材料分析方法 第3版出版社配套 第1章 機械工業(yè)出版社

1、編輯課件1第3 3版編輯課件2本教材主要內容本教材主要內容緒 論第一篇 材料X射線衍射分析 第一章 X射線物理學基礎 第二章 X射線衍射方向 第三章 X射線衍射強度 第四章 多晶體分析方法 第五章 物相分析及點陣參數精確測定 第六章 宏觀殘余應力的測定 第七章 多晶體織構的測定編輯課件3本教材主要內容本教材主要內容第二篇 材料電子顯微分析 第八章 電子光學基礎 第九章 透射電子顯微鏡 第十章 電子衍射 第十一章 晶體薄膜衍襯成像分析 第十二章 高分辨透射電子顯微術 第十三章 掃描電子顯微鏡 第十四章 電子背散射衍射分析技術 第十五章 電子探針顯微分析 第十六章 其他顯微分析方法編輯課件4緒 論

2、n 本課程的特點：以分析儀器和實驗技術為基礎本課程的特點：以分析儀器和實驗技術為基礎n 本課程的內容主要包括：本課程的內容主要包括：X射線衍射儀、電子顯微鏡等分射線衍射儀、電子顯微鏡等分析儀器的結構與工作原理、及與此相關的材料微觀組織結析儀器的結構與工作原理、及與此相關的材料微觀組織結構和微區(qū)成分的分析方法原理及其應用構和微區(qū)成分的分析方法原理及其應用n 本課程的意義在于：通過材料微觀組織結構和微區(qū)成分分本課程的意義在于：通過材料微觀組織結構和微區(qū)成分分析，揭示材料組織結構與性能的關系，即析，揭示材料組織結構與性能的關系，即組織是性能的內組織是性能的內在根據，性能是組織的對外表現在根據，性能是

3、組織的對外表現；確定材料加工工藝和組；確定材料加工工藝和組織結構的關系，以實現微觀組織結構控制織結構的關系，以實現微觀組織結構控制n 本課程的基本要求：了解常用的現代分析儀器的基本結構本課程的基本要求：了解常用的現代分析儀器的基本結構和工作原理；掌握常用的實驗分析方法；能正確選用合適和工作原理；掌握常用的實驗分析方法；能正確選用合適的分析方法解決實際工作中的問題的分析方法解決實際工作中的問題編輯課件5第一篇 材料X射線衍射分析n 1895年德國物理學家倫琴發(fā)現了年德國物理學家倫琴發(fā)現了 X射線，隨后醫(yī)學界將其射線，隨后醫(yī)學界將其用于診斷和醫(yī)療，后來又用于金屬材料和機械零件的探傷用于診斷和醫(yī)療，

4、后來又用于金屬材料和機械零件的探傷n 1912年德國物理學家勞埃發(fā)現了年德國物理學家勞埃發(fā)現了X射線在晶體中的衍射現射線在晶體中的衍射現象，為物質結構研究提供了一種嶄新的方法，后來發(fā)展成象，為物質結構研究提供了一種嶄新的方法，后來發(fā)展成為為X射線衍射學射線衍射學n 1912年英國物理學家布拉格提出了晶面年英國物理學家布拉格提出了晶面“反射反射”X射線的射線的概念，推導出至今被廣泛應用的布拉格方程概念，推導出至今被廣泛應用的布拉格方程n 1914年莫塞來發(fā)現特征年莫塞來發(fā)現特征X射線波長和原子序數有定量的對射線波長和原子序數有定量的對應關系，這一原理應用于材料成分檢測應關系，這一原理應用于材料成

5、分檢測n X射線衍射分析研究內容很廣，主要包括相分析、精細結射線衍射分析研究內容很廣，主要包括相分析、精細結構研究和晶體取向測定等構研究和晶體取向測定等編輯課件6第一篇 材料X射線衍射分析第一章 X射線物理學基礎第二章 X射線衍射方向第三章 X射線衍射強度第四章 多晶體分析方法第五章 物相分析及點陣參數精確測定第六章 宏觀殘余應力的測定第七章 多晶體織構的測定編輯課件7第一章 X射線物理學基礎本章主要內容本章主要內容第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質射線的性質第二節(jié)第二節(jié) X射線的產生及射線的產生及X射線譜射線譜第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用編輯課件8第一節(jié) X射線的性質l

