材料分析方法考試復習題

1、、名詞解釋（ 30 分，每題 3 分） 1）短波限 :連續(xù) X 射線譜的 X 射線波長從一最小值向長波方向伸展，該波長最小值稱為短波限。P7。2）質(zhì)量吸收系數(shù)指 X 射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強度的相對衰減量，這樣就擺脫了密度的影響， 成為反映物質(zhì)本身對 X 射線吸收性質(zhì)的物質(zhì)量。 P12。3）吸收限 吸收限是指對一定的吸收體， X 射線的波長越短， 穿透能力越強， 表現(xiàn)為質(zhì)量吸收系數(shù)的下 降，但隨著波長的降低， 質(zhì)量吸收系數(shù)并非呈連續(xù)的變化， 而是在某些波長位置上突然升高， 出現(xiàn)了吸收限。每種物質(zhì)都有它本身確定的一系列吸收限。P12。4）X 射線標識譜當加于 X 射線管兩端的電壓增高到

2、與陽極靶材相應的某一特定值 Uk 時，在連續(xù)譜的某些特 定的波長位置上， 會出現(xiàn)一系列強度很高、 波長范圍很窄的線狀光譜， 它們的波長對一定材 料的陽極靶有嚴格恒定的數(shù)值，此波長可作為陽極靶材的標志或特征，故稱為 X 射線標識 譜。 P9。5）連續(xù) X 射線譜線 強度隨波長連續(xù)變化的 X 射線譜線稱連續(xù) X 射線譜線。 P7。6）相干散射 當入射線與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子相遇，光量子不足以使原子電離，但電子可在 X 射 線交變電場作用下發(fā)生受迫振動， 這樣的電子就成為一個電磁波的發(fā)射源， 向周圍輻射與入 射 X 射線波長相同的輻射，因為各電子所散射的射線波長相同，有可能相互干涉，故稱相 干散

3、射。 P14。7）閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器利用 X 射線激發(fā)磷光體發(fā)射可見熒光，并通過光電管進行測量。P54。8）標準投影圖對具有一定點陣結(jié)構(gòu)的單晶體， 選擇某一個低指數(shù)的重要晶面作為投影面， 將各晶面向此面 所做的極射赤面投影圖稱為標準投影圖。P99。9）結(jié)構(gòu)因數(shù)2在 X 射線衍射工作中可測量到的衍射強度 IHKL 與結(jié)構(gòu)振幅 FHKL 2的平方成正比， 結(jié)構(gòu)振幅2的平方 FHKL 2 稱為結(jié)構(gòu)因數(shù)。 P34。10）晶帶面（共帶面）晶帶軸我們說這些相交于平行直線的一組晶面屬于同一晶帶， 稱晶帶面或共帶面， 其交線即為晶帶 軸。 P99。11）選擇反射鏡面可以任意角度反射可見光，但 X 射線只有在

4、滿足布拉格方程的 角上才能發(fā)生反射， 因此，這種反射亦稱選擇反射。 P27。12）倒易點陣 倒易點陣是在晶體點陣的基礎上按照一定的對應關系建立起來的空間幾何圖形， 是晶體點陣 的另一種表達形式。 P144。13）極圖多晶體中某 hkl 晶面族的導易矢量（或晶面法線）在空間分布的極射赤面投影圖。P101。14）球差球差即球面像差， 是由于電磁透鏡的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域?qū)﹄娮拥恼凵淠芰Σ环项A定的規(guī) 律而造成的像差。 P124。15）衍射襯度 這種由于樣品中不同位向的晶體的衍射條件（位向）不同而造成的襯度差別叫衍射襯度。P170。16）、結(jié)構(gòu)消光當 Fhkl 0 時，即使?jié)M足布拉格定律，也沒有衍射束

