绪论材料分析方法哈工大

1、1 (wt%)3J33马氏体时效钢化学成分 合金元素NiCoMoTiAlCrFe 含量17.829.264.850.720.220.57余量 二、显微组织结构的内容二、显微组织结构的内容 1. 显微化学成分显微化学成分 Elemen t Wt%At% AlK00.9801.83 SiK36.4065.28 MoL62.6232.88 能谱仪能谱仪-定点分析定点分析 化学分析法化学分析法 绪 论 2 二、显微组织结构的内容二、显微组织结构的内容 2. 晶体结构与晶体缺陷晶体结构与晶体缺陷 100nm 1m 碳纤维周围反应层碳纤维周围反应层-SiC微晶微晶 绪 论 3 二、显微组织结构的内容二、显

2、微组织结构的内容 3. 晶粒大小与形态晶粒大小与形态 4. 相的成分、结构、形态、含量及分布相的成分、结构、形态、含量及分布 镍基合金中第二相（镍基合金中第二相（GdNi5）粒子在基体中的分布）粒子在基体中的分布 电子背散射衍射电子背散射衍射 -相分布及晶粒图相分布及晶粒图 绪 论 4 二、显微组织结构的内容二、显微组织结构的内容 5. 界面界面 6. 位向关系位向关系 7. 夹杂物夹杂物 8. 内应力内应力 透射电镜透射电镜-位向分位向分 析析 绪 论 5 三、传统分析方法的局限性三、传统分析方法的局限性 1. 光学显微镜光学显微镜 （OM）- 表面形态观察表面形态观察 分辨本领低（约分辨本

3、领低（约200nm）、放大倍率低（约）、放大倍率低（约1000倍）倍） 不能做材料内部的组织结构和微区成分分析不能做材料内部的组织结构和微区成分分析 绪 论 6 2. 化学分析化学分析 给出给出平均成分平均成分，可以达到很高的精度；，可以达到很高的精度； 实际上，材料中的实际上，材料中的成分成分分布分布存在存在不均匀性不均匀性， 导致导致微观组织结构微观组织结构的不均匀性，的不均匀性， 进而造成材料进而造成材料微观区域性能微观区域性能的不均匀性，的不均匀性， 对材料的宏观性能产生影响。对材料的宏观性能产生影响。 不能给出所含元素的分布不能给出所含元素的分布 绪 论 7 四、四、X射线衍射与电子

4、显微镜射线衍射与电子显微镜 1. X射线衍射（射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用是利用X射线在晶体中的射线在晶体中的衍射现象衍射现象来分析材料的来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。不同结构相的含量以及内应力的方法。 202530354045505560 Two Theta (degree) Intensity 图2 锆英石为主晶相的X射线谱 t-ZrO2 ZrSiO4 绪 论 8 四、四、X射线衍射与电子显微镜射线衍射与电子显微镜 1. X射线衍射（

5、射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） 局限性：局限性： 1）不能把形貌观察与晶体结构分析同位地结合（统计信息）不能把形貌观察与晶体结构分析同位地结合（统计信息） 2）X射线聚焦困难，分析的最小区域为毫米数量级射线聚焦困难，分析的最小区域为毫米数量级 2. 电子显微镜（电子显微镜（EM, Electron Microscope） 利用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨利用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的具有高分辨 率和高放大倍时的电子光学显微镜率和高放大倍时的电子光学显微镜 1）透射电子显微镜）透射电子显微镜（TEM, Transmission Electro

6、n Microscope） 2）扫描电子显微镜）扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope） 3）电子探针显微分析）电子探针显微分析（EPMA, Electron probe Micro-Analysis） 绪 论 9 采用采用透过透过薄膜样品薄膜样品的电子束成像，的电子束成像， 显示样品内部的组织形态和结构，显示样品内部的组织形态和结构， 微区组织和晶体结构同时鉴定。微区组织和晶体结构同时鉴定。 分辨率：分辨率：10-1nm，放大倍数：，放大倍数：106 非晶非晶 绪 论 单晶单晶多晶多晶 透射电镜透射电镜-TEM 10 100nm 0123456789