6、X射線是一種波長很短的電磁波射線是一種波長很短的電磁波l X射線的波長范圍為射線的波長范圍為0.0110nm，用于衍射分析的用于衍射分析的X射線波長為射線波長為0.050.25nml X射線一種橫波射線一種橫波，由交替變化的，由交替變化的電場和磁場組成電場和磁場組成l X射線具有波粒二相性射線具有波粒二相性，因其波，因其波長較短，其粒子性較為突出，即長較短，其粒子性較為突出，即可以把可以把X射線看成是一束具有一射線看成是一束具有一定能量的光量子流，定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2)式中，式中，h是普朗克常數；是普朗克常數；c是光速；是光速； 是是X射線的頻率，射線的頻率，

7、是是X射線的波長射線的波長圖圖1-1 電磁波譜電磁波譜編輯課件9第一節(jié) X射線的性質l X射線穿過不同介質時，折射系數接近射線穿過不同介質時，折射系數接近1，幾乎不產生折射，幾乎不產生折射現象現象l X射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質發(fā)光、能使照相射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質發(fā)光、能使照相底板感光、能使一些氣體產生電離的現象底板感光、能使一些氣體產生電離的現象l X射線的穿透能力大，能穿透對可見光不透明的材料，特射線的穿透能力大，能穿透對可見光不透明的材料，特別是波長在別是波長在0.1nm以下的硬以下的硬X射線射線l X射線照射到晶體物質時，將產生散射、干涉和衍射等現射線照射到晶體物質

8、時，將產生散射、干涉和衍射等現象，與光線的繞射現象類似象，與光線的繞射現象類似l X射線具有破壞殺死生物組織細胞的作用射線具有破壞殺死生物組織細胞的作用編輯課件10l 圖圖1-2所示的所示的X射線管是產生射線管是產生X射線的裝置射線的裝置l 主要由陰極主要由陰極 (W燈絲燈絲) 和用和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等純金屬制等純金屬制成的陽極成的陽極(靶靶)組成組成l 陰極通電加熱，在陰、陽陰極通電加熱，在陰、陽極之間加以直流高壓極之間加以直流高壓 (約數約數萬伏萬伏)l 陰極發(fā)射的大量電子高速飛陰極發(fā)射的大量電子高速飛向陽極，與陽極碰撞產生向陽極，與陽極碰撞產生X射線射線圖圖1-2 X射

9、線管結構示意圖射線管結構示意圖第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件11一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜射線譜，見圖，見圖1-3 圖圖1-3 管電壓、管電流和陽極靶原子序數對連續(xù)譜的影響管電壓、管電流和陽極靶原子序數對連續(xù)譜的影響a) 管電壓的影響管電壓的影響 b) 管電流的影響管電流的影響 c)陽極靶原子序數的影響陽極靶原子序數的影響第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件12一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 由圖由圖1-3可見，可見，連續(xù)連續(xù) X 射線譜的特點是，射線譜的特點是，X 射線的波長存射線的波長存在最小值在最小值 S

10、WL，其強度在，其強度在 m處有最大值處有最大值l 當當管電壓管電壓U 升高升高時，各波長時，各波長X射線的強度均提高，射線的強度均提高，短波限短波限 SWL和強度最大值對應的波長和強度最大值對應的波長 m減小減小l 當當管電流管電流 i 增大增大時，各波長時，各波長X射線的強度均提高，但射線的強度均提高，但 SWL和和 m保持不變保持不變l 隨隨陽極靶材的原子序數陽極靶材的原子序數Z 增大增大，連續(xù)，連續(xù)X射線譜的強度提高，射線譜的強度提高，但但 SWL和和 m保持不變保持不變第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件13一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 連續(xù)譜強度分布曲線下的面積即為連續(xù)連續(xù)譜強

