪亮的钻石，作为结婚纪念日的礼物。 那个那个物理学家答应了。等他晚上回家时，太太满心期物理学家答应了。等他晚上回家时，太太满心期望地等在门口，但他将一根铅笔，递到太太的手上望地等在门口，但他将一根铅笔，递到太太的手上。这。这难道就难道就是钻石吗？是钻石吗？太太的鼻子都差点气歪了，但那位物理学家却一本正经地太太的鼻子都差点气歪了，但那位物理学家却一本正经地说道：说道：“难道你不知道吗？钻石与铅笔里面的石墨，

5、都是同一样难道你不知道吗？钻石与铅笔里面的石墨，都是同一样物质啊。物质啊。”“哼，你骗我，钻石可是世界上最坚硬昂贵的东西，而石哼，你骗我，钻石可是世界上最坚硬昂贵的东西，而石墨，既便宜又柔软，两者怎么可能混为一谈呢？墨，既便宜又柔软，两者怎么可能混为一谈呢？”于是，太太大发脾气，而且一定让丈夫明天买一粒又大又亮的于是，太太大发脾气，而且一定让丈夫明天买一粒又大又亮的钻石，才能算数钻石，才能算数。钻石、石墨、钻石、石墨、富勒烯富勒烯钻石、石墨、富勒烯钻石、石墨、富勒烯C C6060制品与材料特性的关系制品与材料特性的关系如何入手如何入手材料科学的研究基点材料科学的研究基点 材料的四要素材料的四要

6、素 结构决定材料的性能是自然界的永恒规律结构决定材料的性能是自然界的永恒规律 组织结构由成分与生产工艺决定组织结构由成分与生产工艺决定 确定的组织及成分必须通过一定的合成加工手段来实确定的组织及成分必须通过一定的合成加工手段来实现现 确定的组织及成分必须通过分析研究发现，进而通过确定的组织及成分必须通过分析研究发现，进而通过改进加工工艺来实现改进加工工艺来实现材材料料设设计计的的工工作作范范围围课程学习内容课程学习内容第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 X X射线衍射原理射线衍射原理 X X射线衍射强度射线衍射强度 X X射线衍射方

7、法射线衍射方法 X X射线物相分析及其应用射线物相分析及其应用第二章第二章 电子显微镜电子显微镜第三章第三章 热分析热分析第四章第四章 红外、紫外吸收光谱法红外、紫外吸收光谱法实验教学实验教学课程学习方法课程学习方法 该课程基于该课程基于X X光及光电子微粒与材料的相互光及光电子微粒与材料的相互作用，讲授利用作用，讲授利用衍射、反射衍射、反射等物理现象，对材料等物理现象，对材料的微观结构、成分组成、物相结构进行分析研究的微观结构、成分组成、物相结构进行分析研究的各种现代分析方法。既学习掌握的各种现代分析方法。既学习掌握基础理论知识基础理论知识，又要掌握常用的又要掌握常用的X X光衍射、扫描电镜

8、、光谱、热分光衍射、扫描电镜、光谱、热分析等现代化检测析等现代化检测设备的使用操作设备的使用操作，注重，注重理论与实理论与实践的结合践的结合。 教学内容进行了部分调整，提纲挈领、教学内容进行了部分调整，提纲挈领、记好记好笔记笔记、及时复习及时复习。勤于思维，善于动手，在操作。勤于思维，善于动手，在操作分析中验证学习相关理论，在进一步学习相关理分析中验证学习相关理论，在进一步学习相关理论的基础上拓宽思维，活学活用。论的基础上拓宽思维，活学活用。学习要点：学习要点：3 3个问号个问号？是什么是什么 涵义涵义？为什么为什么 原理原理？做什么做什么 应用应用前言前言 材料分析测试方法是关于材料分析测试

9、方法是关于材料成分材料成分、结构结构、微观微观形貌形貌与与缺陷缺陷等的等的分析分析、测试技术测试技术及其有关及其有关理论理论基基础。础。 分类分类 基于电磁辐射及运动电子束和物质相互作用的各基于电磁辐射及运动电子束和物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已经成为材料分析测种性质建立的各种分析方法已经成为材料分析测试方法的重要组成部分，大体可分为试方法的重要组成部分，大体可分为衍射分析衍射分析、光谱分析光谱分析、能谱分析能谱分析和和电子显微分析电子显微分析四大类方法。四大类方法。前言前言 (1) (1)衍射分析衍射分析是以材料结构分析为基本目的的是以材料结构分析为基本目的的分析方法，包括分析方

