材料測試方法教學(xué)課件第1章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

Tel課教師：李金濤1本門課是一門實驗方法課。實驗：檢驗性的，驗證性的；

試驗：探索性的，研究性的。有關(guān)材料分析的實驗方法課。前言2一、分析什么內(nèi)容使用效能性能組成與結(jié)構(gòu)合成與制備工藝3其中加工工藝、組成結(jié)構(gòu)對材料的性能都有著很直接的、重要的影響。每一方面，以后都有專門的課程進(jìn)行講述。這門課里面，我們主要學(xué)習(xí)怎樣分析或研究材料的組成與結(jié)構(gòu)，或說用什么方法來研究。4組成與結(jié)構(gòu)1、組成相組成（物相組成，物相分析）相：材料中化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)均勻一致，且物理化學(xué)性質(zhì)相同的某個區(qū)域。物相分析的研究對象是相（物相），較為宏觀?；瘜W(xué)組成（化學(xué)分析）化學(xué)分析的研究對象是原子、分子，較為微觀。5a)物相分析包括物相的定性分析，定量分析。如陶瓷中的晶相、玻璃相，鐵碳合金中的鐵素體與滲碳體。b)化學(xué)分析現(xiàn)代分析通常指微區(qū)的化學(xué)成分分析。微區(qū)：即顯微區(qū)域，如納米級別區(qū)域內(nèi)的化學(xué)成分分析。62、結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)與缺陷（晶胞參數(shù)、晶型、位錯、層錯等）。晶粒形狀與大?。?、柱狀等）。晶界等等。7二、用什么方法來研究1、傳統(tǒng)方法是無法滿足現(xiàn)在的研究需求的。光學(xué)顯微鏡：分辨率低，放大倍數(shù)小，且只能觀察表面形貌，不能觀察內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)分析：只能作平均的化學(xué)成分分析，不能作微區(qū)分析。82、本課要學(xué)的則是一些現(xiàn)代的研究方法，基本能夠滿足現(xiàn)代研究的需求，主要有：1）X射線衍射（XRD）：晶體結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)，材料中的物相定性及定量分析。2）透射電鏡（TEM）：觀察材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與形態(tài)。3）掃描電鏡（SEM）：觀察材料外部形貌。4）電子探針（EPMA）：分析微區(qū)化學(xué)成分。5）其它：如俄歇能譜（AES），紅外光譜（IR）等。9第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)：1、1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)，高速電子撞擊物體時，會產(chǎn)生一種輻射，由于不知其性質(zhì)，故稱為X射線。2、當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的特點：肉眼不可見，穿透性強(qiáng)，且可使相機(jī)底片感光。10李鴻章在X光被發(fā)現(xiàn)后僅7個月就體驗了此種新技術(shù)，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。113、1912年，德國勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在膽礬晶體中的衍射現(xiàn)象，從而確認(rèn)了X射線是一種電磁波。4、同年不久，英國布拉格父子首次利用X射線衍射方法測定了NaCl的晶體結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史。12X射線衍射分析：利用X射線通過晶體產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，收集晶體對X射線的衍射線，進(jìn)行物相成分、結(jié)構(gòu)的分析。13X射線衍射分析14一、X射線的性質(zhì)1、是一種電磁波，與其它電磁波及微觀粒子一樣，具有波粒二象性。2、波長越在0.01～10nm范圍內(nèi)，肉眼不可見。（λ、ν，波動性）3、具有一定的能量，能使熒光屏發(fā)光，使底片感光，還可使氣體電離。（E、P，粒子性）每個光子的能量：每個光子的動量：154、沿直線傳播，在電磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。5、穿透力強(qiáng)，能穿過可見光不能穿過的物質(zhì)。6、X射線對生物體有嚴(yán)重的損傷作用。7、X射線通過晶體要產(chǎn)生衍射。這是本篇內(nèi)容采用的主要性質(zhì)。采用不同的信號則產(chǎn)生不同的分析方法。如：

