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1、第一章光学显微分析1.晶体光学基础1.1 晶体中的光学性质光性均质体：光传播各向同性，只有一个折射率，偏振光入射后保持原有偏光性，包括气体、液体、立方晶系等。光学非均质体：光传播各向异性，不止一个折射率，除去特殊方向（沿着光轴方向）外都会发生双折射，偏正光入射后偏振性改变。双折射：当偏振光沿着光学非均质体的非光轴方向入射时，会被分解成两束折射率不同振动方向垂直的光线而向不同方向折射的现象。光率体：光波在晶体中传播时，在不同振动方向上的折射率与振动方向之间光性指示体。均质体光率体：球体，半径表示折射率，高级晶系与非晶物质属于此类。非均质光率体：分为一轴光率体和二轴光率体一轴光率体：中级晶系（三方
2、、四方、六方）属于此类，为二轴椭圆绕光轴 c 旋转而成的旋转椭球体，有正负之分，区别在于c 轴是短轴还是长轴。一轴光率体的双折射把入射光分为常光o，振动方向与c轴垂直， 以及非常光 e，振动方向与晶体中该光及c轴构成平面平行。二轴光率体：低级晶系（单斜、斜方、三斜）属于此类，是一个三轴椭球体，三根轴代表着三个光学主轴。也有正负之分，两根光轴接近Ng 轴为正光性， 接近 Np 则为负光性。 二轴光率体的双折射把入射光分解成两束非常光。光性方位：光率体的主轴与晶面、结晶轴以及晶棱之间的关系，不同晶体光性方位不同，相同晶体基本相同。中级晶系属于一轴光率体，旋转椭球的旋转轴（光轴）与结晶轴c 相当，光
3、率体中心与晶体中心重合；低级晶系属于二轴光率体，其中斜方晶系三轴与三轴椭球对应，三个主轴面与晶体三个对称面重合，单轴晶系光率体的三轴之一与晶体的二次对称面重合，三个主轴面之一与晶体的对称面重合，三斜晶系只有中心可以与光率体重合，其余三轴均斜交。光率体的应用：光性方位是鉴定透明矿物的主要依据之一，也可以导出一系列光学常数并有助于研究光学现象，如折射率、双折射率、多色性、吸收性等等。2.偏光显微镜分析及应用单偏光显微镜下的晶体光学性质：晶体外形特征，如晶体形态、解理及解理角；晶体对光波的选择吸收有关的性质，如晶片的颜色、多色性与吸收性；与晶体折射率大小有关的性质，如突起、糙面、边缘、贝克线等。正交
4、偏光显微镜：1.消光现象全消光： 非晶、 等轴晶系晶体以及非均质体垂直于光轴的切片可以产生四次消光：非均质体除垂直于光轴切片以外特有的现象2.干涉现象非均质体除了垂直光轴外的任意方向切片不在消光位时均会发生干涉。3.干涉色与干涉色级序干涉色颜色只决定于光程差，旋转转台只能改变亮度干涉色级序决定于光片厚度和双折射率大小，最高干涉色级序的切片是平行于光轴的切片正交偏光镜可以鉴定的光学性质：晶体的干涉色级序、双折射率、消光类型、延性符号、双晶等；加上锥光镜可以鉴定轴性、光性、切片类型和光轴角等。偏光镜下轴性的鉴定：4.通过单偏光镜下多色性判断：均质体没有多色性，只有一种颜色，一轴晶旋转载物台允许出现
5、两种主要颜色，二轴晶有三种。5.通过正交偏光镜下消光类型判断：属于一轴光率体的中级晶族大多数切片为平行消光， 斜消光不常见； 而二轴光率体的晶体斜消光切片比较常见。6.通过锥光镜判断： 转动载物台出现只有黑直臂或黑十字交替出现的是一轴光率体，呈现黑直臂（黑十字）与弯臂交替出现的干涉图像则是二轴光率体。偏光显微镜的种类、原理与应用7.单偏光显微镜： 利用偏振光和玻璃透镜组成的光学放大系统观察晶体的形貌、颜色等表观特征，可用于晶体的外形研究，对分析晶体生长环境有重要意义。8.正交偏光镜： 利用上下两个互相垂直的偏光片，当没有光片或光片是光学均质体时光线透过两个偏光片由于消光现象会显示黑场，而非均质