10、法，包括X X射线衍射分析、电子衍射分析和中射线衍射分析、电子衍射分析和中子衍射分析等。子衍射分析等。 (2) (2)光谱分析光谱分析是以材料成分分析为基本目的的是以材料成分分析为基本目的的分析方法，包括各种吸收光谱分析方法、发射光谱分析方法，包括各种吸收光谱分析方法、发射光谱分析方法和散射光谱分析方法和散射光谱( (拉曼散射谱拉曼散射谱) )分析方法。分析方法。前言前言 (3) (3)能谱分析能谱分析是以是以材料成分分析材料成分分析为基本目的的为基本目的的分析方法，包括分析方法，包括光电子能谱光电子能谱、俄歇电子能谱、离子、俄歇电子能谱、离子中和谱和电子能量损失谱。中和谱和电子能量损失谱。

11、(4) (4)电子显微分析电子显微分析是以材料是以材料微观形貌微观形貌、结构结构与与成分分析成分分析为基本目的。其中的一些分析方法也可归为基本目的。其中的一些分析方法也可归于光谱分析于光谱分析( (如电子探针如电子探针) )、能谱分析、能谱分析( (如电子激发俄如电子激发俄歇能谱歇能谱) )和衍射分析和衍射分析( (如电子衍射如电子衍射) )等范畴。透射电子等范畴。透射电子显微镜分析和扫描电子显微分析及电子探针分析是显微镜分析和扫描电子显微分析及电子探针分析是基本的电子显微分析方法。基本的电子显微分析方法。第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析 材料研究方法的研究对象是材料的材料研究方法

12、的研究对象是材料的组织组织、成分及成分及结构结构； 采用的手段及方法是基于检测对象对采用的手段及方法是基于检测对象对电磁波及特电磁波及特征射线征射线的反应；的反应； 基础是材料的基础是材料的结构结构及及电磁辐射电磁辐射。 1895 1895年，德国物理学家伦琴发现年，德国物理学家伦琴发现X X射线并对其射线并对其进行了研究。进行了研究。18961896年，在年，在NatureNature上发表论文，上发表论文，指出指出x x射线的几个特点：可以被射线的几个特点：可以被吸收吸收且吸收的程度且吸收的程度与与被辐射物质被辐射物质的原子量和密度有关；轻元素物质的原子量和密度有关；轻元素物质对对x x射

13、线几乎射线几乎透明透明，重元素物质对，重元素物质对X X射线有不同程度射线有不同程度吸收；能产生吸收；能产生荧光荧光，使照相底片感光。，使照相底片感光。 伦琴并未指出伦琴并未指出x x射线的本质是什么射线的本质是什么? ?19121912年，法国物理学家劳厄提出年，法国物理学家劳厄提出2 2个假设：个假设： x x射线是电磁波；射线是电磁波；x x射线能产生衍射。射线能产生衍射。上述假设通过硫酸铜单晶衍射实验得到证实。上述假设通过硫酸铜单晶衍射实验得到证实。 同时期，英国布拉格父子从反射角度提出设想：用同时期，英国布拉格父子从反射角度提出设想：用x射线照射线照射晶体中一系列相互平行原子面将会产

14、生反射，并认为只有反射射晶体中一系列相互平行原子面将会产生反射，并认为只有反射线相互叠加时反射才能发生，相互抵消时反射并不存在（线相互叠加时反射才能发生，相互抵消时反射并不存在（反射的反射的选择性选择性）。并推导出了布拉格方程：）。并推导出了布拉格方程：1913年，布拉格用年，布拉格用X分光计首次测出了分光计首次测出了NaCl晶体结构。晶体结构。通过这些研究，通过这些研究，x x射线学出现了射线学出现了2 2个分支：个分支：根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化相关的各种问题研究与结构和结构变化相关的各种问题 X X射线

15、衍射线衍射学射学根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下测定根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下测定各种物质发出的各种物质发出的x x射线的波长和强度，研究物质的原射线的波长和强度，研究物质的原子结构和成分子结构和成分 X X射线光谱学射线光谱学第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 二、二、X X射线谱射线谱 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 四、四、X X射线的探测与防护射线的探测与防护一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础1.1.原子的组成原子的组成 原子原子 (Atom) (Atom) 原子核原子核+ +核

