材料分析方法一X射线的性质PPT课件.ppt

材料的分析方法 材料内部的成份 结构直接决定着材料的性能和应用 如何判定材料的成份和结构是材料学领域的关键问题 绪论 问题1 假如你有一块黄橙橙的矿石 你能判断是否含有黄金吗 阿基米德方法 碳结构的变化 问题2 你能区分不同结构的相同成分物质 锅烟灰 C60 金刚石 炭纳米管 在本次课程学习的主要材料分析方法 1 X射线衍射仪 XRD X Raydiffraction 用于物相 或说结构 分析及其他 d fr k n 透射电镜 TEM TransmissionElectronMicroscope 物相分析 和微观形貌 ma kr sk p 3 扫描电镜 SEM ScanningElectronMicroscope 表面形貌 4 波长分散谱仪 波谱仪WDS WavelengthDispersiveSpectrometer能量分散谱仪 能谱仪EDS EnergyDispersiveSpectrometer spek tr m t r WDS EDS 利用特征射线进行成分分析 EDS可作为两电镜的附件 用于微区成份分析 光电子 荧光 二次特征X射线 扫描电镜SEM 样品1 特征X射线 二次电子 高能电子入射 透射电子 TEM 背散射电子 衍射XRD XPS EDS WDS 高能电子束与固体样品作用时产生的信号和6大材料分析手段 X射线荧光谱分析 样品2 X射线 样品2 样品2 X射线衍射仪 XRD 透射电镜 TEM 多晶体衍射花样 单晶体衍射花样 可进行物相分析 50nm 2nm TEM 2 可成像图a b 可形成衍射花样 进行物相分析 图c 苍蝇的复眼扫描电镜图像 扫描电微镜 SEM 第一部分材料X射线衍射分析 常用来分析物相 晶格参数 应力等 X rayDiffraction 第一章X射线的性质 本章要点 1 X射线的本质 为电磁波 具有波粒子二象性 2 X射线管的主要构造 3 X射线连续谱的特征和产生原因 及应用 4 X射线特征谱产生过程 条件 难点 命名 莫塞莱定律 应用 X射线与物质相互作用 散射 相干与非相干 真吸收 光电子 俄歇效应 荧光X射线 透射 6 X射线透过的强度公式 质量吸收系数 7 二次特征辐射 吸收限 或称激发限 及质量吸收系数曲线 8 吸收限在结构分析时的应用 1 了解 滤波 Z滤 Z靶 1 Z靶 40 Z滤 Z靶 2 Z靶 40 2 选靶材一般方法是 Z靶 Z样 1 W K Rontgen 伦琴于1901年获首届诺贝尔物理奖 第一张X光照片 伦琴 1895年 伦琴发现了一种穿透力很强的射线 射线 引言 1912年劳厄 M vonLaue 发现通过晶体时产生衍射现象 劳厄 证实了X射线的波动性 X射线的本质 波长很短的电磁波 X射线的本质 具有波粒二象性 实际上任何物质具波粒二象性 波动性 以一定频率 波长在空间传播 微粒性 以光子形式辐射和吸收时具有一定的 波长很短的电磁波0 01 100 用于晶体分析的 0 5 2 5 质量 能量和动量 其中 h为普朗克常数 c为X射线的速度 例 求200nm的一个光子所具有的能量 了解 附 电磁波谱 无线电波 微波 红外光 可见光 紫外光 X射线 射线 1 X射线管的作用 1 X射线的产生及X射线管 X射线管产生 射线的 条件 以高能电子打在靶材上产生X射线 1 产生自由电子 2 电子作定向高速运动 3 使电子止住或突然减速的障碍物 3 X射线管的结构 阴极 发射电子 由钨丝制成 通电后 钨丝发热释放自由电子 奔向阳极 阳极 亦称靶 是使电子突然减速并发射X射线 通常的靶材有 Cu Mo Co等良好的循环水冷却 防止靶熔化窗口 窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方 通常用金属铍 X射线谱定义 X射线的强度 波长的关系曲线X射线管发射出来的X射线分为两种类型 一 连续X射线谱二 特征X射线谱 35KV的管压下 钼靶的X射线 1 X射线谱 连续X射线 特征X射线 一 连续X射线谱 特点 波长连续变化 有一个波长极限 短波限 min 产生原因 高速运动的电子受阻而减速时产生的电磁辐射 也叫轫致辐射 电子加速后撞向阳极靶 大部分动能转化为热能 一部分以x ray释放 撞向阳极的电子目数很多 时间 条件不同 或多次碰撞逐步减少其能量 动能转换为x ray的能量有多有少 射出x ray的频率有大有小 形成不同波长的x ray 构成连续的谱线 短波极限波长 min a 对应着极少数电子只经过一次碰撞 并且将全部能量eU转化为一个光量子 b 短波限只与管电压有关 不受其它因素影响 连续谱 了解 推导 设管电压为V 电子电量e 电场力做功 则电子获得动能为eV 