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1、材料检测方法,主讲老师：杨 可,材料科学与工程专业主干专业课程,2017年10月15日,第二章 X射线显微分析技术,命运如同海水吹着青春的舟飘摇的曲折的渡过时光的海 冰心,1X射线的物理学基础；2X射线衍射理论；3、多晶体分析方法；4、物相分析.,学习内容：,1、了解X射线产生机理；2、能够进行物相分析,重点：,1.X射线的物理学基础,伦琴夫人的手X照片戒指,NaCl晶体的三维空间点阵,X射线的应用,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,X射线的产生,产生X-射线的方法，是使快速移动的电子(或离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转变成X光能，即辐射出X-射线。,由此，X射线被证实
2、是一种频率很高（波长很短）的电磁波。 X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。(1)波动性;(2)粒子性。,l,E,A,X-ray的能量与频率或波长相关，Plancks 定律:Energy/photon （能量/光子）= h = hc/ h = 6.6310-34 Js,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,在电磁波谱中，X射线的波长范围约为 0.005 nm 到 10 nm，相
3、当于可见光波长的 10万分之一 到 50 分之一 。,性质 （Properties）：, 肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光板 发光和使气体电离； 能透过可见光不能透过的物体； 这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不引起衍射； 这种射线对生物有很厉害的生理作用。,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,Intensi
4、ty of emitted radiation,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-
5、energy stimulus,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外层电子结构特点的常数，或者说是个仅仅取决于原子序数的常数。,K = 1s2 level
6、L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level,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。 可见： 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
7、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Z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,2.X射线衍射理论,（1）X射线与物质的作用,图2-1 X射线经过物质时的相互作用,当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分：一部分散射；一部分被吸收；其余部分则透过物质继续原来的方向传播。,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
8、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
9、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-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-x=I0e-mx其中:I-透射束的强度，I0-入射束的强度， -线吸收系数（cm-1)m-质量吸收系数，(cm2/g)表示单位时间内单位体积物质对X射线的吸收量，为物
10、质密度(g/cm3)，x-物质的厚度 (cm),线性吸收：I=I0e -x为线性吸收系数, x为线性距离,x,I0,I,吸收量取决于入射强度 I0, 而I0在每个吸收微元中连续变化，对整个样品积分：,x,I0,I,(Beer-Lambert Law),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。,吸收常用质量吸收系数m表示，m /不同元素的m不同,H0.435Si60.6C4.60S89.1N7.52Cl106O11.5Br99.6F16.4I294如果材
11、料中含多种元素，则m miWi 其中Wi为质量分数,吸收系数的变化是不连续的。波长（能量）变化到一定值，吸收的性质发生变化，m发生突变，突变波长称吸收限(K , Absorb limit)。,质量吸收系数,波长,K,L1,L2,L3,K=0.158,200100,0.5 1.0,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K和K两条特征谱线中去掉一条，实现单色的特征辐射。,质量吸收系数
12、,波长,K,L1,L2,L3,K=0.158,200100,0.5 1.0,吸收限对应的能量就是轨道能，对K线而言： K = hc/WK,原子序数越低，轨道能WK越低，即吸收限K越大。,/,1.2 1.4 1.6 1.8,m,K,K,/,1.2 1.4 1.6 1.8,m,K,K,原子序数小12的物质对K的吸收限接近阳极物质的K，可用作过滤器，将K射线滤掉。Cu/Ni:,Z靶材料 K Z滤波材料 K 24Cr2.290723V2.269126Fe1.937225Mn1.896427Co1.790326Fe1.743529Cu1.541828Ni1.488142Mo0.710740Zr0.688
13、8,一些靶材料与滤波材料的配合,（2）X射线分析原理,布拉格方程： n=2dsin,1915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布喇格当年25岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得主。,1912年，英国物理学家布喇格父子提出 X射线在晶体上衍射的一种简明的理论解释-布喇格定律，又称布喇格条件。, 同一晶面上各个格点之间的干涉点间干涉。, 不同晶面之间的干涉面间干涉。,分两步讨论：,（1）.布喇格方程的导出,任一平面上的点阵,（1）.布喇格方程的导出, 同一晶面上各个格点之间的干涉点间干涉。,用图示法作简易证明,CC-ADACcos- ACcos=0,CC=AD,AA=BB, 不同晶面之间的干涉面间干涉。,相长干涉得亮点的条件,层间两反射光的光程差,掠射角,(a)可见光在任意入射角方向均能产生反射，而X射线则只能在有限的布喇格角方向才产生反射。就平面点阵（h*k*l*）来说，只有入射角满足此方程时，才能在相应的反射角方向上产生衍射。(b)可见光的反射只是物体表面上的光学现象，而衍射则是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结果。,(1)X射线衍射与可见光反射的差异,（2） 关于Bragg方程的讨论,1,2,1,2,A,B,C,hkl,dhkl,这规定了X衍射分析的下限：对于一定波长的X射线而言，晶体中能产生衍射的晶面数是有限的。对于一定晶体而言，在不同波长的X射线下，能产生衍射的晶面数是不同的。,