7、 0 100 200 300 400 500 600 相分析相分析 透射电镜透射电镜-TEM 绪 论 11 电子束在电子束在样品表面扫描样品表面扫描激发出来激发出来代表样品表面特征代表样品表面特征的信号成像的信号成像 SEM常用来观察样品表面形貌（常用来观察样品表面形貌（断口形貌断口形貌等）等） 分辨率：分辨率：1nm， 放大倍数：放大倍数：2105 绪 论 扫描电镜扫描电镜-SEM 12 绪 论 扫描电镜扫描电镜-SEM 13 聚焦得很细聚焦得很细的电子束打在样品的微观区域，的电子束打在样品的微观区域， 激发出样品该区域的激发出样品该区域的特征特征X射线射线， 分析其分析其X射线的波长射线的

8、波长和和强度强度 确定样品微观区域的确定样品微观区域的化学成分化学成分(定性和定量分析定性和定量分析)。 观察微观形貌同时对该微观区域进行化学成分同位分析观察微观形貌同时对该微观区域进行化学成分同位分析 绪 论 电子探针电子探针-EPMA 14 绪 论 n 本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础 n 本课程的内容主要包括：本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用构和微区成分的分析方

9、法原理及其应用 n 本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制织结构的关系，以实现微观组织结构控制 n 本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选

10、用合适 的分析方法解决实际工作中的问题的分析方法解决实际工作中的问题 15 第一篇 材料X射线衍射分析 第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定 16 第一篇 材料X射线衍射分析 n 1895年德国物理学家伦琴年德国物理学家伦琴发现了发现了 X射线射线，随后医学界将其，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤 n 1912年德国物理学家劳埃发现了年德国物理学家劳埃发现了X射线

11、在晶体中的衍射现射线在晶体中的衍射现 象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成象，为物质结构研究提供了一种崭新的方法，后来发展成 为为X射线衍射学射线衍射学 n 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面年英国物理学家布拉格提出了晶面“反射反射”X射线的射线的 概念，推导出至今被广泛应用的概念，推导出至今被广泛应用的布拉格方程布拉格方程 n 1914年莫塞来发现特征年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有定量的对射线波长和原子序数有定量的对 应关系（应关系（莫塞来定律莫塞来定律），这一原理应用于材料成分检测），这一原理应用于材料成分检测 n X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细

12、结射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、精细结 构研究和晶体取向测定等构研究和晶体取向测定等 17 伦琴发现伦琴发现X射线，研究其产生、传播和穿透力射线，研究其产生、传播和穿透力 等性能，等性能， 1901年首位诺贝尔物理奖获得者年首位诺贝尔物理奖获得者 早期应用早期应用（发现后半年）（发现后半年） X射线透视技术射线透视技术 骨折诊断和定位骨折诊断和定位 伦琴拍摄的伦琴拍摄的世界上世界上 第一张第一张 X射线照片射线照片 （伦琴夫人的手机戒指）（伦琴夫人的手机戒指） 零件探伤零件探伤 第一篇 材料X射线衍射分析 18 X射线本质是电磁波射线本质是电磁波? 粒子流？粒子流？争议争议? 探讨

13、探讨X射线本质的研究基础射线本质的研究基础 1911 年，劳埃年，劳埃光波通过光栅的衍射理论研究光波通过光栅的衍射理论研究 1908 年，佩兰解决了准确测定阿伏加德罗常数。年，佩兰解决了准确测定阿伏加德罗常数。 计算晶体中一个原子或分子所占空间体积及计算晶体中一个原子或分子所占空间体积及粒子间的距离粒子间的距离。 两种假说两种假说 X射线是电磁波，应具有衍射现象射线是电磁波，应具有衍射现象? 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？晶体具有空间点阵结构（规则排列）？ 1911 年，爱瓦尔德年，爱瓦尔德可见光通过晶体的衍射行为可见光通过晶体的衍射行为 第一篇 材料X射线衍射分析 19 推测出推测出x射