11、度分布曲線下的面積即為連續(xù) X 射線譜的總射線譜的總強度，其取決于強度，其取決于X射線管射線管U、i、Z 三個因素三個因素 I連連 = K1iZU2 (1-4)式中，式中，K1 是常數。是常數。 X射線管僅產生連續(xù)譜時的效率射線管僅產生連續(xù)譜時的效率 = I連連 / iU = K1ZU可見，可見， X 射線管的管電壓越高、陽極靶原子序數越大，射線管的管電壓越高、陽極靶原子序數越大，X 射射線管的效率越高。因線管的效率越高。因 K1 約約(1.11.4) 10-9，即使采用鎢陽極，即使采用鎢陽極 (Z = 74)、管電壓、管電壓100kV， 1%，效率很低。電子擊靶時，效率很低。電子擊靶時大部分

12、能量消耗使靶發(fā)熱大部分能量消耗使靶發(fā)熱第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件14一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 為什么連續(xù)為什么連續(xù)X射線譜存在短波限射線譜存在短波限 SWL？ 用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為U，則電子到達陽極靶的動能為則電子到達陽極靶的動能為eU，當，當電子在一次碰撞中將全部電子在一次碰撞中將全部能量轉化為一個光量子，可獲得最大能量能量轉化為一個光量子，可獲得最大能量h max ，其波長即，其波長即為為 SWL， eU = h max = hc / SWL SWL= K /U (1-5)式中，式中，K =1.24nm

13、kV。而絕大部分電子到達陽極靶經多次碰。而絕大部分電子到達陽極靶經多次碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產生大于撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產生大于 SWL的不同的不同波長的波長的X射線，構成連續(xù)譜射線，構成連續(xù)譜第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件15第二節(jié) X射線的產生及X射線譜二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜 當當 X射線管壓高于靶材相應的某一特征值射線管壓高于靶材相應的某一特征值UK 時，在某些時，在某些特定波長位置上，特定波長位置上， 將出現一系列將出現一系列強度很高、波長范圍很窄的強度很高、波長范圍很窄的 線狀光譜線狀光譜，稱為特征譜或標識譜稱為特征譜或標識譜，

14、 見圖見圖1-4；其波長與陽極靶材的原；其波長與陽極靶材的原 子序數有確定關系，見式子序數有確定關系，見式(1-6) ， 故可作為靶材的標志和特征，故可作為靶材的標志和特征， (1-6) 式中，式中，K2和和 是常數。表明是常數。表明陽極靶陽極靶 材的原子序數越大，同一線系的特材的原子序數越大，同一線系的特 征譜波長越短征譜波長越短圖圖1-4 特征特征X射線譜射線譜)(21ZK編輯課件16二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜 特征特征X射線的產生可以用圖射線的產生可以用圖1-5示意說明，沖向陽極的電示意說明，沖向陽極的電子若具有足夠能量，將內層電子擊出而成為自由電子，此時子若具有足夠能量

15、，將內層電子擊出而成為自由電子，此時 原子處于高能的不穩(wěn)定狀原子處于高能的不穩(wěn)定狀 態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過 渡。若渡。若 L層電子躍遷到層電子躍遷到 K 層填補空位，原子由層填補空位，原子由K 激激 發(fā)態(tài)轉為發(fā)態(tài)轉為 L 激發(fā)態(tài)，能量激發(fā)態(tài)，能量 差以差以X 射線的形式釋放，射線的形式釋放， 這就是特征這就是特征X射線，稱為射線，稱為 K 射線射線圖圖1-5 特征特征X射線產生示意圖射線產生示意圖第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件17二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜由于由于L層內還有能量差別很小的亞能級，不同亞能級的電子層內還有能量差別很小的亞能級，不同亞能

16、級的電子躍遷將輻射躍遷將輻射K 1和和K 2射線。若射線。若M層電子向層電子向K層空位補充，則層空位補充，則輻射波長更短的輻射波長更短的 K 射線。特征射線。特征 X射線的頻率可由下式計算射線的頻率可由下式計算 h = W2 W1 = (-En2) (-En1) (1-8)式中，式中， W2、W1分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量，分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量， En2和和En1是所在殼層上的電子能量。根據經典原子模型，原子是所在殼層上的電子能量。根據經典原子模型，原子內電子分布在一系列的殼層上，最內層內電子分布在一系列的殼層上，最內層(K層層)能量最低，按能量最低，按L、 M、N、順序遞增