16、外电子核外电子 电子电子 波波- -粒二象性粒二象性 轨道非固定轨道非固定，几率最大的，几率最大的 分布构成分布构成电子云层电子云层，近似，近似 认为核外电子在各自的轨认为核外电子在各自的轨 道道( (称原子轨道称原子轨道) )上运动并上运动并 用用“电子电子( (壳壳) )层层”形象化描形象化描 述电子的分布状况述电子的分布状况 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础2. 2. 原子的激发原子的激发 ( (1)1)基态基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡利原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则，分布于各能级上，处于能不相容原理、洪特规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态

17、。量最低状态，称为基态。泡利不相容原理泡利不相容原理：原子中每个电子必须有：原子中每个电子必须有独自独自一组一组四个量子数四个量子数，一个原子中不可能有运动状态完全相，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；同的两个电子； 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础例：一个原子中不会存在四个量子数完全相例：一个原子中不会存在四个量子数完全相同的电子，这句话说明了原子的核外电子的同的电子，这句话说明了原子的核外电子的排布遵循下列哪个原则（排布遵循下列哪个原则（ ）A. A. 泡利不相容原理泡利不相容原理 B. B. 洪特规则洪特规则C. C. 能量最低原则能量最低原则 D. D. 鲍林近似能级图鲍林

18、近似能级图一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础能量最低原则能量最低原则：电子总是按：电子总是按能量最低能量最低的状态的状态分布。分布。 洪特规则洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：基态多电子原子的电规则。其基本原则是：基态多电子原子的电子总是首先子总是首先自旋平行地自旋平行地、单独地单独地填入简并轨填入简并轨道道 。 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础(2)(2)激发态、激发激发态、激发 原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。激发条件激发条件： 较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定较高能级是空的或未

19、填满，由泡利不相容原理决定 吸收能量等于两能级能量差。吸收能量等于两能级能量差。 愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定； 愈远离，愈远离， 愈高，愈高， 不稳定。不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能高能级轨道（吸收能量）量） 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（3 3）激发能激发能电子激发前后所处能级（能量）之差。电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳不稳 定定，存在存在10108 810101010s s后返回基态。后返回基态。 （4 4）电子（能级）跃迁电子（能级）跃迁原子中电子受激向高能级跃迁

20、或由高向原子中电子受激向高能级跃迁或由高向低能级的跃迁。低能级的跃迁。分为：分为： 辐射跃迁辐射跃迁多余能量以电磁辐射形式放出；多余能量以电磁辐射形式放出； 无辐射跃迁无辐射跃迁多余能量转化为内能。多余能量转化为内能。 （5 5）电离能电离能使原子中电子脱离原子核束缚的能量（使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eVeV） 分为一次电离、二次电离等。分为一次电离、二次电离等。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础一一次电离：原子失去一个电子次电离：原子失去一个电子二次电离：失去一个电子的离子再失去一个二次电离：失去一个电子的离子再失去一个电子电子依次依次类推，可发生三次电离、四次电离类推，可发生三次电离

21、、四次电离一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础3 3辐射的吸收与发射辐射的吸收与发射 电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射散射，部分被部分被吸收吸收，部分被，部分被透过透过。 （1 1）辐射的吸收实质辐射的吸收实质：吸收辐射光子能量发生粒：吸收辐射光子能量发生粒子的能级子的能级 跃迁，跃迁， h h = =E=EE=E2 2E E1 1 不同物质因能级跃迁类型不同不同物质因能级跃迁类型不同对辐射的吸收对辐射的吸收不同不同能级跃迁不同能级跃迁不同辐射被吸收程度对辐射被吸收程度对或或的的分布分布吸收光谱不同。吸收光谱不同。一、电磁辐射基础一、电磁

22、辐射基础一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础光电效应：光电效应：以光子激发原子所产生的激发和以光子激发原子所产生的激发和辐射过程称为光电效应。辐射过程称为光电效应。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（2）辐射的发射）辐射的发射 物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。物质的激发方式：物质的激发方式： 非光激发非光激发 热激发热激发电弧电弧、火焰等产生热粒子碰撞、火焰等产生热粒子碰撞 电激发电激发电场加速电子轰击电场加速电子轰击 电磁辐射电磁辐射 一一次光子次光子 激发源光子激发源光子（光）激发（光）激发 二次光子二次光子 跃迁后发射光子（荧