6、体光片会发生干涉与四次消光现象。用于鉴定晶体的干涉色级序、双折射率、消光类型、延性符号、双晶等。9.锥光镜： 在正交偏光镜的基础上，加入聚光镜与勃氏镜使入射光从各个方向入射光片，不同方向上消光与干涉各不相同，共同组成干涉图，利用干涉图可以鉴定晶体的轴性、光性、切片类型以及光轴角等。2.1 光学显微分析的应用传统光学显微镜的分辨率极限：分辨率是一起分辨两物点之间最近的距离与角度，由于衍射效应，远处一个物点通过物镜成像形成的是衍射斑，根据瑞利公式：d01.22 2nsin ，传统光学透镜无法突破 /2 的分辨极限。提高光学显微镜分辨率的方法：根据瑞利公式，有三个途径1.使用低波长的光源2.使用更高
7、折射率的光学介质，比如说油浸系统3.使用更大孔径角的显微系统第二章X射线衍射分析1.x 射线的产生与性质x 射线的产生： 高速运动的电子流或其他高能辐射流被突然减速都可以产生x 射线；原子内层电子受激发，外层电子跃迁回去的过程中也可以产生x 射线。实验中 x 射线源主要有两种，一种是 x 射线管， 使用高能电子轰击金属阳极靶，一方面对高速电子流产生制动而放出x 射线，另外阳极金属原子内层电子受激发而产生空穴，外层电子跃迁回内层填补空穴时也会发出x射线。第二种是同步辐射x 射线源，将电子在环形加速器中加速同步发出x射线。x 射线的性质：频率高，直线传播电磁场中不会偏转，穿透力强，肉眼不可见但可以
8、使底片感光，会引发生物化学反应使用 x 射线表征的原因：1.具有穿透性，且能量适中不会对样品造成太大的损伤。2.X射线入射晶体可以发生明显的衍射现象3.X射线产生机理简单，与物质作用的物理信号多样，可用于不同需要。2.X射线与物质相互作用其中相干散射的x 射线可用于晶体的x 射线衍射实验来检测晶体结构3.X射线衍射原理： X 射线入射晶体后，每个点阵散射的x 射线由于点阵排列的规律性，会存在相干关系，在空间的特定位置发生干涉，结果是某些方向上散射波加强，有些地方减弱。布拉格方程的推导及意义（极重要）衍射发生的充要条件：a）满足布拉格方程b）实际工作中为了让衍射现象明显常选择与晶面间距相近的4.
9、X射线衍射分析粉末法：1.粉末照相法：单色辐射照射多晶或晶体粉末，在底片上呈现出衍射环2.粉末衍射仪法：最常用的x 射线衍射分析法劳厄法、转晶法：多用作单晶衍射分析。5.粉末衍射定性分析粉末衍射仪工作原理：x 射线管发出的x 射线照射到粉末样品上，样品与测角仪以一定角速度转动，辐射探测器则以其两倍的角速度沿着一定半径同向运动， 这样入射光线与样品到探测器的直线所夹角度始终是2，若有衍射现象则可被接收，接收到的衍射光线由探测器转换成电信号，调制后成谱。工作方式：1.连续扫描：速度快、分辨率不如步进扫描2.步进扫描：分辨率好，速度慢定性分析过程：1.首先使用粉末照相法或粉末衍射仪法获得样品的衍射图
10、样2.通过对所获得图样进行分析和计算，获得各衍射线的2和 d 以及相对强度大小，目前一般直接由计算机给出数据。3.使用检索手册、 或者检索软件查找物相的PDF卡片， 所查找的卡片应可以解释图谱中的三强线，尽量解释其他衍射峰。4.如果是多物相分析，则在 3 完成后对剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复第3 步，直到所有衍射线基本得到解释。定性分析注意：1.对试样分析前应尽可能详细的了解样品的来源、化学成分、工艺状况，仔细观察外形、颜等性质，为检索提供依据。2.尽可能的根据试样性能进行分离提纯。3.尽量使用分辨率更高的仪器，以保证图谱质量。4.d 值的计算应尽量准确，小数点后第二位才可出现偏差。
11、5.要重视低角区的衍射实验数据，该区衍射线重叠的机会较少（d 值较大）6.多物相混合样品检验时，应力求所有衍射线都得到合理解释，也可能出现某些衍射线无法解释的现象。7.定性分析过程中，应尽可能与其他分析手段结合起来，相互印证。样品的制备方法：常用的粉末样品为平板形，粒径合适的粉末样品通过压制铺在试样板的窗口上。样品制备的注意：1.粉末粒径大小要控制在5 微米左右。2.压制过程不能使表面区域产生择优取向。3.最好使用单一物相的样品。6.粉末衍射分析的应用（物相分析、定量分析、晶体结构分析）区别非晶与晶体：1.粉末照相法中， 非晶物质的衍射照片多为模糊的晕环，晶体为清晰的衍射环。2.粉末衍射仪法中
