现代测试与分析

现代测试分析技术

课程内容X射线衍射分析电子显微分析热分析基本原理和方法及应用

第一部分

X射线衍射分析一、X射线物理学基础1.X射线的发现2.X射线的本质

波长很短的电磁波

3.X射线的特性波动性

=c/(nm)（0.001~10nm)X射线晶体结构分析0.25~0.05nm微粒性能量：

=h=hc/

动量：p=mc=h/4.X射线强度在单位时间内，通过垂直于传播方向的单位截面的能量大小5.X射线谱X射线产生连续X射线谱特征X射线谱

特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质，它是物质的固有特征。（1/

）1/2=c(z-)（莫塞莱定律）6.X射线与物质的相互作用(1)X射线的散射相干散射（经典散射）非相干散射（量子散射）（康-吴效应）相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础(2)X射线的吸收（真吸收）

X射线能量在通过物质时转变为其它形式能量光电效应与荧光（二次）特征辐射俄歇效应(3)X射线的衰减

X射线透过物质时，产生散射和真吸收（多数情况下是主要的）强度将被衰减。

l为线吸收系数（表征沿穿越方向单位长度上X射线强度衰减的程度，它与X射线的波长、吸收物质及其物理状态有关）

质量吸收系数单质元素

—吸收体物质的密度

m—质量吸收系数（cm2•g-1),表示单位重量物质对X射线的吸收程度，对于波长一定的X射线和一定物质，其为一定值。几种元素组成:

式中Wi—各元素重量百分数实验公式：

式中k—常数；

—波长；

z—原子序数但在光电效应发生处，m突增7.X射线的安全防护安全剂量重金属铅可强烈吸收X射线

二、X射线衍射的基本原理和方法1.X射线衍射的实质大量的原子相干散射波互相干涉的结果2.衍射花样的特征衍射方向：衍射线在空间的分布规律由晶胞的大小、形状和位向决定衍射线强度：取决于原子种类及原子在晶胞中的位置3.布拉格方程

—入射X射线波长;2—衍射角;d—晶面间距X射线衍射与可见光反射主要区别：所有原子散射波干涉的结果；在若干个特殊角度可见；

X射线衍射强度很小。布拉格方程的应用已知d，测，计算，确定靶材组成元素、含量——X射线光谱分析；已知，测，计算d，确定晶体周期结构——晶体结构分析4.衍射方向与晶体结构的关系如简单立方：简单四方晶系：衍射线分布规律由晶胞的形状和大小决定5.X射线衍射强度X射线衍射强度：单位时间内通过与衍射方向相垂直的单位面积上的X射线光量子数目多晶体积分强度F2HKL—结构因素；Phkl—多重性因素；

()—角因素；

e-2M—温度因素；R（

)—吸收因素F2hkl—结构因数，反映一个晶胞中各原子散射波的合成强度，即晶胞的散射能力；反映了晶胞中原子种类、原子数目及原子位置对（HKL)晶面衍射方向上衍射强度的影响

晶体结构与消光规律晶体结构结构消光（FHKL=0）条件简单主体无结构消光体心立方H+K+L=奇数面心立方H、K、L奇偶混合体心正方H+K+L=奇数金刚石立方（Ge、Si）H、K、L奇偶混合，或H、K、L全偶但H+K+L

4n密排六方（

-T、Zr、Mg等』H+2K=3n及L=奇数6.X射线衍射方法德拜法德拜－谢乐法照相法聚焦法多晶体衍射方法针孔法衍射仪法劳埃（Laue）法单晶体衍射方法周转晶体法四圆衍射仪三、物相分析1.物相定性分析鉴别待测样由哪些物相组成（1）原理物相—晶体结构—X射线衍射花样多相物质的衍射花样是各相衍射花样的机械叠加，彼此独立无关（2）方法摄取X射线衍射花样计算各反射面的面间距，测量衍射线的强度查索引与PDF卡片比较当找出第一物相后，可将其剔除，并将留下线条的强度重新归一化，再检索2.物相定量分析确定物质(样品)中各组成相的相对含量。（1）原理：设样品中任意一相为j，密度j，其某(HKL)衍射线强度为Ij，其重量分数为

wj

，样品(混合物)质量吸收系数为

m；定量分析的基本依据是：（2）方法外标法(单线条法)内标法4.K值法（基体冲洗法）直接比较法X射线分析方法在材料学领域的其它应用固溶分析：确定固溶类型，测定溶质含量等。晶粒大小测定测定晶粒的平均大小。应力测定测定宏观、微观和局域的内应力及原子间结合力晶体取向测定

第二部分

电子显微分析

主要内容透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscope,TEM)扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)电子探针显微分析仪(ElectronProbeMicroanalyzer,EPMA)其它显微分析方法简介

X射线衍射仪电子探针仪扫描电镜X射线二次电子入射电子背散射电子阴极荧光吸收电子俄歇电子试样透射电子俄歇电子能谱透射电子显微镜电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器扫描电子显微镜1.基本原理入射电子束→细聚焦电子束→

在样品上作光栅扫描→激发各种物理信号→电信号→显象管栅极调制显象管亮度扫描线圈与显象管偏转线圈电流同步→试样每点上信息强度与荧光屏相应点亮度对应电子束逐点扫描→荧光屏逐点成像2.结构3.主要性能放大倍数分辨率主要决定于入射电子束直径电子束在样品中的扩散效应4.扫描电镜像衬度二次电子像表面形貌衬度背反射电子像成分衬度形貌衬度5.样品制备6.SEM在材料研究中的应用1.断口分析(1)沿晶断口（2）韧窝断口（3）解理断口（4）纤维增强复合材料断口2.形貌观察（1）烧结体烧结自然表面观察（2）金相表面组织观察3.动态观察Flowerwithabugwithnofixation(BSE)

Penicillium

oryzaewithoutfixati