17、順序遞增第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件18第二節(jié) X射線的產生及X射線譜二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜 在莫塞萊定律在莫塞萊定律 (1-6)式中，式中， 其中其中R 稱為里德伯常數，稱為里德伯常數，R = 1.0974 107m-1；n1和和n2是電子是電子躍遷前后殼層的主量子數，如躍遷前后殼層的主量子數，如 K 層層 n =1，L 層層n =2，M層層 n =3等，等， 在在K激發(fā)態(tài)下，激發(fā)態(tài)下，L層電子向層電子向K層躍遷的幾率遠大于層躍遷的幾率遠大于M層躍層躍遷的幾率，所以遷的幾率，所以 K 譜線的強度是譜線的強度是 K 的的5倍；倍； K 1和和K 2譜線的譜線的關系

18、為關系為 K 1 K 2，IK 1 2IK 1。幾種元素的特征波長和。幾種元素的特征波長和K系系譜線的激發(fā)電壓見表譜線的激發(fā)電壓見表1-1212221223204211118nnRnnchmeK編輯課件19二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜靶靶材材ZK系列特征譜波長系列特征譜波長/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1nmUK/kVU適宜適宜/kVK 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.7928

19、51.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055表表1-1 幾種陽極靶材及其特征譜參數幾種陽極靶材及其特征譜參數注：注： K = ( 2 K 1+ K 2 ) / 3第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件20二、特征二、特征(標識標識)X射線譜射線譜 由表由表1-1中的數據可見，欲獲得波長更短的特征中的數據

20、可見，欲獲得波長更短的特征X射線，射線，需要選用原子序數更大的物質作為陽極。表中需要選用原子序數更大的物質作為陽極。表中UK 是是 K系特系特征譜的臨界激發(fā)電壓，征譜的臨界激發(fā)電壓，陽極靶材原子序數越大，所需臨界激陽極靶材原子序數越大，所需臨界激發(fā)電壓越高發(fā)電壓越高。特征譜的強度隨管電壓。特征譜的強度隨管電壓U和管電流和管電流i增大而提高增大而提高 I標標 = K3 i ( U Un )m (1-10)式中，式中，K3為常數；為常數；Un為特征譜的臨界激發(fā)電壓，對于為特征譜的臨界激發(fā)電壓，對于K系，系，Un = UK ；m為常數為常數(K系系m = 1.5， L系系m = 2) 為了提高特征譜

21、的強度，應采用較高的管電壓，當為了提高特征譜的強度，應采用較高的管電壓，當U/Uk =4時，時，I特特/I連連最大，所以最大，所以X射線管適宜的電壓為，射線管適宜的電壓為， U = (35)UK第二節(jié) X射線的產生及X射線譜編輯課件21第三節(jié) X射線與物質的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數一、衰減規(guī)律和吸收系數 如圖如圖1-6，強度為，強度為I0的的X射線照射厚度為射線照射厚度為t的均勻物質上，的均勻物質上，穿過深度為穿過深度為x處的處的dx厚度時的強度衰減量厚度時的強度衰減量dIx/Ix與與dx成正比，成正比， (1-11) 式中，式中， l 是常數，稱線吸收系數是常數，稱線吸收系數 (1-1

22、2) I / I0稱為透射系數，稱為透射系數， l是是X射線通過射線通過 單位厚度單位厚度(即單位體積即單位體積)物質的強度衰物質的強度衰 減量減量，圖，圖1-7表示強度隨透入深度的表示強度隨透入深度的 指數衰減關系指數衰減關系xIIlxxdd圖圖1-6 X射線通過物質射線通過物質后的衰減后的衰減tlIIe0編輯課件22第三節(jié) X射線與物質的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數一、衰減規(guī)律和吸收系數 單位體積內物質量隨其密度而異，因此對于一確定的物質單位體積內物質量隨其密度而異，因此對于一確定的物質 l 并不是常量，并不是常量，為表達物質本質的吸收特性，采用質量吸收系為表達物質本質的吸收特性，采用質

