第一章材料射線物理基礎(chǔ)

材料分析測(cè)試方法緒論一、材料的組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系1.組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系2.微觀組織結(jié)構(gòu)控制二、顯微組織結(jié)構(gòu)的內(nèi)容三、傳統(tǒng)的顯微組織結(jié)構(gòu)與成分分析測(cè)試方法1.光學(xué)顯微鏡2.常規(guī)化學(xué)分析四、X射線衍射儀與電子顯微鏡第一部分材料X射線衍射分析

X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

X射線衍射方向

X射線衍射強(qiáng)度多晶體分析方法物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測(cè)定宏觀殘余應(yīng)力的測(cè)定引言-X射線學(xué)的發(fā)展1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其用于診斷和醫(yī)療，后來(lái)又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷,屬于“X射線透射學(xué)”1912年德國(guó)物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的方法，后來(lái)發(fā)展成為“X射線衍射學(xué)”1912年英國(guó)物理學(xué)家布拉格提出晶面“反射”X射線的概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布拉格方程1914年莫塞來(lái)發(fā)現(xiàn)特征X射線波長(zhǎng)和原子序數(shù)有定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分快速檢測(cè)，稱(chēng)為“X射線光譜學(xué)”X射線衍射分析研究?jī)?nèi)容很廣，主要包括物相定性和定量分析、精細(xì)結(jié)構(gòu)研究和晶體取向測(cè)定等

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)的相互作用第一章材料X射線物理基礎(chǔ)第一節(jié)X射線的性質(zhì)1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Roentgen，W.C）發(fā)現(xiàn)了一種新型輻射，后稱(chēng)其為X射線X射線穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，折射系數(shù)接近1，幾乎不產(chǎn)生折射X射線肉眼不可見(jiàn)，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光；能使照相底板感光；能使一些氣體產(chǎn)生電離現(xiàn)象X射線的穿透能力大，能穿透對(duì)可見(jiàn)光不透明的材料，特別是波長(zhǎng)在0.1nm以下的硬X射線X射線照射到晶體物質(zhì)時(shí)，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射現(xiàn)象，與光線的繞射現(xiàn)象類(lèi)似X射線具有破壞殺死生物組織細(xì)胞的作用

電磁波

1912年，勞埃（LaueM.von）由衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)第一節(jié)X射線的性質(zhì)

波長(zhǎng)范圍

約0.01～10nm，用于X射線衍射

分析的波長(zhǎng)范圍為0.05～0.25nm

波粒二相性其粒子性表現(xiàn)比較突出A=A0ei(-t)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜產(chǎn)生X射線的基本電器線路連續(xù)X射線譜特征X射線譜X射線的產(chǎn)生

連續(xù)X射線譜管電壓、管電流和陽(yáng)極靶的原子序?qū)B續(xù)譜的影響a)管電壓的影響b)管電流的影響c)陽(yáng)極靶原子序的影響第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜

連續(xù)X射線譜第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜

連續(xù)X射線強(qiáng)度X射線管產(chǎn)生連續(xù)譜的效率

連續(xù)譜的短波限

特征X射線譜當(dāng)U≥UK時(shí)，在連續(xù)譜上出現(xiàn)具有特定波長(zhǎng)的線狀光譜，稱(chēng)為特征譜或標(biāo)識(shí)譜特征X射線譜的波長(zhǎng)僅決定于陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)，而不受管電壓、管電流的影響特征X射線譜第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜

特征X射線譜第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜特征X射線的產(chǎn)生式中K2，σ是常數(shù)

特征X射線的波長(zhǎng)

特征X射線的產(chǎn)生

特征X射線的強(qiáng)度對(duì)于K系：Un=UK，m=1.5U/UK=4時(shí)，I特/I連最大靶材ZK系列特征譜波長(zhǎng)/0.1nmK吸收限K/0.1nmUK/kVU適宜/kVK1K2KKCr242.289702.293612.291002.084872.070205.4320~25Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.4025~30Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.4730~35Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.0435~40Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.4450~55表1-1幾種陽(yáng)極靶材及其特征譜參數(shù)注：K=(2K1+K2)/3第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線譜X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線通過(guò)物質(zhì)后的衰減l稱(chēng)線吸收系數(shù)e-lt稱(chēng)透射系數(shù)X射線強(qiáng)度隨透入深度的變化線吸收系數(shù)l

對(duì)于確定的物質(zhì)并非常數(shù)lX射線通過(guò)單位厚度（體積）物質(zhì)的相對(duì)衰減量m指X射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的衰減量，它避開(kāi)了密度的影響，可反映物質(zhì)本身對(duì)X射線的吸收特性X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用質(zhì)量吸收系數(shù)mm=miwim隨入射波長(zhǎng)的變化（Z一定）每種物質(zhì)均有其本身確定的吸收限，吸收限反映了吸收的本質(zhì)X射線的透射系數(shù)和吸收系數(shù)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

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光電效應(yīng)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(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(chēng)光電子），使原子處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)

X射線的真吸收激發(fā)態(tài)的原子釋放能量的方式：熒光效應(yīng)俄歇效應(yīng)熒光效應(yīng)，俄歇效應(yīng)第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用濾波片原理示意圖

X射線的真吸收第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

吸收限的應(yīng)用當(dāng)Z靶40時(shí)，Z濾=Z靶-1當(dāng)Z靶40時(shí)，Z濾=Z靶-2陽(yáng)極靶濾波片(使IK=1/600)I/I0(K)元素ZK/nmK/nm元素ZK

/nm厚度/mmt/gcm-2銀470.05610.0497銠450.05340.0790.0960.29鉬420.07110.0632鋯400.06880.1080.0690.31銅290.15420.1392鎳280.14880.0210.0190.40鈷270.17900.1621鐵260.17430.0180.0140.44鐵260.19370.1757錳250.18950.0160.0120.46鉻240.22910.2085釩230.22680.0160.0090.50表1-2與幾種常用的陽(yáng)極靶及及配用的濾波片參數(shù)

X射線的真吸收第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用光源波長(zhǎng)與試樣吸收譜的關(guān)系選擇X射線靶材的依據(jù)

光源波長(zhǎng)的選擇

X射線的真吸收第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

Z靶≤Z樣+1

或Z靶Z樣

X射線的散射第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

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

X射線的散射第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線是非偏振光，一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度Ie為其中，fe=(0/4)(e2/mc)為常數(shù)項(xiàng)，fe2=7.9410-30m2，說(shuō)明一個(gè)電子的相干散射強(qiáng)度很小

相干散射（經(jīng)典散射）(1+cos22)/2稱(chēng)偏振因數(shù)，表明入射線為偏振時(shí)，相干散射線強(qiáng)度隨2變化，在不同方向發(fā)生不同程度的偏振物質(zhì)對(duì)X射線的散射只是電子的散射，相干散射波只占入射能量的極小部分

X射線的散射原子散射因子f

隨sin/的變化相干散射強(qiáng)度

I

＝f2·I0第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

相干散射（經(jīng)典散射）原子散射因子=0時(shí)，f=Z0時(shí)，fZ

f=V

(r)eidV

式中，(r)是原子中總的電子分布密度；是相位差

X射線的散射第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用

不