1 測(cè)試方法基礎(chǔ).ppt

1、測(cè)試方法概論,主講: 廖寶麗,授課主要內(nèi)容,第一章 總論 第一節(jié) 現(xiàn)代測(cè)試方法的基礎(chǔ) 第一節(jié) 材料現(xiàn)代分析方法概述 第二章 衍射分析 第一節(jié) 衍射分析原理 第二節(jié) X射線衍射方法 第三節(jié) X射線衍射儀法 第四節(jié) 衍射方法應(yīng)用 第三章 電子顯微分析 第一節(jié) 透射電子顯微鏡 第二節(jié) 掃描電子顯微鏡 第三節(jié) 電子探針顯微分析 第四章 光譜電子能譜分析 第一節(jié) 原子光譜分析 第二節(jié)分子光譜分析（紅外光譜、激光拉曼光譜） 第五章 其他分析方法（熱分析法等）,第一節(jié) 材料現(xiàn)代測(cè)試方法的基礎(chǔ),一. 物理學(xué)基礎(chǔ) (一) 電磁輻射 電磁輻射是指在空間傳播的交變電磁場(chǎng).電磁輻射也可稱為電磁波(有時(shí)也將部分譜域的電

2、磁波稱為光),它在空間的傳播遵循波動(dòng)方程;反射折射干涉衍射偏振等是電磁輻射波動(dòng)性的表現(xiàn). 人們通常所說的光是一種能引起視覺的電磁輻射,波長(zhǎng)范圍400-750nm.在光學(xué)中,廣義的光的概念,除了可見光之外,還包括紅外光和紫外光,以及X射線和 射線.它們本質(zhì)上都屬于電磁電磁輻射,紫外光與X射線的波長(zhǎng)沒有明確的分界, X射線和 射線也沒有明確的波長(zhǎng)界線,因?yàn)槿藗儾⒉皇歉鶕?jù)波長(zhǎng)來區(qū)分紫外光、X射線以及射線,而是根據(jù)它們的產(chǎn)生來區(qū)分的.,一. 物理學(xué)基礎(chǔ),電磁波譜 短波 中波 長(zhǎng)波,一. 物理學(xué)基礎(chǔ),(二) 電磁輻射與材料的相互作用 一. 輻射的吸收與發(fā)射 1.輻射的吸收 輻射的吸收是指輻射通過物質(zhì)時(shí),

3、其中某些頻率的輻射被組成物質(zhì)的粒子(原子離子或分子等)選擇性地吸收從而使輻射強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象 2.輻射的發(fā)射 輻射的發(fā)射是指物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象. 輻射的發(fā)射,前提是使物質(zhì)吸收能量即激發(fā),使物質(zhì)激發(fā)的 方式很多,可分為兩類:非電磁輻射(非光輻射)和電磁輻射激發(fā)(光激發(fā)),3. 光譜的分類 按輻射與物質(zhì)相互作用性質(zhì),光譜可分為吸收光譜發(fā)射光譜和散射光譜,二.輻射的散射 輻射的散射是指電磁輻射(與物質(zhì)發(fā)生相互作用)部分偏離原入射方向而分散傳播的現(xiàn)象. 物質(zhì)中與入射的輻射即入射線相互作用而致其散射的基本單元可稱散射基元,散射基元是實(shí)物粒子,可能是分子、原子中的電子等,取決于物質(zhì)結(jié)構(gòu)及入射線

4、波長(zhǎng)大小等因素. 分子散射 分子散射是入射線與線度即尺寸大小遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)的分子或分子聚集體相互作用而產(chǎn)生的散射 拉曼散射:是指入射線(單色光)光子與分子發(fā)生非彈性碰撞作用,在光子運(yùn)動(dòng)方向改變的同時(shí)有能量增加或損失的散射.拉曼散射與入射線的波長(zhǎng)稍微有不同,拉曼散射產(chǎn)生的實(shí)質(zhì)在于入射光子與分子作用時(shí)分子的振動(dòng)能級(jí)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷,因而拉曼散射譜線的多少?gòu)?qiáng)度與波長(zhǎng)等均與分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)性質(zhì)等密切相關(guān),也是含有物質(zhì)特征信息的光譜.,二.輻射的散射,2. 晶體中的電子散射 X射線等譜域的輻射照射晶體,電子是散射單元,晶體中的電子散射包括相干散射與非相干散射 相干散射是指入射光子與原子內(nèi)受核束縛的電子(如內(nèi)層