当这一能量完全转化为光子的能量时 得 连续X射线谱的强度 两种计算方法 1 光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光子数n和每个光子的能量 2 或者 I 曲线下的面积表示连续x ray的总强度 特点 具有特定的波长 谱线尖锐 当管电压超过某一特定值Vk时才产生特征X射线 叠加在连续x ray谱上的 二 特征X射线谱 原子系统内的电子按包利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级 能级是不连续的 K层靠近原子核 能量最低 管电压增加到一定数值 电子脱离出来 体系处于不稳定的激发态 电子从高能级向低能级的跃迁将以光子的形式辐射出标识x ray谱 产生原因 与阳极靶原子中内层电子跃迁过程有关 K壳层 L壳层 M壳层 内壳层电子被击出电离时 在内壳空位产生空位 外层电子向内壳空位填充时产生一个X射线光子 特征X射线谱 第一步 高能电子把靶原子的内壳层电子打出 使原子电离 在内壳层上出现空位 第二步 原子中外电子向内壳层空位跃迁 跃迁的能量差转化成一个X射线光子 特征X射线的产生过程 高能电子 电离出靶的内层电子 出现内层空位 外层电子跃入填充 发射X光子 即 K系辐射 K层电子被打出 任意层上的电子向K层空位跃迁 产生光子 K 邻层向K层空位跃迁 LK K 隔层向K层空位跃迁 MK K N层向K层空位跃迁 NK L系辐射 L层电子被打出 其他层向L层空位跃迁 产生光子 M系辐射 M层电子被打出 其他层跃入填充 产生光子 特征X射线谱的命名 k层电子被迁出的过程叫k系激发 随之的电子跃迁所引起的辐射为k系辐射 K 是由K 1和K 2两条谱线组成 与原子能级的精细结构 亚能级 有关 2020 1 27 29 产生某系激发要求阴极电子的能量eV大于等于某层电子的电离能 临界激发电压 激发特征x特征X射线谱时 入射电子的最低加速电压 对于同种原子 临界激发电压Vk VL VM VN对于不同种原子 原子序数大的临界激发电压大 特征X射线谱产生条件 En eV 氢原子能级图 13 6 1 51 3 39 0 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6 选读 氢原子能级图 稳态 特征X射线的频率由靶原子能级的差值决定 只取决阳极靶材料的原子序数 是元素的固有特性 莫塞莱定律描述了它与原子序数Z的关系 特征X射线的波长 式中 z 靶材料的原子序数K 常数 与靶材物质总量子数有关 看书P9 10 常数 与电子所在壳层位置有关 连续谱的只能增加衍射花样的背底 V 3 5 VK时 I标 I连最大 VK为临界激发电压 辐射源选择 在X射线的多晶体衍射中 主要利用K 线做辐射源 L系或M系由于波长太长 容易被物质吸收 所以不利用 X射线管最佳工作电压 V 3 5 VK 看书 P10 表1 1 一 连续X射线谱特点 产生原因 减速辐射 二 特征X射线谱特点 产生原因 能级跃迁 或激发辐射 产生过程 产生条件 入射高能物质能量大于等于靶材某内层电离能特征X射线命名 特征X射线的波长 X射线谱的小结 三 在X射线的多晶体衍射中 主要利用K 线做辐射源 X射线管最佳工作电压 V 3 5 VK 选择判断 正确的是 B 特征X射线产生条件是 入射高能物质能量大于等于靶材某内层电离能 A 特征X射线产生条件是 入射高能物质能量大于等于特征X射线本身能量 D 特征X射线与原子的内层电子跃迁过程有关 C 使靶材产生特征X射线的入射高能物质可是高能电子 也可以是高能X射线 或者其他 一束X射线通过物质时 它的能量可以分为三部分 1 5X射线与物质相互作用 散射相干非相干真吸收1 产生 普通 光电子 X射线的强度衰减的原因 吸收 真吸收 散射 产生Auger电子 即俄歇效应 3 热 透过的强度 X射线作用于物质 2 产生X射线荧光 或叫二次特征X射线 X射线与物质的相互作用 是一个比较复杂的物理过程一束X射线通过物体后 其强度被衰减 是其散射和真吸收的结果 真吸收是造成强度衰减的主要原因 一 X射线的散射 可分为相干散射和不相干散射 相干散射 X射线波长不变 在入射束电场的作用下 物质原子中的电子被迫围绕其平衡位置振动 向四周辐射与入射x ray波长相同的散射x ray 同一方向上各散射波符合相干条件 相互干涉后 能量集中在某些方向 得到一定的花样 相干散射是x ray在晶体中产生衍射现象的基础 2 不相干散射 X射线波长变化 二 物质对X射线的真吸收 1 发出 普通 光电子 发出俄歇电子 俄歇效应 2 X射线荧光 或二次特征X射线辐射 即以X射线照射 3 热 真吸收 物体产生X射线 