材料分析方法之材料X射线衍射分析

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,材料分析方法,第一部分,材料X射线衍射分析,主要内容：,X射线的性质,X射线的产生及X射线谱,X射线与物质的相互作用,第一章,X,射线的物理基础,第一章 X射线的物理基础,1901年首位诺贝尔物理奖获得者,1895年德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现,X射线（伦琴射线），产生、传播和穿透力等性能,X射线是电磁波?粒子流？,争议?,早期应用,（发现后半年）：骨折诊断和定位/铸件探伤,X射线透视技术,引言（,X射线谱发展历史,）,伦琴拍摄的,世界上第一张 X射线照片,（伦琴夫人的手机戒指）,探讨X射线本质的研究基础,1911 年，劳埃光波通过光栅的衍射理论研究,1911 年，爱瓦尔德可见光通过晶体的衍射行为,1908 年，佩兰解决了准确测定阿伏加德罗常数。,可计算晶体中一个原子或分子所占空间,的体积及,粒子间的距离,。,两种假说,X射线是电磁波，应具有衍射现象?,晶体具有空间点阵结构（规则排列）？,无法证实！,劳埃提出晶体可以作为X射线的天然立体衍射光栅,1912年劳埃设想被初步证实,CuSO,4,5H,2,O晶体为光栅，获得了第一张X射线衍射图,弗里德里克和克尼平实验,开辟了两个研究领域,解决三大问题,X 射线是波长很短的电磁波,晶体内部结构的周期性,利用X 射线衍射效应研究晶体结构,X 射线光谱学,X 射线晶体学,推测出,x射线的波长和晶体中的原子间距,数量级相同,劳厄实验,晶体中原子排列成有规则的空间点阵，原子间距为10,-10,m的数量级，与X射线的波长同数量级，可以利用晶体作为天然光栅。,1912年劳厄的实验装置,在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。,劳厄实验证明了X射线的波动性，同时还证实了晶体中原子排列的规则性。,劳厄（M.V.Laue，1879-1960）,德国物理学家，发现,X射线的衍射现象,，从而判定X射线的本质是高频电磁波。1914年，他因此获得诺贝尔物理学奖金。,布拉格父子（W.L.Bragg，子、W.H.Bragg，父）,英国物理学家，在利用,X射线研究晶体结构,方面作出了巨大的贡献，奠定了,X射线谱学及X射线结构分析的基础,。他们因此而于1915年共同获得诺贝尔物理学奖金。,X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一，,围绕X射线进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多。,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,1-1,X,射线的性质,波长：紫外线和,射线之间,特点：,1、在电磁场中不发生偏转；,2、穿透力；,3、波长较短的电磁波，范围,在0.01nm10nm,之间；,4、对人体有伤害。,1-1,X,射线的性质,X,射线本质是电磁波,磁场分量,电场分量A,忽略,沿,y,轴传播的波长,X射线波的方程表示为：,A=A,0,cos2(y/-t),A,0,电场强度振幅,，,频率（c/）,c 光速；t 时间,（1-1）,1-1,X,射线的性质,以表示相位，即=2,（y/,)，令=2,A=A,0,cos,（,-t,）,当t=0时，,则（1-1）可写成,（1-2）,（1-2）指数形式为,A=A,0,e,i(,-t),A=A,0,e,i,e,i,-,相位因子,X射线,波动性,粒子性-显著-光量子流,光量子,动能,E=h=hc,/,动量P,=h,/,=h,/,c,1-2,X,射线的产生及,X,射线谱,A,K,高压,1895年伦琴发现，,高速电子撞击某些固体,时，会产生一种看不见的射线，它能够透过许多对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许多物质产生荧光，这就是所谓的,X射线或伦琴射线,。,X,射线谱,连续 射线谱,（标识 射线谱,）,特征 射线谱,X,X,X,原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为X 射线。,管电压,管电流,阳极靶原子序数,一、连续,X,射线谱,1、实验规律,2、产生机理,连续性？,swl,？,I,max,-,m,?,？