12、，非晶物质检测不出明显的衍射峰，晶体可以获得强衍射峰。判断物相，确定是何种晶体物质晶体结构分析：包括晶型、结构应力、结构数据等其他应用：微观应力测定、结晶度分析、织构分析等。第三章电子显微分析1.电子和物质相互作用电子束轰击样品产生的物理信号：二次电子、背散射电子、透射电子、吸收电子、俄歇电子、特征x 射线各类物理信号的应用：透射电镜使用透射电子及其衍射光束成像；扫描电镜使用二次电子信号形成表面形貌衬度观察表面形貌，利用背散射电子和吸收电子形成原子序数衬度观察表面结构和元素分布；电子探针仪使用特征 x 射线对材料表面的元素分布和含量进行分析。晶体电子衍射与x 射线衍射异同：1.相同点：遵从衍射
13、产生的必然条件（布拉格方程+反射定律，衍射矢量方程或厄瓦尔德图解等）和系统消光规律2.不同点：A.原理上，电子衍射是电子束照射晶体，电子束属于物质波，且波长较 x 光更短，所以衍射角更小，布拉格方程可以简化处理。B.分类上， x 射线衍射较为单一，而电子衍射可以根据电子束的能量 分为高能衍射和低能衍射C.应用上，电子衍射精度较低，但在电镜中可以做形貌与结构的同步分析2.透射电镜工作原理：通过电子枪发出的电子束经过电子聚光镜汇聚成一定直径的束斑照射到样品上，与样品发生作用，产生反映微区厚度、原子量以及晶体结构以及位向差别的多种信息，这些信息的强度取决于透过电子的强度，并通过物镜放大后在像平面形成
14、相应的透射电子像，该像再通过中间镜和投影镜经一部放大，最后在荧光屏上显示出来。分辨能力影响因素：1.加速电压大小2.球差等像差的控制成像原理 （衬度原理图必须要会画）：1.质厚衬度：a.概念：透射电镜中，由质量厚度差异引起成像电子束强度的差异而形成的衬度。b.原理：透过电子束中，一部分散射后被光阑挡住不参与成像，而散射的程度与质量厚度有关，质量厚度越大的区域散射越明显，因而参与成像的电子束强度就越低，反映在图像上就越暗。c.图像分析注意：1.确定样品与复形表面的浮雕关系；2.熟悉各物象 表面浮雕特征；3.正确判断图像中浮雕凹凸2.衍射衬度：a.概念：晶体中各个部分因满足衍射条件（布拉格方程）的
15、程度不同而引起的衬度，是利用电子衍射效应来产生晶体样品像衬度的一种方法。b.原理：电子束射入样品时，使用光阑将产生的衍射束遮挡只让投射束通过，或者改变入射角度遮挡投射束只让衍射束通过，因为样品各区域发生衍射的程度不同，最后参与成像的电子束强度也就不一，从而引起像产生明暗差异，前者为明场成像，后者为暗场成像。制样方法：1.支持膜法：适用于粉末状、凝胶状等样品，将样品载在支持膜上再用铜 网承载，要求支持膜本身没有结构、粒度小、能承受电子照射。2.复形法：包括碳一级复形、塑料-碳二级复形以及萃取复型，其中前两者只能观察表面形貌特征，萃取复型可以了解物相分布，该法适用于不适合制成薄膜或者电子束下强度不
16、高的样品。3.薄膜法：在各类材料中应用广泛，采用物理或化学减薄的方法，其中非金属材料多用离子轰击法，金属材料适合电解抛光法，单晶材料适合用化学腐蚀法， 高分子材料多用超薄切片机。其中高分子材料薄膜制得后一般还需染色和蚀刻来提高样品表面反差。性能特点：高分辨率、高放大倍数应用：1.无机材料中的应用以水泥为例， 选区电子衍射可以分析难以分离微区的晶体结构，支持膜法可以分析水泥及其原料颗粒的表面聚集状态，从而揭示水泥熟料内部的细微结构， 也可用于观察水泥断面结构，研究水化前后的孔径大小和形状分布从而揭示水化过程。2.金属材料中的应用TEM 的高放大倍数有助于对金属断面进行观察研究，从而推测断裂机理等。3.高分子材料中的应用TEM 在高分子材料中的应用主要分为三个方面，一是观察共混物的分相 情况，比如对pp 与顺丁橡胶的共混物，可以用TEM 观察两相的混合状况；二是对聚合物晶体的研究，比如说对聚乙烯单晶的观察；三是研究纳米聚合物材料的结构，比如对聚苯乙烯微球颗粒的观察。选区电子衍射中单晶多晶非晶成像区别：1.单晶：衍射斑；2. 多晶：清晰衍射环；3. 非晶多为模糊的晕环透射电镜与