真吸收时产生电离效应 荧光效应 热效应等 相关概念光电子 当入射x光的能量足够大时 可以电离出被照物质原子中的电子 电离出的电子称为光电子 X射线荧光 二次特征X射线 当入射x光将原子内层电子电离 其他层电子向内层空位层跃迁辐射出的次级特征X射线称为X射线荧光 二次特征X射线 X射线荧光 二次特征X射线 产生条件 例如 如果要产生K系X射线荧光 入射X射线的能量大于等于被照射原子K层的电离能 相关概念 俄歇 Auger 效应 当激发源的能量足够大时 可以击出被照物质原子中的电子 击出的电子称为光电子 同时 较外层电子向空位层跃迁时产生的能量并没有以X射线的形式辐射出 而是打出某层的一个电子 该电子较电子叫俄歇电子 该效应俄歇 Auger 效应 俄歇 Auger 效应示意图 引申 自学 2 俄歇 Auger 效应 激发源打出电子较外层电子向空位跃迁的能量不产生X射线而是打出某层电子 俄歇电子 1 二次特征X射线 激发源 X射线 击出电子较外层电子向空位跃迁的能量产生X射线 俄歇 Auger 效应示意图 二次特征X射线与俄歇电子两者比较 引申 自学 每种物质的俄歇电子的能量大小只取决于该原子的三个能级 参与过程的三个能级能量 是元素的固有特征 每种元素都有自己的俄歇电子能谱 固有特征 俄歇电子能谱可进行元素的成分分析及试样表面状态分析等 这种特征电子的能量较低 只有几百电子伏特 在固体表面以内深处即使有这种电子也跑不出来 仪器测量不到 所以利用俄歇效应设计的俄歇谱仪便成了对固体表面2 3层原子成分分析最适宜的仪器 俄歇电子通常用参与过程的三能级来命名 即 初态空位所在能级 向空位作无辐射跃迁电子原在能级 出射电子原在能级 空位所在能级 跃迁电子原在能级 出射电子原在能级 例 K层电子被击出 L2层电子跳入K层空位 多余能量将L3层电子击出 俄歇电子表示为 KL2L3 俄歇电子特点 俄歇电子命名 引申 自学 引申 自学 部分见本书最后部分 X射线光电子能谱 XPS 被X射线击出壳层的电子 它带有壳层的特征能量 可用来进行成分和化合价分析 俄歇电子能谱 AES 俄歇电子带有三壳层的特征能量 仅由三壳层的能量决定 可用来进行成分和化合价分析X射线荧光 带有壳层的特征能量 可用来进行成分分析 散射 无能量损失或损失相对较小只有相干散射才能产生衍射相干散射是进行材料晶体物相 结构 分析的工具真吸收 能量大幅度转换真吸收 产生光电子 X射线荧光 俄歇电子 热等 光电子 X射线荧光和俄歇电子这些信号带有元素的能级特征是进行材料成分分析的工具 小结 三 X射线的透过强度 1 X射线的透过强度 X射线通过物质时的衰减 是真吸收和散射造成的 主要是真吸收 强度的衰减率与X射线在均匀物质内通过的距离dx成正比 2 线吸收系数物理意义 X射线沿传播方向穿过单位长度物质时强度的衰减程度 3 质量吸收系数 可用生物透视或工业产品探伤 X射线沿传播方向穿过单位质量单位长度物质时强度的衰减程度 吸收体密度 加权平均 与吸收体的疏密程度 密度 和物质状态无关 与X射线的 及吸收体Z有关 m随 的变化曲线上存在尖锐突变 某些极大值对应的波长为称为吸收限 如K吸收线 4 质量吸收系数大小 与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例 因此 a b c d 四 吸收限及其应用 定义 在吸收体质量吸收系数随x射线波长变化的图谱上 出现一些吸收极大值 此时对应着入射x射线刚好把吸收体元素的某内层电子电离 K吸收限波长 对应着对应着入射x射线刚好能把吸收体元素的K层电子电离 注意 1 不管入射x射线的波长是等于 大于还是小于 吸收体对X射线都有吸收 吸收后可能转化为热能或X射线荧光等 在吸收限波长时 物质对X射线的吸收达到极值 2 但若是要使得吸收体产生X射线荧光 二次特征射线 入射高能粒子的能量必须大于等于被照射体的某内层电子的电离能 例如 入射X射线的波长必须等于和小于才能产生K系荧光 吸收限 曲线产生突变 突变处极大值称为吸收限 相应的波长为吸收限波长 单质的 曲线 质量吸收系数与 入射X射线波长的关系图 2 吸收限的应用之一 滤波片 利用特征x ray进行物相分析时 只用单色K 谱线 将K 等滤掉 需使用滤波片 滤波片是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点 滤波片材料根据靶元素而定 满足下列关系 K 靶 K 滤片 K 靶 看书P10 表1 1 很据靶材滤波片的选择方法 Z滤 Z靶 1 Z靶 40 Z滤 Z靶 2 Z靶 40 即靶元素的周期表前两位 每种靶的滤波片是唯一的 金属靶 X光管 滤波片 分析样品物相 K K K K XRD 2 吸收限的应用