,经典电动力学,量子理论,强度随波长连续变化,管压,U,增大（,i,，,Z,不变），,各波长X射线强度提高，,短波限,swl,和强度最大值,m,减小,管流,i,增大（,U,一定，,Z,不变),各波长X射线强度提高，,swl,与,m,不变,靶材的原子序数,Z,越高（,U,，,i,不变）,各波长X射线强度越大，,swl,与,m,保持不变,二、特征,X,射线谱,1）,由若干互相分离且具有特定波长的谱线组成；,2）强度大大超过连续谱线的强度并迭加于连续谱线之上；,3）,谱线波长不随X射线光管的工作条件（电压和电流）而变，只决定于阳极靶物质的原子序数,1、实验规律,当,UU,K,时，在连续谱上特定波长出现出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，称为特征谱或标识谱,2、产生机理,K,K,3、X射线的应用,莫塞莱定律：,特征,X,射线的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，而与其他外界因素无关。,1914年，莫塞莱总结发现了这一规律，并因此获得诺贝尔物理奖,莫塞莱定律成为X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础,1-3,X,射线与物质的相互作用,X射线到达物质表面后的能量将分为三大部分，即,吸收、透射、散射,能量。,一、X射线的透射系数和吸收系数,l,称线吸收系数,e,-t,称透射系数,X射线强度随透入深度的变化,m,-,质量吸收系数,可反应物质本质的吸收特性,l,X射线通过单位厚度（体积）,物质的相对衰减量,m,单位面积厚度为t的体积中的物质的质量,（,m=,t,）,m,X射线通过,单位面积上单位质量,物质后强度的相对衰减量。,m,随入射波长的变化（Z一定）,m,决定于吸收体的原子序数,Z,和X射线的波长,，其关系的经验式为,波长减小到某几个值时，,m,突然增加，出现若干个跳跃台阶。,m,突增说明在这几个波长X射线被大量吸收，这个相应的波长称为吸收限。,每种物质都有它本身确定的一系列的吸收限。,W,i,某组元的质量分数,n,吸收体中的组元数,m,具有加和性,二、,X射线,的真吸收,吸收系数突变是由于光电效应消耗大量入射能量引起的,光电效应,是指吸收体原子某壳层电子获得入射光量子能,量，从内层溢出而成为自由电子（称光电子），使原子,处于相应激发态,如,k,激发态：，,k,、,k,为K吸收限频率和波长,（同一元素）,激发态的原子有2种释放能量方式：,荧光效应和俄歇效应,真吸收包括光电效应和热效应所引起的入射能量消耗,俄歇电子能谱,(AES)分析,X射线荧光光谱,(XFS)分析,光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图,滤波片原理示意图,光源波长与试样吸收谱的关系,选择X射线靶材的依据,吸收限的应用,获得单一波长的X射线,三、,X,射线的散射,X射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即,相干散射和不相干散射,。,X,射线被物质散射，主要是,核外电子,与X射线相互作用的结果。,相干散射（经典散射）,入射X射线与原子内,受缚较禁,的电子相遇，光量子能量不足,以使原子电离，但电子在X射线交变电场作用下发生受迫振,动而成为电磁波的发射源，,向四周发射与入射X射线波长相,同的辐射,，因各电子所散射的射线的波长相同，有可能发生,相互干涉。,不相干散射（量子散射）,在偏离原入射束方向上，不仅有与入射线波长相同的相干散射波，,还有波长变长的不相干散射波，康普顿吴有训用X射线光量子与,自由电子碰撞的量子理论解释这一现象,原子散射因子,f,随sin,/的变化,相干散射强度,I,f,2,I,0,康普顿吴有训效应,0.00486sin,2,X射线的产生及其与物质的相互作用,演讲完毕，谢谢观看！,内容总结,材料分析方法。1895年德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现。伦琴拍摄的世界上第一张 X射线照片（伦琴夫人的手机戒指）。推测出x射线的波长和晶体中的原子间距数量级相同。1-1 X射线的性质。（1-1）。则（1-1）可写成。粒子性-显著-光量子流。1-2 X射线的产生及X射线谱。短波限swl和强度最大值 m减小。swl与 m不变。swl与 m保持不变。2）强度大大超过连续谱线的强度并迭加于连续谱线之上。特征X射线的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，而与其他外界因素无关。X射线到达物质表面后的能量将分为三大部分，即吸收、透射、散射能量。mX射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量。m突增说明在这几个波长X射线被大量吸收，这个相应的波长称为吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列的吸收限。激发态的原子有2种释放能量方式：荧光效应和俄歇效应。0.00486sin2,