材料分析方法之材料X射线衍射分析PPT通用课件

1、材料分析方法第一部分 材料X射线衍射分析主要内容： X射线的性质 X射线的产生及X射线谱 X射线与物质的相互作用第一章 X射线的物理基础第一章 X射线的物理基础1901年首位诺贝尔物理奖获得者1895年德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现 X射线（伦琴射线），产生、传播和穿透力等性能X射线是电磁波? 粒子流？争议?早期应用（发现后半年）：骨折诊断和定位/铸件探伤X射线透视技术引言（X射线谱发展历史）伦琴拍摄的世界上第一张 X射线照片（伦琴夫人的手机戒指）探讨X射线本质的研究基础1911 年，劳埃光波通过光栅的衍射理论研究1911 年，爱瓦尔德可见光通过晶体的衍射行为1908 年，佩兰

2、解决了准确测定阿伏加德罗常数。 可计算晶体中一个原子或分子所占空间 的体积及粒子间的距离。两种假说X射线是电磁波，应具有衍射现象?晶体具有空间点阵结构（规则排列）？无法证实！劳埃提出晶体可以作为X射线的天然立体衍射光栅1912年劳埃设想被初步证实CuSO45H2O晶体为光栅， 获得了第一张X射线衍射图弗里德里克和克尼平实验开辟了两个研究领域解决三大问题X 射线是波长很短的电磁波晶体内部结构的周期性 利用X 射线衍射效应研究晶体结构 X 射线光谱学 X 射线晶体学推测出x射线的波长和晶体中的原子间距数量级相同劳厄实验晶体中原子排列成有规则的空间点阵，原子间距为10-10m的数量级，与X射线的波长

3、同数量级，可以利用晶体作为天然光栅。1912年劳厄的实验装置在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。劳厄实验证明了X射线的波动性，同时还证实了晶体中原子排列的规则性。劳厄（M. V. Laue，1879-1960） 德国物理学家，发现 X射线的衍射现象，从而判定X射线的本质是高频电磁波。1914年，他因此获得诺贝尔物理学奖金。布拉格父子（W. L. Bragg，子、W. H. Bragg，父）英国物理学家，在利用X射线研究晶体结构方面作出了巨大的贡献，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基础。他们因此而于1915年共同获得诺贝尔物理学奖金。X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大

4、成就之一，围绕X射线进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多。与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 1-1 X射线的性质波长：紫外线和射线之间特点：1、 在电磁场中不发生偏转；2、 穿透力；3、 波长较短的电磁波，范围 在0.01nm10nm之间；4、对人体有伤害。1-1 X射线的性质X射线本质是电磁波磁场分量电场分量A忽略沿y轴传播的波长X射线波的方程表示为：A = A0cos2(y/-t)A0电场强度振幅， 频率（c/）c 光速； t 时间（1-1）1-1 X射线的性质以表示相位，即= 2（y/) ，令=2A = A0cos（-t）当t=0时，则（1-1）可写成（1-2）（

5、1-2）指数形式为A = A0ei(-t)A = A0eiei- 相位因子X射线波动性粒子性-显著-光量子流光量子动能E=h=hc/动量P=h/=h/c1-2 X射线的产生及X射线谱AK高压1895年伦琴发现，高速电子撞击某些固体时，会产生一种看不见的射线，它能够透过许多对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，这就是所谓的X射线或伦琴射线。X射线谱连续 射线谱（标识 射线谱）特征 射线谱XXX原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。管电压管电流阳极靶原子序数一、连续 X射线谱1、实验规律2、产生机理连续性？swl？Imax

6、-m?？经典电动力学量子理论强度随波长连续变化管压U增大（i，Z不变）， 各波长X射线强度提高， 短波限swl和强度最大值 m减小管流i 增大（ U一定，Z不变) 各波长X射线强度提高， swl与 m不变靶材的原子序数Z越高（U ，i 不变） 各波长X射线强度越大， swl与 m保持不变二、特征 X射线谱1）由若干互相分离且具有特定波长的谱线组成；2）强度大大超过连续谱线的强度并迭加于连续谱线之上；3）谱线波长不随X射线光管的工作条件（电压和电流）而变，只决定于阳极靶物质的原子序数1、实验规律当UUK时，在连续谱上特定波长出现出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，称为特征谱或标识谱2、产

7、生机理K K3、X射线的应用莫塞莱定律：特征X射线的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，而与其他外界因素无关。1914年，莫塞莱总结发现了这一规律，并因此获得诺贝尔物理奖莫塞莱定律成为X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础1-3 X射线与物质的相互作用 X射线到达物质表面后的能量将分为三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、 X射线的透射系数和吸收系数l 称线吸收系数e-t 称透射系数X射线强度随透入深度的变化m-质量吸收系数可反应物质本质的吸收特性l X射线通过单位厚度（体积） 物质的相对衰减量m单位面积厚度为t的体积中的物质的质量（m= t）mX射线通过单位面积上单位质量

8、物质后强度的相对衰减量。m随入射波长的变化（Z一定）m 决定于吸收体的原子序数Z和X射线的波长，其关系的经验式为波长减小到某几个值时，m突然增加，出现若干个跳跃台阶。m突增说明在这几个波长X射线被大量吸收，这个相应的波长称为吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列的吸收限。Wi 某组元的质量分数n 吸收体中的组元数m 具有加和性二、X射线的真吸收 吸收系数突变是由于光电效应消耗大量入射能量引起的 光电效应是指吸收体原子某壳层电子获得入射光量子能 量，从内层溢出而成为自由电子（称光电子），使原子 处于相应激发态 如k激发态 ： ，k、k为K吸收限频率和波长 （同一元素） 激发态的原子有2种释放能量

9、方式：荧光效应和俄歇效应真吸收包括光电效应和热效应所引起的入射能量消耗俄歇电子能谱(AES)分析X射线荧光光谱(XFS) 分析光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图滤波片原理示意图光源波长与试样吸收谱的关系选择X射线靶材的依据吸收限的应用获得单一波长的X射线三、 X射线的散射X射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即 相干散射和不相干散射。 X射线被物质散射，主要是核外电子与X射线相互作用的结果。 相干散射（经典散射） 入射X射线与原子内受缚较禁的电子相遇，光量子能量不足 以使原子电离，但电子在X射线交变电场作用下发生受迫振 动而成为电磁波的发射源，向四周发射与入射X射线波长相 同的辐射，因各电子所散射的射线的波长相同，有可能发生 相互干涉 。 不相干散射（量子散