23、光或磷光）跃迁后发射光子（荧光或磷光）物质粒子发射辐射的强度对物质粒子发射辐射的强度对或或的分布称为的分布称为发射光谱，光致发光则称为发射光谱，光致发光则称为荧（磷）光光谱荧（磷）光光谱，不同物质具有特定的特征发射光不同物质具有特定的特征发射光 谱谱；荧光吸；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（收一次光子与发射二次光子的时间短（108104），而磷光的时间长，在），而磷光的时间长，在10410s间。间。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 分子发光分子发光：处于基态的分子吸收能量：处于基态的分子吸收能量( (电、热、电、热、化学和光能等化学和光能等) )被激发至激发态，然后从不稳定的激被激发至

24、激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。 荧（荧（磷磷）光光谱：）光光谱：光致发光所得到的光谱光致发光所得到的光谱一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（3 3）光谱的分类光谱的分类 吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。 吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为可分为原子光谱原子光谱与与分子光谱分子光谱。 由于物质微粒能级跃迁的类型不同由于物质微粒能级跃迁的类型

25、不同能级差不能级差不同同吸收与发射谱波长范围不同吸收与发射谱波长范围不同红外、紫外、可红外、紫外、可见光、见光、X X射线谱。射线谱。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础按强度对波长的分布分为：按强度对波长的分布分为：线光谱：线光谱：某些特征波长位置有很高的狭仄谱线，有特某些特征波长位置有很高的狭仄谱线，有特征信息征信息带带光谱：光谱：多条波长相近的谱线形成的谱带，有特征信多条波长相近的谱线形成的谱带，有特征信息息连续光谱：连续光谱：强度对波长连续分布，无特征信息，在光强度对波长连续分布，无特征信息，在光谱分析中，易遮盖特征谱，干扰分析谱分析中，易遮盖特征谱，干扰分析二、二、X X射线的产生及射线

26、的产生及X X射线谱射线谱1 1X X射线的产生原理射线的产生原理 阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰撞产生（质碰撞产生（1 1能量），其余能量），其余9999转为热能。转为热能。 2 2X X射线产生条件射线产生条件 1 1）产生自由电子）产生自由电子 2 2）使电子做定向高速运动）使电子做定向高速运动 3 3）运动路径设置使其突然减速的障碍物）运动路径设置使其突然减速的障碍物 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱3 3X X射线管射线管 相当于一个真空度为相当于一个真空度为10105 510107 7mmHgmmHg的大

27、真空二极管的大真空二极管 （1 1）基本组成）基本组成 1 1）阴极阴极：W W丝制成，发射热电子。丝制成，发射热电子。 2 2）阳极阳极：亦称靶：亦称靶使电子突然减速，发射使电子突然减速，发射X X射线。射线。 常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱3 3）窗口窗口X X射线从阳极向外射出区射线从阳极向外射出区，铍制铍制，高真高真空空，对对X X 射线吸收小。射线吸收小。 4 4）焦点焦点阳极靶被电子轰击发射出阳极靶被电子轰击发射出X X射线处。射线处。二、二、X X射线的产生及射线的产生及X

28、X射线谱射线谱4 4X X射线分类射线分类（0.010.01100100） （1 1）硬硬X X射线射线波长较短，能量较高，穿透力强，波长较短，能量较高，穿透力强，用于无损探伤（用于无损探伤（0.050.051 1 ）及金属的物相分析）及金属的物相分析（0.50.52.5 2.5 ）。）。 （2 2）软软X X射线射线（1010100100）：穿透力弱，主要用于）：穿透力弱，主要用于医学。医学。二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱5 5X X射线谱射线谱 指指X X射线强度随波长变化的关系曲线，分为：射线强度随波长变化的关系曲线，分为：（1 1）连续连续X X射线谱射线谱

29、1 1）定义：具有连续波长，）定义：具有连续波长， 亦称多色亦称多色X X射线。为高速运动射线。为高速运动 的电子被靶突然阻止而产生，的电子被靶突然阻止而产生， 绝大多数电子绝大多数电子经历多次碰撞经历多次碰撞， 产生能量各不相同的辐射，产生能量各不相同的辐射， 形成连续谱。形成连续谱。二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱连续波在短波方向上有一波长极限连续波在短波方向上有一波长极限（0），是指光子），是指光子 一次碰撞就耗尽能量一次碰撞就耗尽能量所产生的所产生的X射线。射线。 eU=hmax=hc/0 0=hc/eU=1.24/U (nm) e电子电荷，等于电子电荷，等于1.610