5、產(chǎn)生，因為每個晶胞內(nèi)原子散射波的合 成振幅為零，這叫做結(jié)構(gòu)消光。 P149。二、填空題： （20分，每空 1 分）1、X 射線光電子能譜儀、俄歇譜儀和二次離子質(zhì)譜儀是三種重要的表面成分分析儀器。2、電子探針的功能主要是進行微區(qū)成分分析，根據(jù)檢測信號的不同分為波譜儀和能譜儀。3、正點陣和倒易點陣互為倒易。4、標準電子衍射花樣是標準零層倒易截面的比例圖像，倒易陣點的指數(shù)就是衍射斑點的指 數(shù)。5、電子束的束斑大小、檢測信號的類型以及檢測部位的原子序數(shù)是影響掃描電子顯微鏡分 辨率的三大因素。6、X 射線衍射儀的試樣一般是將多晶粉末壓在樣品框內(nèi)制成，粉末微粒線度約為微米至幾 十微米。7、透射電子顯微鏡的

6、試樣必須導電，一般采用粉末樣品和薄膜樣品，薄膜樣品的厚度都在 500nm 以下。8、掃描電子顯微鏡的試樣必須導電，一般采用粉末樣品或塊體樣品。9、透射電子顯微鏡一般是利用透射電子成像，掃描電子顯微鏡一般是利用二次電子或背散 射電子成像。10、電子探針一般可通過定點分析、線分析和面分析三種分析方法進行成分分析。三、簡答題（ 20 分，每題 10分）1、X 射線衍射定性分析、 定量相分析的基本原理各是什么？簡述 X 射線衍射定性分析的基 本步驟，結(jié)合 K 值法簡述 X 射線衍射定量相分析的主要過程。 P59-67 。答：X 射線衍射定性分析的基本原理是 ：任何一種結(jié)晶物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)。 在

7、一定 波長的 X 射線照射下，每種晶體物質(zhì)都給出自己特有的衍射花樣。每一種晶體物質(zhì)和它的 衍射花樣都是一一對應的。多相試樣的衍射花樣是由它和所含物質(zhì)的衍射花樣機械疊加而 成。通常用 d（晶面間距 d 表征衍射線位置）和 I（衍射線相對強度）的數(shù)據(jù)代表衍射花樣。 用 d-I 數(shù)據(jù)作為定性相分析的基本判據(jù)。定性相分析方法是將由試樣測得的 d-I 數(shù)據(jù)組與已 知結(jié)構(gòu)物質(zhì)的標準 d-I 數(shù)據(jù)組（ PDF 卡片）進行對比，以鑒定出試樣中存在的物相。X 射線衍射定量相分析的基本原理是 ：物質(zhì)的衍射強度與該物質(zhì)參加衍射的體積成正比， 其42衍射強度公式是 I I0e2 4 3 1 2 Vj FH2KL P1

8、 （2cos2 ） e 2M 1 。這個強32 R m2c4V02 j HKL sin2 cos 2度公式是對單相而言的。對多項物質(zhì)，參加衍射物質(zhì)中的各個相對 X 射線的吸收各不相同。 每個相的含量發(fā)生變化時，都會改變總體吸收系數(shù)值。因此，在多項物質(zhì)衍射花樣中， 某一組分相的衍射強度與該相參加衍射的體積，由于吸收的影響，并不呈現(xiàn)線性關系。 所以，在多相物質(zhì)定量相分析方法中， 要想從衍射強度求得各相的含量， 必須處理吸收的影響。 這是 定量相分析方法中要處理的主要問題。X 射線衍射定性分析的基本步驟：（1）獲得衍射花樣：可以用德拜照相法，透射聚焦照相法和衍射儀法。（2）計算南間距 d 值和測定相