23、量吸收系數數 m= l / ( 是吸收物質的密度是吸收物質的密度)，代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14) m為單位面積厚度為為單位面積厚度為 t 的體積中物質的體積中物質 的質量。因此的質量。因此 ， m 的物理意義是的物理意義是X射射 線通過單位面積單位質量物質的強度線通過單位面積單位質量物質的強度 衰減量衰減量 它避開了密度的影響，可以作為反映它避開了密度的影響，可以作為反映 物質本身對物質本身對X射線吸收性質的物理量射線吸收性質的物理量圖圖1-7 X射線強度隨透入射線強度隨透入深度的變化深度的變化mtmmeIeII00編輯課件23第三節(jié) X射線與物質的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收

24、系數一、衰減規(guī)律和吸收系數l 復雜物質的質量吸收系數復雜物質的質量吸收系數 對于多元素組成的復雜物質，如固溶體、化合物和混合對于多元素組成的復雜物質，如固溶體、化合物和混合物等，其質量吸收系數僅取決于各組元的質量系數物等，其質量吸收系數僅取決于各組元的質量系數 mi及各組及各組元的質量分數元的質量分數wi ，即，即 (1-15)l 連續(xù)譜的質量吸收系數連續(xù)譜的質量吸收系數 連續(xù)連續(xù)X射線穿過物質時，其質量吸收系數相當于一個有射線穿過物質時，其質量吸收系數相當于一個有效波長效波長 有效有效值值( 有效有效 = 1.35 SWL)所對應的所對應的 m niimimw1編輯課件24一、衰減規(guī)律和吸收

25、系數一、衰減規(guī)律和吸收系數l 質量吸收系數與波長質量吸收系數與波長 和原子序數和原子序數 Z 的關系的關系 質量吸收系數取決于質量吸收系數取決于X 射線的波長射線的波長 和吸收物質的原子和吸收物質的原子序數序數Z，其關系的經驗式如下，其關系的經驗式如下 m K4 3 Z3 (1-16)式中，式中，K4為常數。上式表明，為常數。上式表明，物質的原子序數越大，對物質的原子序數越大，對X射射線的吸收能力越強線的吸收能力越強；對于一定的吸收體，對于一定的吸收體，X射線波越短，穿射線波越短，穿透能力越強，吸收系數下降透能力越強，吸收系數下降。但隨波長減小，但隨波長減小， m 并非單調下并非單調下降降，見

26、圖，見圖1-8第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件25一、衰減規(guī)律和吸收系數一、衰減規(guī)律和吸收系數l 質量吸收系數與波長質量吸收系數與波長 和原子序數和原子序數 Z 的關系的關系 如圖如圖1-8所示，所示， 吸收系數在某些波長位置突然升高，吸收系數在某些波長位置突然升高， 所所 對應的波長稱為吸收限對應的波長稱為吸收限 每種物質都有其特定的一每種物質都有其特定的一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素的特征量收元素的特征量，將這種，將這種 帶有特征吸收限的吸收系帶有特征吸收限的吸收系 數曲線稱該物質的吸收譜數曲線稱該物質的吸收譜 為什么會存在吸收限？為什么會存在吸收限？圖圖1

27、-8 質量吸收系數與波長的關系曲線質量吸收系數與波長的關系曲線第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件26第三節(jié) X射線與物質的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 光電效應光電效應 當當 入射入射X射線光量子能量等射線光量子能量等于或略大于吸收體原子某殼層電于或略大于吸收體原子某殼層電子的結合能時，電子易獲得能量子的結合能時，電子易獲得能量從內層逸出，成為自由電子，稱從內層逸出，成為自由電子，稱為光電子，這種光子擊出電子的為光電子，這種光子擊出電子的現象稱為光電效應?，F象稱為光電效應。將消耗大量將消耗大量入射能量，導致吸收系數突增入射能量，導致吸收系數突增光電效應引起的入射能量消耗為光

28、電效應引起的入射能量消耗為真吸收，真吸收還包括熱效應真吸收，真吸收還包括熱效應光電效應、熒光效應和俄歇效光電效應、熒光效應和俄歇效應過程示意圖應過程示意圖編輯課件27第三節(jié) X射線與物質的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 熒光效應熒光效應 因光電效應處于相應的激發(fā)因光電效應處于相應的激發(fā)態(tài)的原子，將隨之發(fā)生如前所述態(tài)的原子，將隨之發(fā)生如前所述的外層電子向內層躍遷的過程，的外層電子向內層躍遷的過程，同時輻射出特征同時輻射出特征 X射線，稱射線，稱 X射射線激發(fā)產生的特征輻射為二次特線激發(fā)產生的特征輻射為二次特征輻射，稱征輻射，稱這種光致發(fā)光的現象這種光致發(fā)光的現象為熒光效應為熒光效應

29、光電效應、熒光效應和俄歇效光電效應、熒光效應和俄歇效應過程示意圖應過程示意圖編輯課件28第三節(jié) X射線與物質的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 熒光效應熒光效應 欲激發(fā)原子產生欲激發(fā)原子產生K、L、M等線系的熒光輻射，入射等線系的熒光輻射，入射X 射射線光量子的能量必須大于或至少等于從原子中擊出一個線光量子的能量必須大于或至少等于從原子中擊出一個K、L、M層電子所需的能量層電子所需的能量WK、WL、WM，如，如， WK = h K = hc / K (1-17)式中，式中， K、 K 是產生是產生K系熒光輻射時，入射系熒光輻射時，入射X射線須具有的射線須具有的頻率和波長的臨界值。熒

30、光輻射將導致入射頻率和波長的臨界值。熒光輻射將導致入射X射線的大量吸射線的大量吸收，故稱收，故稱 K、 L、 M 等為被照射物質的吸收限等為被照射物質的吸收限 對于同一元素，對于同一元素， K K K ，此為同一元素的此為同一元素的X射線射線發(fā)射譜與其吸收譜的關系發(fā)射譜與其吸收譜的關系編輯課件29第三節(jié) X射線與物質的相互作用二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 俄歇效應俄歇效應 原子原子K層電子被擊出后，層電子被擊出后， L層一個電子躍入層一個電子躍入 K層填補空位，層填補空位，而另一個而另一個L層電子獲得能量逸出層電子獲得能量逸出原子成為俄歇電子，稱原子成為俄歇電子，稱這種一個這種一個K層

31、空位被兩個層空位被兩個 L 層空位代替的層空位代替的過程為俄歇效應過程為俄歇效應熒光熒光X射線和俄歇電子均為物質射線和俄歇電子均為物質的化學成分信號。的化學成分信號。熒光熒光X射線用射線用于重元素的成分分析，俄歇電子于重元素的成分分析，俄歇電子用于表面輕元素分析用于表面輕元素分析光電效應、熒光效應和俄歇效光電效應、熒光效應和俄歇效應過程示意圖應過程示意圖編輯課件30二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應用吸收限的應用如圖如圖1-9所示，可利用吸收所示，可利用吸收限兩側吸收系數差別很大限兩側吸收系數差別很大的現象選用濾波片，用以的現象選用濾波片，用以吸收不需要的輻射，而得吸收不需要的輻

32、射，而得到基本單色的到基本單色的X射線射線圖圖1-9 濾波片原理示意圖濾波片原理示意圖第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件31二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應用吸收限的應用 參照圖參照圖1-9，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的于特征譜的K 和和K 波長之間，且盡可能靠近波長之間，且盡可能靠近K 線波長。把這線波長。把這種材料制成薄片種材料制成薄片濾波片，置于入射線光路中，將強烈吸收濾波片，置于入射線光路中，將強烈吸收 K 線，而對線，而對 K 線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射

33、常用靶材的濾波片選擇見表常用靶材的濾波片選擇見表1-2，濾波片比靶材的原子序，濾波片比靶材的原子序數小數小12，通過調整濾波片厚度，使濾波后，通過調整濾波片厚度，使濾波后I K /I K 1/600 當當 Z靶靶 40 時，時，Z濾濾 = Z靶靶 - 1 當當 Z靶靶 40 時，時，Z濾濾 = Z靶靶 - 2第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件32二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應用吸收限的應用陽陽 極極 靶靶濾波片濾波片(使使 IK = 1/600) I / I0(K )元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K /nm厚度厚度/mm t / g cm-2銀銀 470.