5、電子)發(fā)生彈性碰撞作用,僅其運(yùn)動(dòng)方向改變而沒有能量改變的散射,相干散射又稱為彈性散射. 相干散射的產(chǎn)生及特點(diǎn)可用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)加以說明,當(dāng)入射線光子能量不足以使電子電離也不足以使原子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí),原子中的電子可能在入射線電場(chǎng)力的作用下圍繞其平衡位置產(chǎn)生與入射線頻率相一致的受迫振動(dòng)并從而產(chǎn)生交變電磁場(chǎng),如此,每個(gè)受迫振動(dòng)的電子便成為新的電磁波源,向四周輻射與入射線同頻率的電磁波.在入射線作用下,因晶體中各個(gè)電子受迫振動(dòng)產(chǎn)生的散射均與入射線具有確定的位相關(guān)系,故各電子散射波間有可能產(chǎn)生相互干涉,所以稱為相干散射. 非相干散射是指入射線光子與原子內(nèi)受核束縛較弱的電子(如外層電子)發(fā)生非彈性碰撞作用,

6、在光子運(yùn)動(dòng)方向改變的同時(shí)有能量損失的散射,又稱為非彈性散射 相干散射是材料x射線衍射分析等方法的技術(shù)基礎(chǔ);非相干散射在一般情況下則給衍射分析帶來不利影響.,三 光電離 光電離是指入射光子能量足夠大時(shí)使原子或分子產(chǎn)生電離的現(xiàn)象,此種物質(zhì)在光照射下釋放電子的現(xiàn)象又稱光電效應(yīng).光電子產(chǎn)額隨入射光子能量的變化關(guān)系稱為物質(zhì)的光電子能譜.光電子能譜與物質(zhì)狀態(tài)、能級(jí)或能帶結(jié)構(gòu)及光電子來自原子內(nèi)層或外層等密切相關(guān),即光電子能譜也是含有物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等信息的特征譜. 吸收光譜、發(fā)射光譜、拉曼散射譜和光電子能譜等均含有物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等的特征信息.,(三) 粒子(束)與材料的相互作用,在材料現(xiàn)代分析方法中,電子束是

7、一種最常用的入射激發(fā)源之一.入射電子(又稱初始或一次電子)照射固體時(shí)與固體中粒子相互作用,它包括 (1) 入射電子的散射; (2) 入射電子對(duì)固體的激發(fā); (3) 受激發(fā)粒子在固體中的傳播.電子散射源于庫(kù)侖相互作用,它不同于光子在固體中的散射. 一. 散射 帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,就是與原子核及核外電子的相互碰撞.碰撞導(dǎo)致入射粒子運(yùn)動(dòng)方向的改變,稱為散射. 入射電子照射固體時(shí)將與固體中的電子、原子核等作用而發(fā)生散射,與輻射的散射一樣,電子散射同樣有彈性和非彈性散射之分.,彈性散射 帶電粒子與核或電子碰撞,如果僅僅引起的核或電子的反沖,那么這種碰撞是彈性的,但對(duì)入射粒子而言,能量還是有所損失的

8、.大概只有電子才能在散射過程中不損失能量.這是因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量遠(yuǎn)小于核的質(zhì)量,故可認(rèn)為在彈性散射過程中核靜止不動(dòng),猶如力學(xué)中“小球碰到大球” 的問題，小球不損失能量，或者僅損失很小的能量。離子有較大的 質(zhì)量，這意味著入射離子有可能把它的相當(dāng)部分乃至全部的動(dòng)能傳遞給目標(biāo)粒子，并迫使目標(biāo)粒子離開其原來的位置。 非彈性散射 帶電粒子與核或電子碰撞過程中，如果產(chǎn)生輻射，或者引起電子的能級(jí)躍遷，那么，就是非彈性的。帶電粒子的能量或者轉(zhuǎn)變?yōu)樵拥募ぐl(fā)能，或者轉(zhuǎn)變成輻射能。因此，非彈性散射往往伴有其他物理現(xiàn)象（如熱、光、X射線、電子發(fā)射等）,(三) 散射體的物理效應(yīng) 下面以高真空環(huán)境中由keV量級(jí)的電子轟擊固

