第一讲 X射线衍射物相定性

材料现代测试方法2014.091提纲（Outline)引言（Introduction-Why,WhatandHow）材料科学与工程材料表征课程内容表征原理X射线衍射XRayDiffraction(XRD)历史回顾X射线性质和产生X射线谱2过程、组成ProcessingComposition结构Structure性能效能

Properties结构形成过程“材料工艺”中心环节<材料学基础>构件、器件的制备“材料选择”PerformanceMaterialsScienceandEngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkagesWhatisMaterialsScienceandEngineering?3MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.4研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实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.(材和料）

“Seeing”isbelievingMSEandMaterialsCharacterization材料科学与工程和材料表征5MaterialsCharacterization狭义的材料表征指研究材料组成、结构（及性能？)的仪器分析方法。材料组成？Composition，ComponentandConstituentsWhatdoyoumeanorthinkofwhenyousayorseethe3“C”s?Isitenoughtoknowelementalcomposition(元素组成）?QualitativeandQuantative6三聚氰胺（化学式：C3H6N6），俗称蜜胺、蛋白精

食品工业中常常需要测定食品的蛋白质含量，由于直接测量蛋白质技术上比较复杂，所以常用一种叫做凯氏定氮法的方法，通过测定氮原子的含量来间接推算食品中蛋白质的含量。由于三聚氰胺与蛋白质相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白质含量较高的假象。“相”组成更为重要？！7Whatismaterialstructure?

材料结构？组元（元素、相）

组元的排列、结合方式8多层次的物质结构

Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.宏观：Macroscopic(>0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介观：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亚原子：Subatomic(<0.1nm)Electrons,protons,neutrons材料科学研究范畴Domainofmaterialscience9材料帆表征Ma夕te搏ri吊al晋s坝Ch绳ar排ac拣te亦ri梁za婚ti假on元素神（化泻学）萌组成El请em盈en辞ta播l颗An家al凯ys羡is相分渡析Ph任as察e湾id雅en如ti挖fi府ca球ti并on相变Ph气as利e编tr但an转sf刘or廉ma嫌ti乏on不同府层次垃的结驳构St馆ru难ct啄ur旋e粗at锋d影if掩fe熊re被nt村l栽ev骆el院s,脚M面ac法ro稠t昼o立mo绢le命cu脱le俗s桥an章d础at胁om按s表面仔与界龟面Su咐rf撕ac析e,痛i赢nt互er乌fa预ce微观涨、光完谱、幸衍射骂与成暮像、光各种凤热分亡析方紧法Mi邮cr势os返co扒py默,sp估ec衬tr络os帽co贷pyan撤d悬an宽al蕉ys叶is优,涛di业ff北ra疑ct哪io结n转an硬d傍im掉ag垫in悲g,th刺er骨ma睛l义me径th衬od妙s10材料势研究劝需要庆各种利分析漏表征钢手段元，要扒求我赚们掌惕握它德们的玻原理相并在余实践主中加咸以灵箩活运辟用。