材料近代分析测试技术第一章

材料近代分析测试方法

滨州学院路密

第一章X射线物理基础1.1FundamentalprinciplesX-rayspectroscopymeasurementsprovidemuchusefulinformationaboutthecompositionandstructureofmaterial.X-Raysaredefinedasshort-wavelengthelectromagneticradiationproducedbythedecelerationofhigh-energyelectronsorbyelectronictransitionsinvolvingelectronsintheinnerorbitalsofatoms.ThewavelengthrangeofX-raysisfromperhaps10-5Åtoabout100Å;conventionalX-rayspectroscopyis,however,largelyconfinedtotheregionofapproximately0.1Åto25Å.第一章X射线物理基础1.1X射线的本质1895

伦琴(Roentgen) 发现X射线1912

劳厄（Laue） 晶体的X射线衍射1915

布拉格父子(Bragg) 分析晶体结构1发现2产生X射线的条件1.产生自由电子的电子源；2.自由电子的撞击靶；3.阴、阳极之间的高电压；4.高的真空系统。第一章X射线物理基础3特征ε=hν第一章X射线物理基础1.2X射线谱1.2.1连续X射线谱1.各种波长射线的相对强度随管压的增加而增加；2.各种波长射线的相对强度随管电流的增加而增加；但λm和λ。不变；3.改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数的增加而增加。思考题：为什么存在短波限λ。？连续谱的衍射总强度与管电流强度、靶的原子序数以及管电压的平方成正比。X射线管的效率很低，工作时需要冷却水。第一章X射线物理基础1.2.2特征X射线1产生条件对于特定元素的靶，当管电压超过某一临界值后，强度分布会出现显著变化，在特定波长的地方，强度会显著地增大。思考题：1为什么特征X射线的波长是一个固定值？2.为什么特征X射线的产生需要一个临界电压？第一章X射线物理基础Theemissionbehaviorofmolybdenumistypicalofallelementshavingatomicnumberslargerthan23;thatis,theX-raylinespectraareremarkablysimplewhencomparedwithultravioletemissionandconsistsoftwoseriesoflines.TheshorterwavelengthgroupiscalledtheKseriesandtheothertheLseries.Elementswithatomicnumberssmallerthan23produceonlyaKseries.AsecondcharacteristicofX-rayspectraisthattheminimumaccelerationvoltagerequiredfortheexcitationofthelinesforeachelementincreaseswithatomicnumber.Thus,thelinespectrumformolybdenumdisappearsiftheexcitationvoltagedropsbelow20kV.Itisimportanttonotethatforallbutthelightestelements,thewavelengthsofcharacteristicX-raylinesareindependentofthephysicalandchemicalstatesoftheelements,becausethetransitionsresponsiblefortheselinesinvolveelectronsthattakenopartinbonding.ThepositionoftheKαlinesformolybdenumisthesameregardlessofwhetherthetargetisthepuremetal,itssulfide,oritsoxide.第一章X射线物理基础1.3X射线与物质的相互作用

X射线照射到物质上与物质的相互作用是个很复杂的过程。从能量转换的角度看，可归纳为三个能量转换过程：E1:散射能量；E2:吸收能量，包括真吸收变热部分和光电效应、俄歇效应、正电子吸收等；E3:透过物质，继续沿原来入射方向传播的能量，包括波长改变和不改变部分。2莫塞来（Mosley)定律思考题：为什么X射线多晶衍射时，主要采用Kα做辐射源？特征X射线的频率仅取决于阳极靶的原子结构。第一章X射线物理基础当X射线光子与束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相碰撞时的散射过程中，电子被撞离原运行方向同时带走光子的一部分动能成为反冲电子；根据动量和能量守恒，原有的X射线光量子也因碰撞而损失掉一部分能量，使得波长增加并与原方向偏离2θ角。1.3.1X射线散射1.相干散射（弹性散射或者汤姆逊散射）当X射线与原子钟束缚较紧的内层电子相撞时，光子把能量全部转给电子，电子受X射线电磁波的影响将绕其平衡位置发生受迫振动，不断被加速或者被减速而且振动频率与入射X射线相同。由于这些散射波之间复合振动方向相同、频率相同、相位差恒定的光干涉作用，所以称之为相关散射。1.3.2非相干散射（康普顿-吴友训效应）经典的电磁理论不能解释Δλ的纯在，也不能解释Δλ随2θ大小而变化，这种散射效应称为康-吴效应，入射波长越短，被照射物质元素越轻，这一现象越显著。第一章X射线物理基础1.3.3二次特征辐射利用X射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做二次特征辐射，也称之为荧光辐射。二次特在辐射造成衍射图像漫射背底增强，因此在选靶时应注意。俄歇效应——可用于材料的表面物理分析1.3.4X射线的衰减X射线穿过物质时，其强度会衰减；通过多种元素组成的物质时，X射线的衰减收到了组成该物质的各种元素的影响，由被照射物质原子本身的性质决定，而与这些原子间的结合方式无关。第一章X射线物理基础1.3.5吸收限的应用1滤波片的选择原理：质量吸收系数为μm,吸收限为λk的物质，可以强烈的吸收λ≤λk的射线，而波长大于该值的吸收很少。滤波片的材料是根据靶元素确定的。2阳极靶的选择目的;避免荧光散射。第一章X射线物理基础1.4X射线的防护人体过量接受X射线照射会引起局部组织损伤、坏死或带来其它疾病。如使人精神衰退、头晕、毛发脱落、血液的组成及性能变坏等。在工作中应严格遵守安全条例、注意采取安全防护措施。如砸调整相机和仪器对光时，注意不要就爱那个手或身体的任何部位直接暴露在X射线光束下，更要严防X射线直接照射到眼中。仪器正常工作后，实验人员应立即离开X射线实验室。重金属铅可以强烈吸收X射线，可以在需要屏蔽的地方加上铅屏或者铅玻璃，必要时还可带上铅玻璃眼镜、铅橡胶手套或者围裙等。第二章X射线运动学衍射理论2.1X射线衍射方向Laue证实了X射线的波动性，又证明了晶体结构的周期性，奠定了X射线衍射的基础。可见光的干涉条件：两束或者两束以上的波，其振动方向相同、频率相同、位相恒定，而且还必须是同一个点光源发出的。X射线在晶体中的相干散射波基本满足以上条件，但还需要如下假设：第二章X射线运动学衍射理论1波的合成第二章X射线运动学衍射理论2晶体对X射线的衍射布拉格方程X射线衍射本质上是由大量原子参与的一种散射现象。原子在晶体上是呈周期性排列的，被它们散射的X射线之间必然存在位相关系，因而在大部分方向上产生相消干涉，只有在仅有的几个方向上产生相长干涉，形成衍射束。第二章X射线运动学衍射理论2.2布拉格方程的讨论1产生衍射的条件2反射级数与干涉指数n<2d/λ，一定的晶面对一定波长的X射线只有有限的几条衍射线在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：入＜2d。但是波长过短导致衍射角过小，使衍射现象难以观测，也不宜使用。常用于X射线衍射的波长范围为：2.5—0.5埃。只有d>λ/2的晶面才能发生衍射。第二章X射线运动学衍射理论2.3布拉格方程应用结构分析（St