9、體耙為例介紹電子與物質(zhì)的相互作用及由此產(chǎn)生的一些物理信號(hào)。,入射電子,二次x射線,俄歇電子,初始x射線,二次電子,背散射電子,樣品表面,入射電子與固體樣品相互作用所產(chǎn)生的信息是多種多樣的,它可以歸納為如圖所示:,吸收電子,透射電子,（1）背散射電子 入射電子進(jìn)入耙面，被靶原子散射返回真空端的入射電子，叫做背散射電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。前者能量基本沒有損失，后者有不同程度的損失，故其能量分布很寬，可以低到只剩幾十電子伏，但總起來看，背散射電子具有較高的能量，因而背散射電子可以來自大約在距耙面幾百納米深度的范圍內(nèi)。 一般來說，耙的原子序數(shù)增大，入射電子被散射成為背散射電子的可能

10、性增大。 （2）吸收電子或透射電子 靶的厚度足夠薄，入射電子有可能 成為透射電子，否則只能成為吸收電子，停留在散射體中，并使散射體帶負(fù)電。,（3）二次電子和離子 散射體中入射電子通過的路徑上，會(huì)留下一連串被激發(fā)的原子或離子,同時(shí)產(chǎn)生二次電子,條件是入射電子能量大于靶原子的某個(gè)能級(jí)的激發(fā)能或電離能.入射電子可使價(jià)電子激發(fā),也可使內(nèi)層電子激發(fā),但二次電子中大量的是,入射電子,二次x射線,俄歇電子,初始x射線,二次電子,背散射電子,樣品表面,價(jià)電子,故二次電子的能量多數(shù)不超過50eV.散射體表面附近的二次電子很可能逸出表面成為自由電子.,(4) 俄歇電子 在散射體表面附近產(chǎn)生的俄歇電子有可能逸出表面

11、成為自由電子,如果俄歇電子在脫離散射體前沒有與其他原子、電子碰撞,那么它在逸出表面后將仍保持其特征能量,顯然,這只有在非常接近表面的地方產(chǎn)生的俄歇電子才能在逸出表面前不遭遇碰撞. (5) 等離子激發(fā) 晶體是由處于點(diǎn)陣固定位置的帶正電的原子和漫散在整個(gè)晶體空間的價(jià)電子云所組成的點(diǎn)中性體系,因此可把晶體看成等離子體.當(dāng)入射電子通過晶體空間時(shí),它所通過的路徑附近的電子受到入射的電子的排斥而向四周發(fā)射.這種徑向發(fā)散運(yùn)動(dòng)使入射電子的軌道周圍變成正電性,又會(huì)使發(fā)散出去的電子云受到吸引向相反方向做徑向向心運(yùn)動(dòng),當(dāng)超過其平衡位置后,又將產(chǎn)生負(fù)電性,迫使這些電子云再做一次發(fā)散運(yùn)動(dòng),如此往復(fù)不已,造成價(jià)電子云相對(duì)

12、于晶格位置上的正離子發(fā)生集體振蕩現(xiàn)象,稱為等離子激發(fā).等離子激發(fā)的能量大致為幾十電子伏.0.,電子與材料相互作用產(chǎn)生的信號(hào)及據(jù)之發(fā)展起來的分析方法,二. 結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ),(一) 晶體及其基本性質(zhì) 1.晶體與非晶體 在通常的溫度和壓力下,大多數(shù)材料為固態(tài),其特征在于原子間有足夠強(qiáng)的相互作用,從而使材料有確定的體積和形狀.固體可以是晶態(tài)的也可以是非晶態(tài)的.晶態(tài)物質(zhì)(或稱晶體)的一個(gè)基本的特點(diǎn)是它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明顯的空間排列上的周期性,這種周期性的結(jié)構(gòu),賦予它們?cè)S多的特殊性質(zhì).非晶態(tài)在一定的溫度條件下會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài). 原子的有序排列使晶體成為天然的衍射光柵,在衍射實(shí)驗(yàn)中可以觀察到清晰的衍射花樣.非晶體

