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1、无机非金属材料测试方法,Inorganic Nonmetal Testing Methods,绪论 课程目的; 学习内容; 学习方法; 学时安排; 几点注意; 参考文献.,1. X-射线衍射分析, 杨子兴 等,上海交大出版社, 1994, O72/4719 2.材料工艺中的现代物理技术, T.马维等,科学出版社，1984, O739/8530 3. 物相衍射分析, 杨传铮 等,冶金出版社,1989,TB3021/4728 4. X光衍射技术基础, 王英华,原子能出版社,1987, O71/1042 5. “材料结构分析基础”，余琨等，科学出版社，北京，2000, TB303/8096 6. 热
2、分析及其应用,陈镜泓等,科学出版社,1985,O65.798/7483 7. 材料现代分析方法,左演声等,北工大出版社,2000, TB302/4034 8. 扫描电子显微分析技术,杜学礼,化工出版社,1986,O65735/4493,参考文献,杨南如， 无机非金属材料测试方法。武汉工业大学出版社,1999。 杨南如等编, 无机非金属材料图谱手册 。 武汉工业大学出版社, 2000。,推荐教材和实验参考书,第一章 X射线粉晶衍射分析 第二章 电子显微分析 第三章 热分析 第四章 振动光谱 第五章 光电子能谱分析 第六章 穆斯堡尔效应,第一章 X射线粉晶衍射分析 第一节 X射线的发生与性质,伦琴
3、在担任德国维尔茨堡大学校长的就职演说时说：“大学是科学研究和思想教育的培养园地， 是师生陶冶理想的地方， 大学在这方面的重大意义大大超过了它的实际价值。”,“X射线”是德国物理学家伦琴（Roentgen)于1895年11月8日发现，并很快以“论一种新射线”为题发表论文公之于世。李鸿章在X光被发现后仅7个月就体验了此种新技术，成为拍X光片检查枪伤的第一个中国人。,X-radiation,Microwaves,g-radiation,UV,IR,Radio waves,10-6 10-3 1 103 106 109 1012,Wavelength(nm),可见光,微波,无线电波,1.1 什么是X光
4、,1895年，W.C.Roentgen 在研究阴极射线管时发现X射线。X射线透视技术。 1912年，M.Von Laue 以晶体为光栅，发现了X射线的衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。X射线是种电磁辐射，波长比可见光短，介于紫外与射线之间, l=0.01-100A。 1913年，Bragg父子测定了第一个晶体结构NaCl，提出Bragg方程。,X射线具有波粒二象性。解释它的干涉与衍射时，把它看成波，而考虑它与其他物质相互作用时，则将它看成粒子流，这种微粒子通常称为光子。,i) X光不折射，因为所有物质对X光的折光指数都接近1。因此无X光透镜或X光显微镜。,X光与可见光的区别,ii) X光无反
5、射。,iii) X光可为重元素所吸收，故可用于医学造影。,如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为相干的coherent. 非coherent的光波相互干扰，导致强度的减弱. 在同一方向的射线称为准直的（平行的）collimated beam. 电灯泡的光线是发散的, 射向地球的太阳光基本是 collimated 。,如果所有光波的频率相同（即波长一致），就之为单色的，反之为多色的。灯泡是多色的，激光是单色的。,关于电磁波的三个术语,由于 X-rays是高能电磁波，必由高能过程产生。 1) 电子在高压电场中轰击金属靶 2) 加速电子或质子，用磁体突然改变其路径 3) 在导体中突然改变电子的
6、运动方向 4) 电子在TV或VCD装置中减速 5) 核爆炸或宇宙射线的作用,1.2 X-Ray 的发生,X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成，两者之间作用有高电压，并置于玻璃金属管壳内。阴极是电子发射装置，受热后激发出热电子；阳极是产生X射线的部位，当高速运动的热电子碰撞到阳极靶上突然动能消失时，电子动能将转化成X射线。,冷却水,靶（阳极）,铜,X射线,X射线,真空,钨丝,玻璃,管座（接变压器）,铍窗,聚焦罩,封闭式X射线管,电子束,X射线,高功率旋转阳极,Plancks law : Energy/photon h 波长越短，能量越高。 能够转化为X光的最大能量为 hc/ lo = eV 因此产生的
7、X光的最短波长受能量的限制 最短波长为lswl（短波限:shirt wavelength limit) swl = hc/KE = hc/eV = 12400/V,由于产生热的限制，对管的能量（千瓦）输入有个限度。 旋转阳极的典型参数是40kV 和 100mA ，功率为 4kW。,X射线谱 白色(连续)X射线 不同性质的碰撞产生连续谱，称为白色X光(braking radiation)。,Characteristic peaks,Continuous radiation,High-energy stimulus,La,Kb,Ka,lswl,Intensity of emitted radiat
8、ion,Low-energy stimulus,Energy,Wavelength,Short wavelength limit,发生管中的总光子数(即白色X射线的强度)与: 1 阴极原子数Z成正比; 2与灯丝电流i成正比; 3与电压V二次方成正比: I白色 i Z V2 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大,Characteristic peaks,Continuous radiation,High-energy stimulus,La,Kb,Ka,lswl,Intensity of emitted radiation,Low-energy stimulus,