X射線衍射分析（XRD）

X射線熒光光譜分析（XRF）

X射線光電子能譜分析（XPS）16二、X射線的產(chǎn)生1、X射線機(jī)與X射線管結(jié)構(gòu)實驗室所用X射線通常由X射線機(jī)產(chǎn)生。X射線機(jī)基本結(jié)構(gòu)：X射線管，高壓變壓器，電壓、電流的調(diào)節(jié)穩(wěn)定系統(tǒng)等。X射線管為X射線機(jī)核心部件，種類很多。目前小功率的都使用封閉式電子X射線管，而大功率X射線機(jī)則使用旋轉(zhuǎn)陽極靶的X射線管。通常使用封閉式熱陰極X射線管。17冷卻水靶（陽極）銅X射線X射線真空鎢絲玻璃管座（接變壓器）鈹窗聚焦罩封閉式X射線管1819

電子束X射線高功率旋轉(zhuǎn)陽極2021封閉式熱陰極X射線管基本結(jié)構(gòu)及特點1）高真空。防氧化，并保證熱電子的自由運(yùn)動。2）熱陰極（燈絲），通常由繞成螺線形的鎢絲制成。3）板狀陽極（靶）常用靶材：Fe，Co，Ni，Cu，Ag，W4）其它部件：金屬聚焦罩（電子束聚焦），窗口（材質(zhì)為鈹、鋁、輕質(zhì)玻璃等。）222、X射線機(jī)工作原理220V交流電通過調(diào)壓、整流等過程，以負(fù)高壓形式加到熱陰極上。熱陰極上由熾熱燈絲發(fā)出熱電子，在高壓作用下高速撞向陽極，這時就產(chǎn)生X射線。X射線從窗口發(fā)射出來，就可供實驗使用。23三、X射線譜從X射線管發(fā)出的X射線并不是單一波長的X射線，而是包含包含許多不同波長的X射線。如我們對得到的X射線進(jìn)行處理，得到類似這樣一個波長與強(qiáng)度關(guān)系的圖譜（圖a）。24X射線譜X射線譜指的是X射線強(qiáng)度I隨波長λ變化的關(guān)系曲線。X射線的強(qiáng)度大小決定于單位時間內(nèi)通過與X射線傳播方向垂直的單位面積上的光量子數(shù)。251）連續(xù)X射線譜：指從某個最短波長λSWL(短波限)開始的連續(xù)的各種不同波長的X射線譜。2）特征X射線譜（標(biāo)識X射線譜）：由若干條特定波長的譜線構(gòu)成。其波長與管電壓、管電流等條件無關(guān)，而只與陽極材料有關(guān)，故稱特征X射線譜，作為陽極材料的特征與標(biāo)識。261、連續(xù)X射線譜1）基本原理基本原理：任何高速運(yùn)動的帶電粒子突然減速時，都會產(chǎn)生電磁輻射。產(chǎn)生過程：從熱陰極發(fā)出的熱電子以極高速度撞向陽極并突然遏止時，其所帶能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗，還有一部分動能就以電磁輻射——X射線的形式釋放出來。27具體思考：a、熱能損耗表現(xiàn)；b、為何此時產(chǎn)生的是連續(xù)X射線譜？c、為何存在短波限？282）短波限的計算存在短波極限，對應(yīng)于能量為eV的電子將能量全部轉(zhuǎn)換為光量子的能量。管電壓越高，λmin越短。陽極的原子序數(shù)一定,管電流一定292、特征X射線譜（標(biāo)識X射線譜）1）產(chǎn)生原理與過程產(chǎn)生原理：原子內(nèi)層電子的激發(fā)和躍遷。產(chǎn)生過程：（以K系激發(fā)為例）30特征X射線譜NMKLKγKαKβLαLβK系激發(fā)L系激發(fā)

