材料现代研究方法

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1、材料现代研究方法,参考书:,现代物理测试技术 梁志德 王 福主编 冶金工业出版社 2003 材料分析方法 周 玉 主编 械工业出版社 2000 材料研究方法 谈育煦 胡志忠编 机械工业出版社 2004 金属电子显微分析 陈世扑 王永瑞主编 机械工业出版社 1982 材料电子显微分析 魏全金编 冶金工业出版社 1990 金属X射线学 范雄主编 机械工业出版社 1989 固体X射线学 黄胜涛主编 高等教育出版社 1985 金属X射线衍射与电子显微分析技术 李树棠主编 冶金工业出版社 1980,早期诺贝尔物理学奖获奖名单,1901 W.C.伦琴 德国 发现伦琴射线(X射线) 1902 H.A.洛伦兹

2、 荷兰 塞曼效应的发现和研究 1903 H.A.贝克勒尔 法国 发现天然铀元素的放射性， P.居里 法国发现钍放射性 1904 L.瑞利 英国 在气体密度的研究中发现氩 . 1910 J.D.范德瓦耳斯 荷兰 对气体和液体状态方程的研究 1911 W.维恩 德国 热辐射定律的导出和研究 1912 N.G.达伦 瑞典 发明点燃航标灯和浮标灯的瓦斯自动调节器 1913 H.K.昂尼斯 荷兰 在低温下研究物质的性质并制成液态氦 1914 M.V.劳厄 德国 发现伦琴射线通过晶体时的衍射，既用于决定X射线的波长又证明了晶体的原子点阵结构 1915 W.H.布拉格 英国 用伦琴射线分析晶体结构,序 论,

3、X射线衍射的发现,威廉康拉德伦琴 公元1845公元1923 X射线的发现者威廉康拉德伦琴于1845年出生在德国尼普镇。他于1869年从苏黎世大学获得哲学博士学位。在随后的十九年间，伦琴在一些不同的大学工作，逐步地赢得了优秀科学家的声誉。1888年他被任命为维尔茨堡大学物理所物理学教授兼所长。1895年伦琴在这里发现了X射线。 阴极射线是由一束电子流组成的。当位于几乎完全真空的封闭玻璃管两端的电极之间有高电压时，就有电子流产生。阴极射线并没有特别强的穿透力，连几厘米厚的空气都难以穿过。这一次伦琴用厚黑纸完全覆盖住阴极射线，这样即使有电流通过，也不会看到来自玻璃管的光。可是当伦琴接通阴极射线管的电

4、路时，他惊奇地发现在附近一条长凳上的一个荧光屏（镀有一种荧光物质氰亚铂酸钡）上开始发光，恰好象受一盏灯的感应激发出来似的。他断开阴极射线管的电流，荧光屏即停止发光。由于阴极射线管完全被覆盖，伦琴很快就认识到当电流接通时，一定有某种不可见的辐射线自阴极发出。由于这种辐射线的神密性质，他称之为“X射线”X在数学上通常用来代表一个未知数。,伦琴发现了下例事实： （1）X射线除了能引起氰亚铂酸钡发荧光外，还能引起许多其它化学制品发荧光。 （2）X射线能穿透许多普通光所不能穿透的物质；特别是能直接穿过肌肉但却不能透过骨胳，伦琴把手放在阴极射线管和荧光屏之间，就能在荧光屏上看到他的手骨。 （3）X射线沿直

5、线运行，与带电粒子不同，X射线不会因磁场的作用而发生偏移。 1895年12月伦琴写出了他的第一篇X射线的论文，发表后立即引起了人们极大的兴趣和振奋。在短短的几个月内就有数以百计的科学家在研究X射线，在一年之内发表的有关论文大约就有一千篇！在伦琴发明的直接感召下而进行研究的科学家当中有一位是安托万亨利贝克雷尔。贝克雷尔虽然是有意在做X射线的研究，但是却偶然发现了甚至更为重要的放射现象。,劳厄，Max von Laue (18791960) 德国物理学家,X射线晶体分析的先驱。1879年10月5日生于柯布伦茨附近的普法芬多夫，1960年4月23日在柏林逝世。,劳厄认为X 射线是电磁波，产生了用X