14、线的波长和晶体中的原子间距射线的波长和晶体中的原子间距数量级相同数量级相同 劳埃提出晶体可以作为劳埃提出晶体可以作为X射线的天然立体衍射光栅射线的天然立体衍射光栅 1912年劳埃设想被初步证实年劳埃设想被初步证实 CuSO45H2O晶体为光栅，晶体为光栅， 获得了第一张获得了第一张X射线衍射图射线衍射图 弗里德里克和克尼平实验弗里德里克和克尼平实验 X 射线是波长射线是波长 很短的电磁波很短的电磁波 晶体内部结构晶体内部结构 的周期性的周期性 第一篇 材料X射线衍射分析 20 第一篇 材料X射线衍射分析 第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分

15、析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定 21 第一章 X射线物理学基础 本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 X射线的性质射线的性质 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 22 第一节 X射线的性质 l X射线是一种波长很短的电磁波射线是一种波长很短的电磁波 l X射线的波长范围为射线的波长范围为0.0110nm， 用于衍射分析的用于衍射分析的X射线波长为射线波长为 0.050.25nm l X射线一种横波射线一种横波，由交替变化的，由交替变化的 电场和磁场组

16、成电场和磁场组成 l X射线具有波粒二相性射线具有波粒二相性，因其波，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即长较短，其粒子性较为突出，即 可以把可以把X射线看成是一束具有一射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2) 式中，式中，h是普朗克常数；是普朗克常数；c是光速；是光速； 是是X射线的频率，射线的频率， 是是X射线的波长射线的波长 图图1-1 电磁波谱电磁波谱 23 第一节第一节 X射线的性质射线的性质 l X射线穿过不同介质时，折射系数接近射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射，几乎不产生折射 现象现象 l X射线肉眼不可见，

17、但具有能使荧光物质发光、能使照相射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象底板感光、能使一些气体产生电离的现象 l X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在别是波长在0.1nm以下的硬以下的硬X射线射线 l X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似象，与光线的绕射现象类似 l X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用 24 l 图图1-2所示的所示的X射线管是产生射线管

18、是产生 X射线的装置射线的装置 l 主要由阴极主要由阴极 (W灯丝灯丝) 和用和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制等纯金属制 成的阳极成的阳极(靶靶)组成组成 l 阴极通电加热，在阴、阳阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压极之间加以直流高压 (约数约数 万伏万伏) l 阴极发射的大量电子高速飞阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生向阳极，与阳极碰撞产生X 射线射线 图图1-2 X射线管结构示意图射线管结构示意图 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 25 一、连续一、连续X射线谱射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续强度随波长连续变化的谱线称连续X射

19、线谱射线谱，见图，见图1-3 图图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响 a) 管电压的影响管电压的影响 b) 管电流的影响管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响阳极靶原子序数的影响 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 26 一、连续一、连续X射线谱射线谱 由图由图1-3可见，可见，连续连续 X 射线谱的特点是，射线谱的特点是，X 射线的波长存射线的波长存 在最小值在最小值 SWL，其强度在，其强度在 m处有最大值处有最大值 l 当当管电压管电压U 升高升高时，各波长时，各波长X射线的强度均提高，射线的强度均提高，短

20、波限短波限 SWL和强度最大值对应的波长和强度最大值对应的波长 m减小减小 l 当当管电流管电流 i 增大增大时，各波长时，各波长X射线的强度均提高，但射线的强度均提高，但 SWL 和和 m保持不变保持不变 l 随随阳极靶材的原子序数阳极靶材的原子序数Z 增大增大，连续，连续X射线谱的强度提高，射线谱的强度提高， 但但 SWL和和 m保持不变保持不变 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 27 一、连续一、连续X射线谱射线谱 连续谱强度分布曲线下的面积即为连续连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总射线谱的总 强度，其取决于强度，其取决于X射线管射线管U、i、Z 三

21、个因素三个因素 I连 连 = K1iZU2 (1-4) 式中，式中，K1 是常数。是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率射线管仅产生连续谱时的效率 = I连 连 / iU = K1ZU 可见，可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射射 线管的效率越高。因线管的效率越高。因 K1 约约(1.11.4) 10-9，即使采用钨阳极，即使采用钨阳极 (Z = 74)、管电压、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时，效率很低。电子击靶时 大部分能量消耗使靶发热大部分能量消耗使靶发热 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱

22、28 一、连续一、连续X射线谱射线谱 为什么连续为什么连续X射线谱存在短波限射线谱存在短波限 SWL？ 用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为则电子到达阳极靶的动能为eU，当，当电子在一次碰撞中将全部电子在一次碰撞中将全部 能量转化为一个光量子，可获得最大能量能量转化为一个光量子，可获得最大能量h max ，其波长即，其波长即 为为 SWL， eU = h max = hc / SWL SWL= K /U (1-5) 式中，式中，K =hc/e=1.24nm kV。 而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰撞消耗其能量，每

23、次碰而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰撞消耗其能量，每次碰 撞撞 产生一个光量子，因每次能量消耗不同而产生大于产生一个光量子，因每次能量消耗不同而产生大于 SWL的不的不 同同 波长的辐射（波长的辐射（X射线），构成连续谱射线），构成连续谱 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 29 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 当当 X射线管压高于靶材相应的某一特征值射线管压高于靶材相应的某一特征值UK 时，在某些时，在某些 特定波长位置上，特定波长位置上， 将出现一系列将出现一系列强度很高、波长范围很窄的强度很高、波长范

24、围很窄的 线状光谱线状光谱，称为特征谱或标识谱称为特征谱或标识谱， 见图见图1-4；其波长与阳极靶材的原；其波长与阳极靶材的原 子序数有确定关系，见式子序数有确定关系，见式(1-6) ， 故可作为靶材的标志和特征，故可作为靶材的标志和特征， (1-6) 式中，式中，K2和和 是常数。是常数。 图图1-4 特征特征X射线谱射线谱 )( 2 1 ZK 莫赛来定律莫赛来定律 30 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 经典原子模型，原子内电子分布在一系列经典原子模型，原子内电子分布在一系列量子化量子化壳层上，壳层上， 最内层（最内层（K层

25、）能量最低，外向顺序增大。令自由电子的能层）能量最低，外向顺序增大。令自由电子的能 量为零，则各层电子能量的表达式为量为零，则各层电子能量的表达式为 En为主量子数为为主量子数为n的壳层上的壳层上 电子的能量；电子的能量；n为主量子数；为主量子数； 如如 K 层层 n =1，L 层层n =2， M层层 n =3等，等， 图图1-5 特征特征X射线产生示意图射线产生示意图 24 2 22 2 () n me EZ h n 31 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 特征特征X射线的产生可以用图射线的产生可以用图1-5示意说明，冲向阳极的电示意说明，冲向阳极的电 子若具有足够能量，将内层电子

26、击出而成为自由电子，此时子若具有足够能量，将内层电子击出而成为自由电子，此时 原子处于高能的不稳定状原子处于高能的不稳定状 态，必然自发地向稳态过态，必然自发地向稳态过 渡。若渡。若 L层电子跃迁到层电子跃迁到 K 层填补空位，原子由层填补空位，原子由K 激激 发态转为发态转为 L 激发态，能量激发态，能量 差以差以X 射线的形式释放，射线的形式释放， 图图1-5 特征特征X射线产生示意图射线产生示意图 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 32 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 X射线的频率可由下式计算射线的频率可由下式计算 (1-8) 式中，式中， Wn2、Wn

27、1分别为电子跃迁前后原子激发态能量，分别为电子跃迁前后原子激发态能量， En2和和En1是所在壳层上的电子能量。是所在壳层上的电子能量。 所释放的所释放的X 射线的频率是固定的（特征的），这就是特征射线的频率是固定的（特征的），这就是特征 X射线。射线。 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 2121 24 2 222 21 ()() 211 () () nnnn hwwEE me Z hnn 33 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 原子由原子由K 激发态转为激发态转为 L 激发态，激发态， 能量差以特征能量差以特征X 射线的射线的 形式释形式释 放，称为放，称为

28、K 射线射线。 若若M层电子向层电子向K层空位补充，则层空位补充，则 辐射波长更短的辐射波长更短的 K 射线射线。 由于由于L层内还有能量差别很小的层内还有能量差别很小的 亚能级，不同亚能级的电子跃迁亚能级，不同亚能级的电子跃迁 将辐射将辐射K 1和和K 2射线。射线。 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 K K ， ，IK 5IK K 1 K 2，IK 1 2IK 1。 34 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 K K ， ，IK 5IK 在在K激发态下，激发态下，L层电子向层电子向K 层跃迁的几率远大于层跃迁的几率远大于M层跃层跃 迁的几率，所以迁的