9、對強度 I/I 1值（ I 1為最強線的強度） ：定性相分析以 290 的衍射線為主要依據(jù)。3）檢索 PDF 卡片：人工檢索或計算機檢索。4）最后判定：判定唯一準確的 PDF 卡片。X 射線衍射定量分析的基本步驟：（1）測定 K sj值。制備 Wj Ws=1 1 的兩相混合樣。j I jKsjj （Ij、Is各選一個或 2 個合適的衍射峰）Is（ 2）制備待測相的復合樣：摻入與K sj 相同的內(nèi)標物質(zhì)，含量可不同。（3）測量復合樣。精確測量 Ij 、 Is，所選峰及條件與 K sj 同。（4）通過 Ksj 求待測相含量。求得WjWjwj jj j 1 Ws2、分別說明透射電子顯微鏡成像操作與衍

10、射操作時各級透鏡之間的相對位置關系。 答：如果把中間鏡的物平面和物鏡的像平面重合， 則在熒光屏上得到一幅放大像， 這就是電 子顯微鏡中的成像操作； 如果把中間鏡的物平面和物鏡的背焦面重合， 則在熒光屏上得到一 幅電子衍射花樣，這就是透射電子顯微鏡中的衍射操作。4、透射電鏡中有哪些主要光闌？在什么位置？其作用如何？ 答：透射電鏡中有聚光鏡光闌、物鏡光闌和選區(qū)光闌等三種主要光闌。1）、在雙聚光鏡系統(tǒng)中， 聚光鏡光闌常裝在第二聚光鏡的下方。 聚光鏡光闌的作用是限制照 明孔徑角。2）、物鏡光闌又稱為襯度光闌， 通常它被安裝在物鏡的后焦面上。 加入物鏡光闌使物鏡孔徑 角減小， 能減小像差， 得到質(zhì)量較高

11、的顯微圖像。 物鏡光闌的另一個主要作用是在后焦面上 套取衍射束的斑點（即副焦點）成像，這就是所謂暗場像。3）、選區(qū)光闌又稱場限光闌或視場光闌。 一般都放在物鏡的像平面位置。 作用是使電子束只 能通過光闌孔限定的微區(qū)。3、實驗中選擇 X 射線管以及濾波片的原則是什么？已知一個以 Fe 為主要成分的樣品，試 選擇合適的 X 射線管和合適的濾波片？答：實驗中選擇 X 射線管的原則是為避免或減少產(chǎn)生熒光輻射，應當避免使用比樣品中 主元素的原子序數(shù)大 26（尤其是 2）的材料作靶材的 X 射線管。選擇濾波片的原則是 X 射線分析中，在 X 射線管與樣品之間一個濾波片，以濾掉K 線。濾波片的材料依靶的材料

12、而定，一般采用比靶材的原子序數(shù)小 1 或 2 的材料。 分析以鐵為主的樣品，應該選用 Co 或 Fe 靶的 X 射線管，它們的分別相應選擇 Fe 和 Mn 為濾波片。4、何為波譜儀和能譜儀？說明其工作的三種基本方式，并比較波譜儀和能譜儀的優(yōu)缺點。答：波譜儀：用來檢測 X 射線的特征波長的儀器能譜儀：用來檢測 X 射線的特征能量的儀器 他們工作的三種基本方式是定點分析、線分析和面分析。優(yōu)點:1）能譜儀探測 X 射線的效率高。2）能譜儀在同一時間對分析點內(nèi)所有元素X 射線光子的能量進行測定和計數(shù)， 在幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果，而波譜儀只能逐個測量每種元素特征波長。3）能譜儀結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性和重現(xiàn)

13、性都很好4）能譜儀不必聚焦，對樣品表面無特殊要求，適于粗糙表面分析。缺點： 1）能譜儀分辨率低。2）能譜儀只能分析原子序數(shù)大于 11的元素；而波譜儀可測定原子序數(shù)從 4到 92 間的 所有元素。3）能譜儀的 Si（Li） 探頭必須保持在低溫態(tài)，因此必須時時用液氮冷卻。四、計算題（ 30 分）1、已知鋁的點陣常數(shù) a=0.405nm，今用 CuK（ =1.5406?）輻射在衍射儀上掃描測試其粉 末樣品，試問其最低角的三條衍射線是由哪三個晶面衍射產(chǎn)生的？分別計算這三個衍射角及 三條衍射線的強度（忽略溫度因子和吸收因子的影響）。（20 分）原子散射因子sin0.01.02.03.04.05.06.0