30、19 C； U电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降； h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.6261034 Js 二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱UImax在在1.50处，此时波长记处，此时波长记为为m二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱3）X射线强度射线强度 指垂直于指垂直于X射线传播方向的单位面积在单位时间射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。内所通过的光子数目的能量总和。 用用I表示，单位表示，单位 J/cm2.s 。 I由光子能量由光子能量h及其数目及其数目n共同决定共同决定: Inh 二、二、X射线的产生及射线的产生及X射

31、线谱射线谱 连续连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶射出射线的总强度，也是阳极靶射出X射线的总射线的总能量：能量： I连连iZUm i电流；电流；U电压；电压；m2； Z原子序数；原子序数；（1.11.4）10-9 阳极靶只能影响连续谱的强度，阳极靶只能影响连续谱的强度，不能影响不能影响其波长分布。其波长分布。二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱（射线管效率）（射线管效率） I连连/功率功率iiZU2/iUiZU i（1.11.4）10-9 当使用钨阳极（当使用钨阳极（Z=74），管电压为），管电压为100KV，

32、=1%，可见效率低，多发热，故要用可见效率低，多发热，故要用高熔点金属高熔点金属做阳极做阳极且水冷。且水冷。 二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱： a、同一阳极靶，管电压、同一阳极靶，管电压U不变，不变，提高管电流提高管电流i ，各波长射线的强度各波长射线的强度I 提高，但提高，但0和和m不变不变； b、提高管电压提高管电压（i、Z不变），各波长射线的不变），各波长射线的I增增大，但短波限大，但短波限0 和强度最大时对应的和强度最大时对应的m减小减小； c、U与与i相同时，原子序数相同时，原子序数Z越高，连续谱的越高，连续谱的I越大，越大，但但0和和m不变不变二、二、X射线的产生

33、及射线的产生及X射线谱射线谱：在连续谱基础上：在连续谱基础上 叠加若干条具有一定波长的叠加若干条具有一定波长的 谱线，这些谱线强度峰的谱线，这些谱线强度峰的波波 长反应了物质原子序数的特长反应了物质原子序数的特 征，征，所以叫所以叫；由；由 特征射线组成的谱线叫特征射线组成的谱线叫。 ：产生特征：产生特征X射线射线 的最低电压的最低电压UK临界电压临界电压。二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱2）特征）特征： 电压达到电压达到U临界临界时，时，特征谱特征谱 线的线的不变不变，强度按强度按n次次方的方的 规律增大规律增大。即：波长反映了。即：波长反映了 原子序数的特征。原子序数的特征

34、。如如: 钼靶钼靶K系特征系特征X射线有两个强度高峰射线有两个强度高峰K和和K，波，波长分为长分为0.71和和0.63. I特特/I连连在在U/U临界临界35 时最大时最大。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 如：如：K K层电子被击出层电子被击出 时，系统能量由基态时，系统能量由基态 升高到升高到K K激发态，高激发态，高 能层电子向能层电子向K K层空位层空位 填充时，产生填充时，产生K K系辐系辐 射；把其中射；把其中L L层电子层电子 填充空位称为填充空位称为K K辐射辐射 M M层电子填充空位产层电子填充空位产 生生K K辐射。辐射。二、二、X X射线的产生及

35、射线的产生及X X射线谱射线谱 由能级知由能级知K K辐射光子能量大于辐射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K层与层与L L层为相邻层为相邻能级，能级，L L填充几率大填充几率大，故实际，故实际K K强度约为强度约为K K强度的强度的5 5倍倍。 同理，同理，L L层电子被激发而产生的特征层电子被激发而产生的特征X X射线称为射线称为L L系辐射系辐射或或L L系系射线，射线，L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K K11和和K K22的关系的关系是是 K1K1K2K2， I IK1K12I2IK2K2 对于多重线系，如对于多重线系，如L L