34、05610.0497銠銠 450.05340.0790.0960.29鉬鉬 420.07110.0632鋯鋯 400.06880.1080.0690.31銅銅 290.15420.1392鎳鎳 280.14880.0210.0190.40鈷鈷 270.17900.1621鐵鐵 260.17430.0180.0140.44鐵鐵 260.19370.1757錳錳 250.18950.0160.0120.46鉻鉻 240.22910.2085釩釩 230.22680.0160.0090.50表表1-2 與幾種常用的陽極靶及及配用的濾波片參數與幾種常用的陽極靶及及配用的濾波片參數第三節(jié) X射線與物質的

35、相互作用編輯課件33二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應用吸收限的應用 在衍射分析時，希望試樣對在衍射分析時，希望試樣對 X射線的吸收盡可能少，以射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強度和低的背底。因此應按圖獲得高的衍射強度和低的背底。因此應按圖1-10所示選用靶所示選用靶 材，入射線波長材，入射線波長 T 略大于或略大于或 遠小于試樣的遠小于試樣的 K ，即根據樣，即根據樣 品選擇靶材的原則是，品選擇靶材的原則是， Z靶靶 Z樣樣 + 1 或或 Z靶靶 Z樣樣 圖圖1-10 X射線管靶材的選擇射線管靶材的選擇第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件34第三節(jié) X射線與物質的相互作用三

36、、三、X射線的散射射線的散射l X射線穿過物質后強度產生衰減射線穿過物質后強度產生衰減l 強度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應和熱效應強度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應和熱效應l 強度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射強度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射l X射線的射線的散射散射包括包括 與原波長相同的相干散射與原波長相同的相干散射 與原波長不同的不相干散射與原波長不同的不相干散射編輯課件35三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射l 當入射當入射 X射線與受射線與受原子核束縛較緊的電子原子核束縛較緊的電子相遇，使電子在相遇，使電子在X射線交變電場作用

37、下發(fā)生受迫振動，像四周輻射與入射射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動，像四周輻射與入射X射線波長相同的輻射射線波長相同的輻射l 因各電子散射的因各電子散射的X射線波長相同，有可能相互干涉，因此射線波長相同，有可能相互干涉，因此稱稱相干散射相干散射，亦稱經典散射，亦稱經典散射l 物質對物質對X射線的散射可以認為射線的散射可以認為只是電子的散射只是電子的散射l 相干散射波僅占入射能量的極小部分相干散射波僅占入射能量的極小部分l 相干散射是相干散射是 X 射線衍射分析的基礎射線衍射分析的基礎第三節(jié) X射線與物質的相互作用編輯課件36三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射X 射線是非偏振光，如圖

38、射線是非偏振光，如圖1-11,電子在空間電子在空間P點的相干散射強度點的相干散射強度 (1-18) 式中，式中，I0為入射線強度；為入射線強度；Ie為一個電為一個電 子的相干散射強度；子的相干散射強度；R 為電子到空為電子到空 間一點間一點P的距離；的距離；2 為散射角；為散射角； 電子散射因數電子散射因數 fe2 =7.94 10-30m2，說，說 明明一個電子的相干散射強度很小一個電子的相干散射強度很?。?(1+cos2 2 )/2 稱偏振因數，表明稱偏振因數，表明相干相干 散射線是偏振的，強度隨散射線是偏振的，強度隨2 而變化而變化22cos122cos1422202222020eefR

39、ImceRII第三節(jié) X射線與物質的相互作用圖圖1-11 一個電子的一個電子的相干散射相干散射編輯課件37第三節(jié) X射線與物質的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 定義原子散射因數為一個定義原子散射因數為一個原子中所有電子相干散射波原子中所有電子相干散射波合成振幅與一個電子相干散射波振幅的比，則有合成振幅與一個電子相干散射波振幅的比，則有 f = V (r)ei dV (1-21) 式中，式中， (r)是原子中總的電是原子中總的電 子分布密度；子分布密度； dV是位矢是位矢r端端 點周圍的體積元，點周圍的體積元， 是相位是相位 差，差， 是是r與與(k-k)間夾角間夾角(圖圖1-12)圖圖1-12 一個原子中電子一個原子中電子的相干散射的相干散射cossin4r編輯課件38第三節(jié) X射線與物質的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 若原子中電子云相對原子核呈球形對稱分布，若原子中電子云相對原子核呈球形對稱分布，U(r)為其為其徑向分布函數徑向分布函數(半徑為半徑為r的球面上的電子數的球面上的電子數)， U(r)=4 r2 (r)， 令令 則則 =