11课程册内容第一谷章X射线钉衍射泉分析族（卢拒都友范）第二港章猜电子爬显微朵分析孕（刘房诚云飞败）第三形章节振动队光谱亡分析席（陶绕亚秋侦）第四泛章外热分穴析饺（李接晓云慰）12材料蜻的分负析与吸表征浊原理Ma栽te备ri盯al周s哲Ch幅ar浇ac穗te祝ri形za爬ti高on材料信号输入信号输出材料衣与输驶入信杆号相泡互作共用，叔产生季输出笋信号语。比较窜输入船和输赴出信神号，叼获取烘材料威的相主关信室息。1、修输入亲什么吊信号披；2凯、获英取什食么信逆号；腾3、头输入堵信号舱与材逃料的聪相互驱作用塑，以例及输钟出信柱号的过产生撕过程肠。13材料运的分神析与调表征Ma患te编ri潜al鸦s质Ch盾ar营ac雨te聚ri东za弯ti悬on信号输入信号输出光子星、电亦子、甘离子豆束、解中子、热犬、磁尼、电轻、光推等材料了解唇掌握堪和灵皇活运针用各微种表疼征手耀段。光子绞、电男子、瓜离子祸束、糟中子、热等、磁丛、电而、光靠等14X射线娘衍射堪分析15X射线芹的发露现－Hi盖st乏or弄y催r仙et关ro木sp驳ec稳ti顾on18支95年，德跃国物肥理学届家Rö耀nt爽ge应n（伦琴智）肿(Bo序rn冶i衬n概18步45虎i探n院Ge或rn烟ma然ny详)在研降究阴竿极射靠线时来发现沿了X射线极（19职01年获得毙首届划诺贝访尔奖派）16Pe样rf幸ec抬t遗di充sc秆ov距er凤yNo搂m邀is宰ta利ke政s.Fe建w起ac溜co骡un置ts员o阁f独di袄sc圆ov运er沾ie狗s今wh量ic基h集do承n抖ot聪c阳on喘ta仍in郊m昆is循ta舰ke科s细of款o厚ne慨k柴in魄d呆or授a恰no筝th庸er闪.Ro途nt纵ge秆n旧wa航s乒co少rr芹ec桑t虹in虚e计ve颠ry予d这et蓄ai无l!Ex竞pl哀oi山t目th葛e省su番bj拔ec腿t榨co谁mp的le蚁te煌ly.Th侧re研e精pa港pe长rs任e央xh主au幼st看ed寒t栋he斗s织ub那je怠ct表s丽o吩co炎mp堵le罢te尘ly辩t踏ha枣t压fo榆r侵al捏mo怒st糠a辰d姥ec溉ad蒙e急no膀th须in双g构ne浑w危co没ul疏d箭be兄s杰ai改d苍ab负ou通t气it捧.衔Wi提th拍w踢ha暗t副in车ge投ni紧ou神s遮ca编reth较ey瓜a造re腐w半ri蜜tt岗en毫.Qu梦ic诸k侧ap炼pl膝ic掘at脂io堪nDe粪c宜28盲,朱18摘95油p疗ub跟li驰sh尼ed反h扁is晓p乘re炊li贪mi谱na齐ry改c忠om段mu姓ni面ca熄ti阿on砖,松J衣an棋6她,绵18递96相.17Bornin1845inGermany.Insmallandinformalgroupshecouldbeengaging,buttostudentsandjuniorcolleagueshewasknownasunapproachable.Hewasextremelynervousandunabletospeaktoaboveawhisper.Thispublicuneasinesswascombinedwithanunwaveringadherencetoprinciples.VonLaue1962.Theimpactofhisdiscoverywassooverwhelmingthathe,whowasover50atthetime,neverrecoveredfromit.For-asfewpeopleseemtorealize—everygreatintellectualdiscoveryisaheavyburdenforthemanwhomakesit….Themagnitudeofhisexploitcanberecognizedparticularlyifoneconsidersthatthelargenumberofotherphysists,someofthemofgreatrenown,whoexperimentedwiththesamekindofapparatusbeforeretegenanddidnotdiscoverythexray.Forsuchabreakthroughintocompletelyunsuspectedterritoryonemusthaveenormouscourageandinadditionaselfdisciplinewhichpreservesmentalcalmandclarityinthemidstofthegreatjoyandexcitementofthefirstfindings.Manyobservationshavetobemadeandcorrelatedtomakepossible(thethreepapers)whichexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Iknowonlyfewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Seldomhasascientificdiscoverycapturedthepublicfancysothoroughlyandsoquickly.ContributingtothiswasthealmostimmediaterecognitionofthemedicalapplicationofXrays.Hispreliminarycommunication,concerninganewkindofrayswaspublishedonDec28,1895.Asanewyear’sgreetingtocolleagues,hesentreprintsalongwithhisxrayphotos.Oneofthereprints,alongwithaphotoofhiswife’shand,quicklyfounditswaytoDr.MoritzJastrowitz,aphysician,whoatameetingoftheBerlinMedicalassociationonJan6,1896.Thediscoveryofx-raybyRontegenistheperfectexampleofSerendipity有意外发现珍宝的运气.Therewasnobasisforpredictingit.Thevalueofbasicresearchhasseldombeenbetterillustrated.ImagineifsomehospitalorhealthministryhadmadeacontractwithRontgentoinventadeviceforinspectingbrokenbones.WouldhehavebegunbybuildinganapparatusaroundtheHittorf-Crookestubeanditshigh-voltagecoils?18Ro宿nt拐ge奇n垫be真li作ev拍ed差s图tr适on幸gl悟y猾th方at然s煌ci纹en耗ce用s丽ho优ul聪d咳no下t音be军p钳op骂ul挖ar搏iz劲ed扒(庄a五d抛il破ut埋in独g伸in眠h塞is企v邪ie犯w)喜t蔑ha赢t接tr失ue添s艰ci朋en党ce划w质as帽n渡ot刺f蜡or备t酒he愧s归ak狡e汗of作g响ai蛛n渣or两v拨an蛙it妨y,复b苗ut糠s程ho朋ul李d唉be羽p磁ra享ct堂ic降ed酸t背o升sh烘ed学l谎ig杏ht根o碑n撑Go扑d’白s爹tr嘉ut贸h,帮a守nd摄t缘瑞ha房诚ton背e锣mu芬st煎b阿e血ab回so朋lu薄te好ly匹c毫er扫ta殿in杠e射ve类ry幼th爸in谦g医on善e位wr董it貌es盈f狗or唉a唱p郑ub湿li妇ca嘴ti笋on聚i武s莫ab裂so眨lu荡te充ly肯v团er尾if差ia懒bl须e-轰no蹦s谁pe财cu犬la订ti虏on发i脊s俯al某lo糊we液d.A牙ve址ry奶b尤ro绞ad衔r订an萌ge浑o宜f脑me姑th乡丰od旗s饭du幸e内to演t蜓he比t樱yp虚e气an则d欣re乞qu禾ir蹦em离en魂ts犁o罢f研ma歇te浪ri己al寒s脏ch胳ar即ac离te手ri郊za坟ti辈on厌.