材料分析方法之材料X射線衍射分析PPT通用課件

1、材料分析方法第一部分 材料X射線衍射分析主要內(nèi)容： X射線的性質(zhì) X射線的產(chǎn)生及X射線譜 X射線與物質(zhì)的相互作用第一章 X射線的物理基礎(chǔ)第一章 X射線的物理基礎(chǔ)1901年首位諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Rntgen,W.C.）發(fā)現(xiàn) X射線（倫琴射線），產(chǎn)生、傳播和穿透力等性能X射線是電磁波? 粒子流？爭(zhēng)議?早期應(yīng)用（發(fā)現(xiàn)后半年）：骨折診斷和定位/鑄件探傷X射線透視技術(shù)引言（X射線譜發(fā)展歷史）倫琴拍攝的世界上第一張 X射線照片（倫琴夫人的手機(jī)戒指）探討X射線本質(zhì)的研究基礎(chǔ)1911 年，勞埃光波通過(guò)光柵的衍射理論研究1911 年，愛(ài)瓦爾德可見(jiàn)光通過(guò)晶體的衍射行為1908 年，佩蘭

2、解決了準(zhǔn)確測(cè)定阿伏加德羅常數(shù)。 可計(jì)算晶體中一個(gè)原子或分子所占空間 的體積及粒子間的距離。兩種假說(shuō)X射線是電磁波，應(yīng)具有衍射現(xiàn)象?晶體具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（規(guī)則排列）？無(wú)法證實(shí)！勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設(shè)想被初步證實(shí)CuSO45H2O晶體為光柵， 獲得了第一張X射線衍射圖弗里德里克和克尼平實(shí)驗(yàn)開(kāi)辟了兩個(gè)研究領(lǐng)域解決三大問(wèn)題X 射線是波長(zhǎng)很短的電磁波晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性 利用X 射線衍射效應(yīng)研究晶體結(jié)構(gòu) X 射線光譜學(xué) X 射線晶體學(xué)推測(cè)出x射線的波長(zhǎng)和晶體中的原子間距數(shù)量級(jí)相同勞厄?qū)嶒?yàn)晶體中原子排列成有規(guī)則的空間點(diǎn)陣，原子間距為10-10m的數(shù)量級(jí)，與X射線的波長(zhǎng)

3、同數(shù)量級(jí)，可以利用晶體作為天然光柵。1912年勞厄的實(shí)驗(yàn)裝置在乳膠板上形成對(duì)稱分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱為勞厄斑。勞厄?qū)嶒?yàn)證明了X射線的波動(dòng)性，同時(shí)還證實(shí)了晶體中原子排列的規(guī)則性。勞厄（M. V. Laue，1879-1960） 德國(guó)物理學(xué)家，發(fā)現(xiàn) X射線的衍射現(xiàn)象，從而判定X射線的本質(zhì)是高頻電磁波。1914年，他因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。布拉格父子（W. L. Bragg，子、W. H. Bragg，父）英國(guó)物理學(xué)家，在利用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，奠定了X射線譜學(xué)及X射線結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。他們因此而于1915年共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。X射線的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用是廿世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大

4、成就之一，圍繞X射線進(jìn)行科研工作的科學(xué)家獲諾貝爾獎(jiǎng)的就有近卅人之多。與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單 1-1 X射線的性質(zhì)波長(zhǎng)：紫外線和射線之間特點(diǎn)：1、 在電磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；2、 穿透力；3、 波長(zhǎng)較短的電磁波，范圍 在0.01nm10nm之間；4、對(duì)人體有傷害。1-1 X射線的性質(zhì)X射線本質(zhì)是電磁波磁場(chǎng)分量電場(chǎng)分量A忽略沿y軸傳播的波長(zhǎng)X射線波的方程表示為：A = A0cos2(y/-t)A0電場(chǎng)強(qiáng)度振幅， 頻率（c/）c 光速； t 時(shí)間（1-1）1-1 X射線的性質(zhì)以表示相位，即= 2（y/) ，令=2A = A0cos（-t）當(dāng)t=0時(shí)，則（1-1）可寫(xiě)成（1-2）（