9、Energy,Wavelength,Short wavelength limit,特征X射线 随电压增加，X谱线上出现尖峰。尖峰在很窄的电压范围出现，产生X光的波长范围也很窄。称为特征X射线(characteristic peaks),当一个外来电子将K层的一个电子击出成为自由电子（二次电子），这时原子就处于高能的不稳定状态，必然自发地向稳态过渡。此时位于较外层较高能量的L层电子可以跃迁到K层。这个能量差E=EL-EK=h将以电磁波的形式放射出去，其波长h/E必然是个仅仅取决于原子序数的常数。,Ka l = 0.154nm DE = 1.29 10-15J,Kb l = 0.139nm DE
10、= 0.15 10-15J,La l = 1.336nm DE = 1.43 10-15J,where K = 1s2 level L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level,Copper铜,K,L,M,LK，产生K MK，产生K,特征X射线,这种由LK的跃迁产生的X射线我们称为K辐射，同理还有K辐射，K辐射。 离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小，所以由K系到L系到M系辐射的强度也将越来越小。 特征（标识）X射线产生的根本原因是原子内层电子的跃迁。 （1）不同Z，有不同特征X射线，K、K也不同。 （2）若V低于激发电压Vk，则无K、K产生。,靶材料 特征X射线波长
11、 元素 序数 K K Cr 24 2.2907 2.0849 Fe 26 1.9373 1.7566 Ni 28 1.6592 1.5001 Cu 29 1.5418 1.3922 Mo 42 0.7107 0.6323 W 74 0.2106 0.1844,特征X射线波长与靶材料原子序数有关,原子序数越大，核对内层电子引力上升，下降, ：波长; K：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数; Z ：靶材原子序数; ：屏蔽常数,能量对Z2的依赖性因为该过程涉及两个电子，一个被激发，另一个跌落。,能量服从 Mosleys Law,同步辐射X射线源,在电子同步加速器或电子储存环中，高能电子在强大的
12、磁偏转力的作用下作轨道运动时，会发射出一种极强的光辐射，称为同步辐射，其波长范围在0.1400左右的连续的各个波长的X射线。 其特点是强度高，比通常的X射线管所发出的X射线约大105倍左右。,1. 3 X射线与物质的相互作用,X射线与物质的作用分为散射、吸收、透射。 1、 散射 X射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即相干散射和非相干散射。 （1）相干散射 入射光子与电子刚性碰撞，其辐射出电磁波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉-相干散射。,(2）非相干散射 当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电
13、子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变，成为非相干散射。,2 吸收,除了被散射和透射掉一部分外，X射线能量主要将被物质吸收，这种能量转换包括光电效应和俄歇效应。 (1)光电效应 当入射X光子的能量足够大时，还可以将原子内层电子击出使其成为光电子，同时辐射出波长严格一定的特征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。(荧光光谱分析原理是光电效应),(2)俄歇效应 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子
14、-俄歇电子(Auger electrons)。这种现象叫做俄歇效应。,3 透射与衰减,X射线的能量衰减符合指数规律，即 I=I0e-mx 其中， I-透射束的强度，I0-入射束的强度，m-质量吸收系数，表示单位时间内单位体积物质对X射线的吸收量，为物质密度，x-物质的厚度,质量吸收系数m与波长 和原子序数Z存在如下关系：m=K 3Z3 这表明，当吸收物质一定时，X射线的波长越长越容易被吸收; X射线的波长固定时,吸收体的原子序数越高，X射线越容易被吸收。 I=I0/eK 3Z3x,线性吸收： I = -I0 x 为线性吸收系数, x为线性距离,x,I0,Ix,吸收量取决于入射强度 I0, 而I
15、0在每个吸收微元中连续变化，对整个样品积分：,x,I0,Ix,(Beer-Lambert Law),吸收常用质量吸收系数m表示， m / 不同元素的m不同,H 0.435 Si 60.6 C 4.60 S 89.1 N 7.52 Cl 106 O 11.5 Br 99.6 F 16.4 I 294 如果材料中含多种元素，则 m miWi 其中Wi为质量分数,由图可见，整个曲线并非像上式那样随的减小而单调下降。当波长减小到某几个值时， m会突然增加，于是出现若干个跳跃台阶。 m突增的原因是在这几个波长时产生了光电效应，使X射线被大量吸收，这个相应的波长称为吸收限 k 。 利用这一原理，可以合理地选用滤波材料，使Ka和Kb两条特征谱线中去掉一条，实现单色的特征辐射。,Z 靶材料 K Z 滤波材料 K 24 Cr 2.2907 23 V 2.2691 26 Fe 1.9372 25 Mn 1.8964 27 Co 1.7903 26 Fe 1.7435 29