13、和液體有模糊的衍射花樣,表明非晶體的原子排列和液體的原子排列類似,是短程有序的,短到幾個(gè)原子的尺度,并且還會(huì)隨時(shí)間變化.至于氣體,看不到衍射花樣,說明組成它的質(zhì)點(diǎn)處于完全無序狀態(tài).,晶體、非晶體、氣體的x射線衍射示意圖,a. 氣體,b. 液體或非晶固體,c.晶體,強(qiáng)度,2,2,2,2.晶體點(diǎn)陣 晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)以點(diǎn)陣排列的思想17世紀(jì)就開始出現(xiàn),并在人們尚未能揭示晶體內(nèi)部具體構(gòu)造之前,理論上就達(dá)到了相當(dāng)完備的程度.1912年以后,用X射線對(duì)近萬種的晶體進(jìn)行了研究,這些工作的成果都表明,晶體是具有點(diǎn)陣構(gòu)造的固體. (1)點(diǎn)陣 如果在晶體中任意取一點(diǎn),那么,可以找到無限多個(gè)和它一模一樣的點(diǎn),這些點(diǎn)的幾

14、何環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境都相同.我們把這些等同點(diǎn)的集合稱之為晶體點(diǎn)陣.這些等同點(diǎn)是抽象的幾何點(diǎn),稱為晶體點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn). (2)晶格 連接某個(gè)結(jié)點(diǎn)到三個(gè)不在同一個(gè)方向上的結(jié)點(diǎn)的矢量,用a、b 、c表示,以a、b 、c為棱可形成一個(gè)平行六面體,當(dāng)它沿a、b 、c方向在三維空間中無限地重復(fù)延伸時(shí),所形成的晶體格子,簡(jiǎn)稱晶格,3.晶體的基本性質(zhì) (1)自限性 (2)均一性 (3)異向性 (4)對(duì)稱性 (5)最小內(nèi)能 (6)穩(wěn)定性 (二) 布拉維法則 晶體在生長(zhǎng)過程中,晶面生長(zhǎng)速度(指單位時(shí)間內(nèi)垂直晶面方向所增長(zhǎng)的厚度)與其面網(wǎng)密度有很大關(guān)系,粗略的說二者成反比關(guān)系 -晶體通常被面網(wǎng)密度大的晶面所包圍,(三)

15、晶體的宏觀對(duì)稱,1. 對(duì)稱的概念 對(duì)稱是指物體相等部分有規(guī)律的重復(fù).對(duì)稱要符合兩個(gè)條件:一是物體有相等的部分;二是這些相等部分有規(guī)律的重復(fù),即通過操作(如旋轉(zhuǎn)、反映、反伸)使這些相等部分重復(fù). 2. 晶體對(duì)稱的特點(diǎn) 晶體的對(duì)稱和其他物體的對(duì)稱有本質(zhì)的區(qū)別.其他物體的對(duì)稱僅僅是外形上的對(duì)稱,晶體的對(duì)稱是由于晶體內(nèi)部的格子構(gòu)造所決定的,因此,晶體的對(duì)稱有以下特點(diǎn): (1) 由于晶體內(nèi)部都具有格子構(gòu)造,而格子構(gòu)造本身就是對(duì)稱的,因此可以說,所以的晶體都是對(duì)稱的. (2) 晶體的對(duì)稱是受格子構(gòu)造規(guī)律的控制,只有符合格子構(gòu)造規(guī)律的對(duì)稱才能在晶體上體現(xiàn),因此,晶體的對(duì)稱是有限的,它遵循”晶體對(duì)稱定律”,在晶體外形上共有32種對(duì)稱型 (3) 晶體的對(duì)稱取決于內(nèi)在的本質(zhì)-格子構(gòu)造,因此,晶體的對(duì)稱不僅體現(xiàn)在外形上,而且在物理化學(xué)性質(zhì)上也是對(duì)稱的.,3. 晶體的對(duì)稱操作和對(duì)稱要素 使物體的相等部分重復(fù)所進(jìn)行的操作(反映、旋轉(zhuǎn)、反伸)稱之為對(duì)稱操作. 在進(jìn)行對(duì)稱操作時(shí),所借助的幾何要素(點(diǎn)、線、面)稱為對(duì)稱要素 對(duì)稱面 對(duì)稱軸 對(duì)稱中心 旋轉(zhuǎn)反伸軸 4. 晶體的分類 晶體共有32個(gè)對(duì)稱型,把屬于同一對(duì)稱型的所有晶體歸為一類,稱為晶類, 一共有32個(gè)晶類,三個(gè)晶軸,七大晶系,(四) 晶體定向和結(jié)晶符號(hào),晶體定向 晶體定向就是在晶體上選擇一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng),即選擇坐標(biāo)軸(稱晶軸或結(jié)晶軸)