29、几率，所以 K 谱线的强谱线的强 度是度是 K 的的5倍；倍； 35 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 24 2 222 21 211 () () hcme hZ hnn 24 2 322 21 211 () me k h cnn 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 令令 2 1 ()k Z 则则 莫塞莱定律莫塞莱定律 表明表明阳极靶材的原子序数越大，同一线系的特征谱波长越短阳极靶材的原子序数越大，同一线系的特征谱波长越短 几种元素的特征波长和几种元素的特征波长和K系谱线的激发电压见表系谱线的激发电压见表1-1 36 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 靶

30、靶 材材 Z K系列特征谱波长系列特征谱波长/0.1nm K 吸收限吸收限 K/0.1nm UK /kV U适宜 适宜 /kV K 1K 2K K Cr242.289702.293612.291002.084872.070205.432025 Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530 Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330 Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035 Cu291.540561.544391.541841.392221.28

31、0598.043540 Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055 表表1-1 几种阳极靶材及其特征谱参数几种阳极靶材及其特征谱参数 注：注： K = ( 2 K 1+ K 2 ) / 3 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 37 二、特征二、特征(标识标识)X射线谱射线谱 由表由表1-1中的数据可见，欲获得波长更短的特征中的数据可见，欲获得波长更短的特征X射线，射线， 需要选用原子序数更大的物质作为阳极。表中需要选用原子序数更大的物质作为阳极。表中UK 是是 K系特系特 征谱的临界激发电压，征谱的临界激发电压，阳极靶材

32、原子序数越大，所需临界激阳极靶材原子序数越大，所需临界激 发电压越高发电压越高。特征谱的强度随管电压。特征谱的强度随管电压U和管电流和管电流i增大而提高增大而提高 I特 特 = K3 i ( U Un )m (1-10) 式中，式中，K3为常数；为常数；Un为特征谱的临界激发电压，对于为特征谱的临界激发电压，对于K系，系， Un = UK ；m为常数为常数(K系系m = 1.5， L系系m = 2) 为了提高特征谱的强度，应采用较高的管电压，当为了提高特征谱的强度，应采用较高的管电压，当U/Uk =4时，时，I特 特/I连连最大，所以 最大，所以X射线管适宜的电压为，射线管适宜的电压为， U

33、= (35)UK 第二节第二节 X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 38 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 如图如图1-6，强度为，强度为I0的的X射线照射厚度为射线照射厚度为t 的均匀物质上，的均匀物质上， 穿过深度为穿过深度为x处的处的dx厚度时的强度衰减量厚度时的强度衰减量dIx/Ix与与dx成正比，成正比， (1-11) 式中，式中， l 是常数，称线吸收系数是常数，称线吸收系数 (1-12) I / I0称为透射系数，称为透射系数， l是是X射线通过射线通过 单位厚度单位厚度(即单位体积即单位体积)物质的强度

34、衰物质的强度衰 减量减量，图，图1-7表示强度随透入深度的表示强度随透入深度的 指数衰减关系指数衰减关系 x I I l x x d d 图图1-6 X射线通过物质射线通过物质 后的衰减后的衰减 t l II e 0 39 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的物质单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的物质 l 并不是常量，并不是常量，为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸收系为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸收系 数数 m= l / ( 是吸收物质的密度是吸收物质的密度)，

35、代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14) m为单位面积厚度为为单位面积厚度为 t 的体积中物质的体积中物质 的质量。因此的质量。因此 ， m 的物理意义是的物理意义是X射射 线通过单位面积单位质量物质的强度线通过单位面积单位质量物质的强度 衰减量。衰减量。 它避开了密度的影响，可以作为反映它避开了密度的影响，可以作为反映 物质本身对物质本身对X射线吸收性质的物理量射线吸收性质的物理量 图图1-7 X射线强度随透入射线强度随透入 深度的变化深度的变化 mt mm eIeII 00 40 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数