5、1-2）指數(shù)形式為A = A0ei(-t)A = A0eiei- 相位因子X(jué)射線波動(dòng)性粒子性-顯著-光量子流光量子動(dòng)能E=h=hc/動(dòng)量P=h/=h/c1-2 X射線的產(chǎn)生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發(fā)現(xiàn)，高速電子撞擊某些固體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種看不見(jiàn)的射線，它能夠透過(guò)許多對(duì)可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)，對(duì)感光乳膠有感光作用，并能使許多物質(zhì)產(chǎn)生熒光，這就是所謂的X射線或倫琴射線。X射線譜連續(xù) 射線譜（標(biāo)識(shí) 射線譜）特征 射線譜XXX原子內(nèi)殼層電子躍遷產(chǎn)生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時(shí)伴隨的輻射，稱為X 射線。管電壓管電流陽(yáng)極靶原子序數(shù)一、連續(xù) X射線譜1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律2、產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)性？swl？Imax

6、-m?？經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)量子理論強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化管壓U增大（i，Z不變）， 各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度提高， 短波限swl和強(qiáng)度最大值 m減小管流i 增大（ U一定，Z不變) 各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度提高， swl與 m不變靶材的原子序數(shù)Z越高（U ，i 不變） 各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度越大， swl與 m保持不變二、特征 X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長(zhǎng)的譜線組成；2）強(qiáng)度大大超過(guò)連續(xù)譜線的強(qiáng)度并迭加于連續(xù)譜線之上；3）譜線波長(zhǎng)不隨X射線光管的工作條件（電壓和電流）而變，只決定于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子序數(shù)1、實(shí)驗(yàn)規(guī)律當(dāng)UUK時(shí)，在連續(xù)譜上特定波長(zhǎng)出現(xiàn)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長(zhǎng)范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識(shí)譜2、產(chǎn)

7、生機(jī)理K K3、X射線的應(yīng)用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)。1914年，莫塞萊總結(jié)發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律，并因此獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)莫塞萊定律成為X射線熒光光譜分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)1-3 X射線與物質(zhì)的相互作用 X射線到達(dá)物質(zhì)表面后的能量將分為三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、 X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)l 稱線吸收系數(shù)e-t 稱透射系數(shù)X射線強(qiáng)度隨透入深度的變化m-質(zhì)量吸收系數(shù)可反應(yīng)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性l X射線通過(guò)單位厚度（體積） 物質(zhì)的相對(duì)衰減量m單位面積厚度為t的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量（m= t）mX射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量

8、物質(zhì)后強(qiáng)度的相對(duì)衰減量。m隨入射波長(zhǎng)的變化（Z一定）m 決定于吸收體的原子序數(shù)Z和X射線的波長(zhǎng)，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式為波長(zhǎng)減小到某幾個(gè)值時(shí)，m突然增加，出現(xiàn)若干個(gè)跳躍臺(tái)階。m突增說(shuō)明在這幾個(gè)波長(zhǎng)X射線被大量吸收，這個(gè)相應(yīng)的波長(zhǎng)稱為吸收限。每種物質(zhì)都有它本身確定的一系列的吸收限。Wi 某組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)n 吸收體中的組元數(shù)m 具有加和性二、X射線的真吸收 吸收系數(shù)突變是由于光電效應(yīng)消耗大量入射能量引起的 光電效應(yīng)是指吸收體原子某殼層電子獲得入射光量子能 量，從內(nèi)層溢出而成為自由電子（稱光電子），使原子 處于相應(yīng)激發(fā)態(tài) 如k激發(fā)態(tài) ： ，k、k為K吸收限頻率和波長(zhǎng) （同一元素） 激發(fā)態(tài)的原子有2種釋放能量

9、方式：熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)真吸收包括光電效應(yīng)和熱效應(yīng)所引起的入射能量消耗俄歇電子能譜(AES)分析X射線熒光光譜(XFS) 分析光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過(guò)程示意圖濾波片原理示意圖光源波長(zhǎng)與試樣吸收譜的關(guān)系選擇X射線靶材的依據(jù)吸收限的應(yīng)用獲得單一波長(zhǎng)的X射線三、 X射線的散射X射線被物質(zhì)散射時(shí)可以產(chǎn)生兩種散射現(xiàn)象，即 相干散射和不相干散射。 X射線被物質(zhì)散射，主要是核外電子與X射線相互作用的結(jié)果。 相干散射（經(jīng)典散射） 入射X射線與原子內(nèi)受縛較禁的電子相遇，光量子能量不足 以使原子電離，但電子在X射線交變電場(chǎng)作用下發(fā)生受迫振 動(dòng)而成為電磁波的發(fā)射源，向四周發(fā)射與入射X射線波長(zhǎng)相 同的輻射，因各電子所散射的射線的波長(zhǎng)相同，有可能發(fā)生 相互干涉 。 不相干散射（量子散