36、2 2及及L L3 3层电子向层电子向K K层跃迁，形成的层跃迁，形成的KK有如有如下关系下关系 ： KK2/32/3K1K1+1/3+1/3K2K2 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱莫塞莱定律莫塞莱定律 莫塞莱定律莫塞莱定律: :标识特征标识特征X X射线谱的频率和波长只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，是物质的固有取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。特性。 莫塞莱定律：标识特征莫塞莱定律：标识特征X X射线谱的波长射线谱的波长与原与原子序数子序数Z Z的关系为：的关系为：1/()C Z 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线

37、谱射线谱 在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单征谱为主的单 色光源，即色光源，即I I特特I I连连尽可能高。为了尽可能高。为了使使K K系谱线突出系谱线突出，x x射线管适宜的工作电压一般比射线管适宜的工作电压一般比K K系系激发电压高激发电压高3 35 5倍，即：倍，即：U U工作工作= =（3 35 5）U U临界临界（即（即U UK K）；下表给出常用）；下表给出常用x x射线管的适宜工作电压及特征射线管的适宜工作电压及特征谱波长等数据。谱波长等数据。二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱三、三、X X射线与物质

38、的相互作用射线与物质的相互作用 X X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束杂，然就其能量转换而言，一束X X光通过物质时，分光通过物质时，分为三部分：为三部分：散射散射、吸收吸收、透过透过。三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1 1X X射线的散射射线的散射 X X射线被物质散射时，产生射线被物质散射时，产生相干散射相干散射和和非相干非相干散射散射。 （1 1）相干散射：物质中电子在）相干散射：物质中电子在X X射线作用下振动，射线作用下振动，产生的产生的新电磁波波长和频率相同新电磁波波长和频率相同，位相差恒

39、定，产，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。生干涉现象，发生相干散射。 （2 2）非相干散射特征：）非相干散射特征： X X射线光子与射线光子与束缚力不大的外层电子或自由束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹电子发生非弹 性碰撞性碰撞使波长增大；使波长增大； 电子获得能量成为反冲电子；电子获得能量成为反冲电子； 位向差不恒定，无干涉发生。位向差不恒定，无干涉发生。三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2 2X X射线的吸收射线的吸收 X X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁，发生引发物质中原子内部的电子跃

40、迁，发生X X射线的光电射线的光电效应和俄歇效应。效应和俄歇效应。 （1 1）二次特征辐射）二次特征辐射 当入射当入射x x射线光子射线光子能量达到某一阈值能量达到某一阈值可击出物可击出物质原子内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐质原子内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的射。与此能量阈值相应的波长称为物质的吸收限吸收限, , 亦称为亦称为K K系特征辐射的系特征辐射的激发限激发限，用，用K K代表。代表。 产生光电效应的条件：产生光电效应的条件：X X射线光子波长必须小射线光子波长必须小于于吸收限吸收限k k。 辐射辐射条件：激发限条件：激发限K K=1

41、.24/U=1.24/UK K （nmnm） U UK K把原子中把原子中K K壳层电子击出原轨道所需壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；要的最小激发电压；三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 K在讨论光电效应产生的条件时叫做在讨论光电效应产生的条件时叫做K系激发限系激发限；若讨论若讨论x射线被物质吸收射线被物质吸收(光电吸收光电吸收)时，又可把时，又可把K叫叫吸收限吸收限。 推导推导: 为产生为产生K系荧光辐射，入射光子的能量系荧光辐射，入射光子的能量h必须必须大于或等于大于或等于K层层 电子的逸出功电子的逸出功WK，即即hhc/eUK hc/eUK=1.24/UK=K

42、 说明：当入射说明：当入射x射线波长刚好小于等于射线波长刚好小于等于K时，时，可发生此种物质对波长为可发生此种物质对波长为k的的X射线的强烈吸射线的强烈吸收，而且正好在收，而且正好在K1.24UK时吸收最为时吸收最为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。最严重。三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用（2）X射线的吸收射线的吸收 X射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。方向强度必定减弱。 1）朗伯定律朗伯定律：单色光照射到均匀介质上，均匀介质：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减对光强的衰减 程度，即介质原子对入射光子的吸收程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（几率，与介质的厚度（t）成）成 正比。正比。 dIt/It=-dt 比例常数，与入射线波长及物质有关，称比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射为该物质对入射X 射线的衰减系数，亦称为线衰减射线的衰减系数，亦称为线衰减系数。系数。 上式积分得：上式积分得：It= I0e-t t为介质厚度；为介质厚度；I/I0称为穿透系数称为