在原子內(nèi)固定殼層上的電子具有特定能量。當(dāng)外加能量足夠大時，可將內(nèi)層電子激發(fā)出去，形成一個內(nèi)層空位。外殼層的電子躍遷到內(nèi)層，多余的能量以X射線形式放出。31激發(fā)：高電壓作用下，熱陰極的電子高速撞向陽極，當(dāng)管電壓高于某一臨界值UK，電子動能足以將K層電子撞擊出來成為自由電子，于是K層形成一個空位，此過程稱為激發(fā)。趨勢：由于K層出現(xiàn)空位，原子處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)。由能量最低原理，電子有盡量往低能級填充的趨勢。躍遷：當(dāng)K層出現(xiàn)空位，L、M、N層電子都有可能躍入此空位，其能量差就以X射線形式輻射出來，此即特征X射線或標(biāo)識X射線。322）特征波長（頻率）計算莫塞萊定律：莫塞萊對特征譜經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律：：波長;K：與主量子數(shù)、電子質(zhì)量和電子電荷有關(guān)的常數(shù);Z：靶材原子序數(shù);

：屏蔽常數(shù)33其中可見K2與躍遷情況有關(guān)。R為里德伯常數(shù)，R=1.0974×107m-1.可見，特征譜波長只與能級差（原子序數(shù)，躍遷情況）有關(guān)。比較：Kα

Kβ>34四、X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相互作用時，會產(chǎn)生各種效應(yīng)，主要有：1）部分光子因與原子碰撞而改變前進(jìn)方向，形成散射線；2）另一部分光子可能被原子吸收，產(chǎn)生光電效應(yīng)；3）還有部分光子的能量在與原子碰撞時傳遞給原子，成為熱振動能。35這些過程如圖所示：H熱能入射X射線強(qiáng)度為I0透過X射線強(qiáng)度為I=I0e-uH熒光X射線電子散射X射線相干反沖電子光電子非相干俄歇電子36

X射線與物質(zhì)的作用分為散射、吸收、透射。1、X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時可以產(chǎn)生兩種散射現(xiàn)象，即相干散射和非相干散射。（1）相干散射當(dāng)X射線光子與原子內(nèi)緊束縛電子相撞時，光子能量可認(rèn)為不受損失，而只改變方向。因此散射線與入射線波長相同，且有一定的位相關(guān)系，可相互干涉，形成衍射圖樣。37(2）非相干散射當(dāng)X射線光子與束縛較弱的電子或自由電子相碰撞時，光子的部分能量傳遞給原子，損失了自己部分能量，因而波長變長了。由于散射線波長各不相同因此不會相互干涉形成衍射，稱不相干散射。其中的弱束縛電子或自由電子由于獲得了一定能量，成為反沖電子。382、吸收除了被散射和透射掉一部分外，X射線能量主要將被物質(zhì)吸收，這種能量轉(zhuǎn)換包括光電效應(yīng)，同時伴隨熒光X射線和俄歇電子。(1)光電效應(yīng)（真吸收）當(dāng)入射X光子的能量足夠大時，還可以將原子內(nèi)層電子擊出使其成為光電子，它的能量被該電子所吸收，并使原子處于高能激發(fā)態(tài)。該過程稱真吸收（光電吸收，光電效應(yīng)）。39（2）熒光X射線：光電吸收后，由于內(nèi)層出現(xiàn)空位，原子處于高能激發(fā)態(tài)，此時外層電子會躍遷到此空位，就會產(chǎn)生標(biāo)識X射線。這種由X射線激發(fā)的X射線稱熒光X射線（次級標(biāo)識X射線）。40(3)俄歇效應(yīng)如果原子K層電子被擊出，L層電子向K層躍遷，其能量差不是以產(chǎn)生K系X射線光量子的形式釋放，而是被鄰近電子所吸收，使這個電子受激發(fā)而逸出原子成為自由電子-----俄歇電子(Augerelectrons)。這種現(xiàn)象叫做俄歇效應(yīng)。

413透射與衰減X射線的能量衰減符合指數(shù)規(guī)律，即

I=I0e-μx=I0e-μmρx其中:I-----透射束的強(qiáng)度