袖Ph她as猫e昏id字en劈燕ti奶fi躲ca灵ti抬on壮,黎qu涛al娇it席at幻玉iv凤e授an辅d犬qu艘an虫ti辛ta伯ti罚ve浅,19X射线个的发拌展史18披95年，德率国物公理学疯家Rö皆nt而ge提n（伦琴崖）在研龟究阴河极射舰线时坝发现洗了X射线验（19车01年获得迹首届增诺贝姨尔奖钳）19茎12年，德款国的La场ue女(劳厄)第一抹次成顷功地成进行X射线脂通过冰晶体饼发生划衍射瓦的实摇验，亩验证来了晶祝体的通点阵译结构这理论寻。并截确定授了著场名的患晶体谱衍射元劳埃螺方程穗式。铺从而娱形成骄了一补门新俯的学得科—X射线榆衍射范晶体辩学。江（19艘14年获得幸诺贝册尔奖包）19源13年，英烟国Br还ag御g（布选喇格举父子如）导出X射线鼻晶体雅结构漠分析血的基工本公汤式，缝即著然名的音布拉弯格公织式。钥并测臣定了Na肠Cl的晶弄体结悟构。眨（19写15年获得币诺贝扒尔奖)20X射线否的发驰展史19亏17年,巴克砍拉发现魂元素申的标煌识X射线经；19先24年,塞格叔巴恩创立持了X射线午光谱颠学；19猴36年，德拜、19婶46年，马勒，19任79年，柯马磁克等人魔由于恼在X射线卷及其横应用灵方面该研究锹而获脊得化学，生理，物理诺贝拾尔奖顾；有机阴化学丙家豪普沟物曼和卡尔颈勒在50年代琴后建温立了报应用X射线餐分析挂以直森接法润测定责晶体叮结构钢的纯擦数学妨理论甲，特秒别对井研究晶大分坊子生以物物朽质结副构方让面起愿了重截要推提进作笋用，倡他们辨因此胳获19典85年诺贝宴尔化跌学奖色。211、汤衍射丢分析油技术血的发神展与X射线托及晶图体衍芒射有鹿关的训部分聪诺贝制尔奖蹦获得龙者名王单22X咬射线梅应用花技术X射线茄形貌开技术范（Ra亿di捡og耕ra岗ph状y）医学欠诊断华、治变疗、庭工业租探伤X射线竖光谱袜技术无（Sp隐ec笑tr丑um蔬）元素骑分析X射线赤衍射喊技术换（X隔ra聚y皱Di皆ff昏ra催ct室io筑n-豪XR皆D）相分吹析、果结构门分析不等23课程商要求卫和内要容提秤纲理解XR蚀D和仪圈器工誉作原邻理，易熟练权掌握XR修D物相涛定性拣分析雹方法病，了麦解XR合D在其慌它方通面应辉用。X射线颗的物打理基性础晶体纳结构执基础驳知识X射线寄衍射例几何跃条件吃和衍号射线显强度X射线另衍射酱仪X射线灰衍射茶物相可定性铲分析磁原理贯及应暂用24X射线束的物哀理基删础Th艘e损na布tu请re呈o稿f秒X尾ra狱ysTh扑e维pr朗od遵uc移ti宇on里a彼nd获d咱et呀ec脂ti山onTh浓e粥sp傅ec僻tr稻um千o施f思X制ra盼ysIn钞te锋ra独ct顾io抹n捧of境X箱-r酿ay酿s筛wi鹊th扁m雷at谋er榴ia碎lsSa驾fe贱ty251.脊T躺he丈N糟at乎ur晕e次of射X拥r婶ay忌sX射线复和可谅见光一乏样属抵于电磁辐射，但夹其波莲长比可但见光盗短得多，窝介于紫外站线与γ射线之间雀，约为10－2到102埃的掩范围炸。（如麻右图预所示热）26波粒放二相效性pr雷op肝er旬ti精es佳o表f母bo散th时w涛av伶es议a趁nd壶p殃ar秀ti蝴cl耳es波动得性：脏用波示长、秩频率观、振国幅、裕传播夏方向族表征反。一扔个随萌时间嫌变化论的正晒玄式内振荡灰的电需场，乘其垂速直方业向是搭一类排似变想化的幼磁场源，即看交变贷变化看的电砍磁场差的传斧播，龙传播出方向云由右师手螺孝旋定刮则确浮定。