6、射线照射晶体用以研究固体结构的想法。他设想X 射线是极短的电磁波,而晶体又是原子（离子）的有规则的三维排列,只要 X射线的波长和晶体中原子（离子）的间距具有相同的数量级，那么当用X 射线照射晶体时就应能观察到干涉现象。 1912年4月开始了这项试验。他们把一个垂直于晶轴切割的平行晶片放在 X射线源和照相底片之间。果然在照相底片上显示出有规则的斑点群。劳厄的设想被证实了，一举解决了X 射线的本性问题,而且初步揭露了晶体的微观结构的设想研究晶体中X射线衍射所用的仪器)。A.爱因斯坦曾称此实验为“物理学最美的实验”。劳厄随后从光的三维衍射理论出发,以几何观点完成了X射线在晶体中的衍射理论，成功地解释

7、了实验结果。由于发现 X射线在晶体中的衍射现象，劳厄获得了1914年的诺贝尔物理学奖。,亨利布拉格（W. H. Bragg 18621942） 劳伦斯布拉格（W. L. Bragg 18901971）父子分享了1915年的诺贝尔物理学奖。,劳厄的工作引起了英国物理学家布拉格父子 (W.H. Bragg and W.L.Bragg) 的兴趣。他们们分析了劳厄的实验，于同一年推导了比劳厄方程更为简单的衍射公式布拉格方程。它成为X射线分析中最常用的公式。证明了劳厄图样可以看作是由于晶体中原子富集面对X射线的反射形成的，并推出了著名的布拉格方程：nl=2dsinq，从而把X射线的波长l和反射出现的掠射

8、角q联系起来。式中，d为相邻原子面的间距，n为光谱的阶数。,第一章、晶体几何学基础,第一节、晶体结构与空间点阵,1、晶体 ：外观上晶体常具良好的几何多面体外形。本质上说， 晶体是内部质点在三维空间作规则排列的物质。也叫具有长程有序。如水晶，NaCl等。,邻苯二甲酸氢,冰洲石的菱面体晶体,第一章 晶体几何学基础 第一节 晶体结构与空间点阵,2. 等同点：在晶体结构中的种类相同，分布位置或周围环境也相同的一类点等同点必须具备的两个条件：位置或质点种类相同；质点周围环境相同。,3. 空间点阵：由各类等同点在三维空间排列构成的表示晶体结构中物质分布周期规律的三维几何图形。,第一章 晶体几何学基础 第一

9、节 晶体结构与空间点阵,空间点阵的要素： A、结点：空间点阵中的点，它代表晶体结构中的原子、分子等相同点。 B、行列：结点在直线上的排列。它相当晶体上的晶棱或晶向。 C、面网：结点在平面上的排列。它相当于晶体上的晶面。面网之间的间距称为面网间距。 D、单位点阵（平行六面体）：空间点阵中的一个最小重复单元。它相当于晶体结构中的单位晶胞（单胞）。 E、点阵参数或晶体常数：坐标系统 晶轴：一般A轴左右、B轴前后、C轴直立。 度量单位：晶轴上的结点间距（点阵周期）a, b , c 晶轴夹角：,。晶体常数是一种晶体最重要的参数之一。,第一章 晶体几何学基础 第一节 晶体结构与空间点阵,晶体中所有的质点的

10、重复规律在空间上呈格子状。这种结构图形就是空间格子,空间点阵示意图 空间点阵可由单胞重复排列而得,第一章 晶体几何学基础 第一节 晶体结构与空间点阵,红球：氯离子 蓝球：钠离子,氯化钠晶体中，氯离子是一类等同点，钠离子是另一类等同点。由Na+和Cl-各自组成面心立方晶格，是两个面心立方结构套构组成，属于复式结构。,第一章 晶体几何学基础 第一节 晶体结构与空间点阵,晶体是具有格子构造的固体，因此所有晶体也有它们所共有的格子构造所决定的性质。 A.自范性：晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发地成长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。这一特征称之为晶体的自范