14、7.08.09.010.011.0nmfAl13.011.08.957.756.65.54.53.73.12.652.32.0解：根據(jù)布拉格方程 2dsin ，當 一定， 是反射面面間距 d 的函數(shù)。在立方晶系中：d H 2 K 2 L2代入布拉格方程，得：2sin24a2 H 2 K 2 L2在面心立方中，只有當 H、 K 、 L 全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時才能產(chǎn)生衍射。 因此最低角的三條衍射線是 111 、 200 和 220 三個晶面衍射產(chǎn)生的。111 晶面衍射產(chǎn)生的衍射峰角度為：22sin 24a22 2 2H2 K 2 L221.5406 224 4.052=0.1085sin 0.329

15、4sin0.3294 ， =19.23，2.138nm 0.15406fAl 8.95 7.75 8.95 2.138 2.0 =8.7844Al 3.0 2.0200 晶面衍射產(chǎn)生的衍射峰角度為：2 2 2 2 1.5406 2 2 2 sin2 2 H2 K 2 L22 22 02 02 =0.14474a24 4.052sin0.3804 ， =22.36，sin0.3804 2.469nm 0.15406fAl 8.95 73.7.05 28.905 2.469 2.0 =8.3872 220 晶面衍射產(chǎn)生的衍射峰角度為：22sin2 2 H2 K2 L21.5406 2 22 22

16、02 =0.28944a2 4 4.052sin0.5380 ， =32.54，sin0.5380 3.492nm 0.154066.6 7.75fAl 7.75 3.492 3.0 =7.1842Al 4.0 3.0若以波長為 、強度為 I0的X 射線，照到晶胞體積為 V胞的粉末試樣上，被照射晶體體積為 V，在與入射線方向夾角為 2方向上產(chǎn)生了指數(shù)為（ HKL ）晶面的衍射，在距試樣為 R 記錄到的單位弧長上衍射線的積分強度為：IFHKL2P 1 2cos22sin cosA e 2M它們之間的相對積分強度為：若忽略溫度因子和吸收因子的影響，則它們之間的相對積分強度為：2 1 cos2 2

17、FPsin 2 cos當 H、K、L 全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時， FHKL 2 16f 2Al 是面心立方結(jié)構(gòu)， 111 、200 和 220 三個晶面對應的多重因子依次為8，6，12。對應的原子散射因數(shù)為 8.7844， 8.3872， 7.1842設111 晶面的衍射強度為 100，則200 晶面的衍射強度為：216 8.38722 621 cos2 2 22.362sin 2 22.36 cos22.36216 8.78442 81 cos2 2 19.232sin 219.23 cos19.23100 =48.81則220 晶面的衍射強度為：216 7.18422 12 12 cos 2

18、32.54sin 2 32.54 cos32.54 100 =30.75 2 1 cos2 2 19.23100 =30.7516 8.78442 8 2sin 2 19.23 cos19.232、畫出面心立方晶體 001晶帶的標準零層倒易截面圖， 只畫出中心點周圍的 8 個倒易陣點 即可。（ 10 分）答：根據(jù)晶帶定理， 001晶帶的零層倒易截面的 hkl 晶面指數(shù)應滿足以下條件： hu+kv+lw =0即 h 0 k 0 l 0 0整理得 l =0，即 hk0型晶面滿足條件另考慮面心立方晶體的消光條件，只有 hkl 為同性數(shù)時， Fhkl 0（0 作偶數(shù)）因為 l=0 為偶數(shù)，所以 hk 必為偶數(shù)，即