系干涉坟、衍烈射现唤象。粒子鉴性：香和其取它电施磁波稿和微片观粒烛子一出样（捏中子丢、质岛子、场电子映等）退，x光子利是具详有确幅定能闪量的新粒子知。与岂物质亿相互冬作用钳现象挎，用系动能筹和动内量表渴征。波粒琴二相允性公泻式：E=仔hv栗=h亡.c插/λ遇，P费=h娇/λ27由于x射线鞋有能额量，俗可以股使底桐片感材光、挽荧光扛屏发呼光，殿气体宴电离承。而x射线魂的强沾度与氏照相列底片子的感薪光程渐度、涨荧光趁屏发贺光亮庸度及敬气体蚂的电校离程究度有证关，亦因此雁可以忙利用显这些闹效应倚来检村测x射线色的存伐在及旱强度状。能量案与强李度En死er顽gy盲a奇nd易I桨nt塑en碧si顾ty能量：E=懒hv篇=h肆.c圆/λ洪（与波稿长成怨反比拦，频桃率成揭正比逃）冠与穿稿透能运力相珍关。强度煌：是指扛行垂等直X射线抗传播咏方向箱的单坦位面雹积上在夺单位氏时间科内所销通过驶的光子理数目的能量总欲和。常用痰的单遗位是J/榴cm合2.泛s.强度I是由奖光子文能量hv和它叼的数榆目n两个菜因素退决定米的,脊即I=盘nh弯v.28Pr点od猴uc斥ti栏on躺o叶f重X亦Ra或ys－X劲ra架y剃tu抬be（X射线割管）29Wo摘rk典in铸g组of甲X甚r郊ay帽t叮ub携e3031323.售XRa挎y响sp麦ec只tr益um罢－抓X射线礼谱当高中能电崖子与次靶上线原子斑碰撞净时，胳高能晶电子腾突然星受阻器产生收负加胜速度坝。按侧照经典电磁存辐射厕理论柄，加描速带知电粒钉子辐建射电稠磁波移，从抢而产袭生连页续X射线纹。Su默dd俗en崭d嗓ec腔el辽er舰at战io扣n怀of叙f火as驼t-规mo太vi笋ng敏p杜ar甜ti四cl丑esCo础nt捆in约uo加us羽a钥nd争c娇ha遮ra倾ct羡er滤is周ti诞c似X火Ra莫y锹sp汤ec黄tr廉um33h.驴c/拴λ=联eV标λ耽=h.铃c/教eVλ0=1库.2吨4/还VCo科nt链in功uo剑us当/w跑hi凤te往X生R择ay走s悲pe脏ct达ru击m34短波健限连续X射线疗谱在告短波邀方向廉有一糠个波吐长极罪限，狐称为挥短波葵限λ0.它是灭由光裹子一醒次碰酬撞就号耗尽合能量毯所产不生的X射线逗。它铅只与艺管电致压有蔑关，籍不受垃其它电因素息的影搏响。相互骄关系君为：式中e—午—电子异电荷汁，等六于静电抢单位蜂；V—坚—电子许通过路两极豪时的阀电压界降（岂静电堂单位遍）；h—躲—普朗近克常饿数，菊等于相关蒜习题稳：35相关羡习题试计管算用熟50辈千伏丧操作忽时，X射线绳管中画的电雁子在册撞击鸡靶时童的速抓度和浪动能旅，所祝发射键的X射线什短波搭限为深多少栗？36X射线摘的强墨度连续X射线脸谱中爱每条科曲线恩下的水面积昏表示瘦连续X射线只的总鼻强度课。也祥是阳匀极靶毒发射渡出的X射线跑的总悉能量偶。实验欢证明寸，I与管跌电流搅、管好电压徒、阳羞极靶碰的原拌子序符数存演在如泼下关燥系：我且X射线损管的顷效率顶为:37当电伤压达尝到临凳界电很压时光，标押识谱检线的锯波长裤不再社变，述强度塔随电傅压增狮加。连续X射线搜强度宗最大朋值在矩1.轨5λ0姑,而不节在λ0处。38是在迹连续伙谱的垃基础校上叠轰加若耻干条卧具有蜡一定纷波长部的谱习线，刚它和革可见涨光中省的单奸色相沸似，墓亦称畅单色X射线坊。39特征/标识X射线竞谱根本早原因秆：原子内层电子辟的跃油迁高能非电子毫撞击氏出靶躲材料糠原子绞的内益层一茫个电顿子，揭被逐滔出电扰子的辆空位松很快凝被外症层的图一个寄电子诵填占估。而决这个躬电子咱空位变又被用更外陆层来估的电蚕子占洪有，分如此引一系舞列步校骤使污该电带离原鼠子恢泰复正宏常状北态。同每一蹦步的岁电子驴跃迁准产生隙特征X射线持。40标识X射线帽的标识线分跑别为够相邻女电子话层、叔隔层莫电子兽层、遍隔两绸层跃驰迁产绞生的披特征信线K系x射线添：其它链电子涛层跃献迁到K层产惑生。等41L层电洋子跃仪迁到K层的书概率凝比其峡它电滑子层娘跃迁贩到K层的恢概率醒大，郊即单忠位时