11、性。 B.均一性：同一晶体的各个不同部分具有相同的性质。因为晶体的具有格子构造的固体，在晶体的各个不同部分质点的分布与排列都是一样的。,第二节.晶体性质,第一章 晶体几何学基础 第二节 晶体性质,AA方向，H45，小刀可刻动。BB方向，H65，小刀不能刻动。,C.异向性（各向异性）：晶体的物理性质随观测方向而变化的现象称为各向异性。晶体的性质因方向不同而有差异。这是因为晶体在不同的方向上质点的排列方式不同而决定的。晶体的很多性质表现为各向异性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。例如：石墨的电导率，当我们沿晶体不同方向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导率数值也不同的结果。 如兰晶石

12、在不同的方向上硬度有很大差异。,第一章 晶体几何学基础 第二节 晶体性质,D.对称性：晶体中相等的晶面、晶棱、角顶以及晶体的物理化学性质在不同方向或位置上有规律地重复出现。 晶体的宏观性质一般说来是各向异性的，但并不排斥晶体在某几个特定的方向可以是异向同性的。晶体的宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现象称为晶体的对称性。 晶体的对称性反映在晶体的几何外形和物理性质两个方面。实验表明，晶体的许多物理性质都与其几何外形的对称性相关。,第一章 晶体几何学基础 第二节 晶体性质,E. 最低内能与固定熔点：实验表明：从气态、液态或非晶态过渡到晶体时都要放热，反之，从晶态转变为非晶态、液态或气态时都有要

13、吸热。表明：在相同的热力学条件下，与同种化学成分的气体、液体或非晶体相比，晶体的内能最小。即在相同的热力学条件下，以具有相同化学成分的晶体与非晶体相比，晶体是稳定的，非晶体是不稳定的，后者有自发转变为晶体的趋势。 晶体具有固定的熔点。当加热晶体到某一特定的温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度不变，直至晶体全部熔化后，温度才又开始上升。,第一章 晶体几何学基础 第二节 晶体性质,第三节、晶系与布拉菲点阵 不同晶体的点阵参数是不同的。尽管自然界的晶体有几千种，但根据这些点阵参数的特点，可以把空间点阵归类为七个晶系：,立方晶系(等轴晶系) 正方晶系(四方晶系) 六方晶系 菱方晶系（三方晶系）

14、 斜方晶系 单斜晶系 三斜晶系,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,七大晶系与14种布拉菲点阵,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,根据结点在单胞中的分布，单位点阵有 简单（原始）点阵（P）： 结点均在角顶上 底心点阵（C）： 除角顶外每一对面上各有一个结点 体心点阵（I）： 除角顶外中央有一个结点 面心点阵（F）： 除角顶外每个面上均还有一个结点,根据点阵参数的特点和结点的分布，所有晶体空间点阵的种类有14种。它们是法国晶体学家布拉菲总结出来的，故亦称为布拉菲点阵。,单胞中结点的数目： 简单（原始）点阵： 1 面心

15、点阵： 4 底心点阵： 2 体心点阵： 2,简单点阵 : 1 000,体心点阵: 2 000 1/2 1/2 1/2 ,底心点阵:2 000 1/2 1/2 0 ,面心点阵: 4 000 1/2 1/2 0 1/2 0 1/2 0 1/2 1/2,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,晶体除了微观结构的周期性外，每种晶体还有其特殊的宏观对称性在结晶学中能反映晶体的周期性，又能反映其对称性的特征，通常不一定取最小的结构单元作为重复单元，而是按对称性特点选取其结构单元，通常是最小单元的几倍，称为结晶学原胞或简称晶胞，一般而言，晶体的原胞和晶胞有习惯选取方法，图1-2-1为立方晶系的三种结构：简立方、而心立方和体心立方的结构及原胞选取示意图。,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,第一章 晶体几何学基础 第三节 晶系与布拉菲点阵,ZnS型(立方型),晶格：面心立方,配位比：4:4,(红球Zn2+ , 绿球S2-),晶胞中离子的个数：,