36、l 复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合物和混合对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合物和混合 物等，其质量吸收系数仅取决于各组元的质量吸收系数物等，其质量吸收系数仅取决于各组元的质量吸收系数 mi及及 各组元的质量分数各组元的质量分数wi ，即，即 (1-15) n i imim w 1 41 一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 l 质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 的关系的关系 质量吸收系数取决于质量吸收系数取决于X 射线的波长射线的波长 和吸收物质的原子和吸收物质的原子 序数序数Z，其关系的经验式

37、如下，其关系的经验式如下 m K4 3 Z3 (1-16) 式中，式中，K4为常数。上式表明，为常数。上式表明，物质的原子序数越大，对物质的原子序数越大，对X射射 线的吸收能力越强线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，对于一定的吸收体，X射线波越短，穿射线波越短，穿 透能力越强，吸收系数下降透能力越强，吸收系数下降。但随波长减小，但随波长减小， m 并非单调下并非单调下 降降，见图，见图1-8 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 42 一、衰减规律和吸收系数一、衰减规律和吸收系数 l 质量吸收系数与波长质量吸收系数与波长 和原子序数和原子序数 Z 的关系的关系 如图如图1-

38、8所示，所示， 吸收系数在某些波长位置突然升高，吸收系数在某些波长位置突然升高， 所所 对应的波长称为吸收限对应的波长称为吸收限 每种物质都有其特定的一每种物质都有其特定的一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素的特征量收元素的特征量，将这种，将这种 带有特征吸收限的吸收系带有特征吸收限的吸收系 数曲线称该物质的吸收谱数曲线称该物质的吸收谱 为什么会存在吸收限？为什么会存在吸收限？ 图图1-8 质量吸收系数与波长的关系曲线质量吸收系数与波长的关系曲线 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 43 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 二、二

39、、X射线的真吸收射线的真吸收 l 光电效应光电效应 当当 入射入射X射线光量子能量等射线光量子能量等 于或略大于吸收体原子某壳层电于或略大于吸收体原子某壳层电 子的结合能时，电子易获得能量子的结合能时，电子易获得能量 从内层逸出，成为自由电子，称从内层逸出，成为自由电子，称 为光电子，这种光子击出电子的为光电子，这种光子击出电子的 现象称为光电效应。现象称为光电效应。将消耗大量将消耗大量 入射能量，导致吸收系数突增，入射能量，导致吸收系数突增， 对应的入射波长称为吸收限。对应的入射波长称为吸收限。 光电效应引起的入射能量消耗为光电效应引起的入射能量消耗为 真吸收，真吸收还包括热效应真吸收，真吸

40、收还包括热效应 光电效应、荧光效应和俄歇效光电效应、荧光效应和俄歇效 应过程示意图应过程示意图 44 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 吸收体原子某壳层吸收体原子某壳层(如如K层层)电子的结合能电子的结合能Wk，也就是可也就是可 引起原子该层激发态的入射光量子能量必须达到的数值。引起原子该层激发态的入射光量子能量必须达到的数值。 WK = h K = hc / K (1-17) 式中，式中， K、 K 是是K系吸收限的频率和波长。系吸收限的频率和波长。 同理，同理， L、 M 等为被照射物质的等为被照射物质的L、M系吸收限，系吸收限，

41、 L壳层包括三个能量差很小的亚能级（壳层包括三个能量差很小的亚能级（L 、 、L 、 、L ），它 ），它 们对应三个们对应三个L吸收限吸收限吸收限吸收限 L 、 L 、 L（图 （图1-81-8） 45 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 由于有由于有 h K = WK WL = h K - h L h K = WK WM = h K - h M 对于同一元素，有对于同一元素，有 K K K ，此为同一元素的此为同一元素的X射线发射线发 射谱与其吸收谱的关系射谱与其吸收谱的关系 l 荧光效应荧光效应 因光电效应处于相应的激发态的原子，

42、将随之发生如前因光电效应处于相应的激发态的原子，将随之发生如前 所述的外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出特征所述的外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出特征 X射射 线，称线，称 X射线激发产生的特征辐射为二次特征辐射，称射线激发产生的特征辐射为二次特征辐射，称这种这种 光致发光的现象为荧光效应光致发光的现象为荧光效应 46 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 l 俄歇效应俄歇效应 原子原子K层电子被击出后，层电子被击出后， L 层一个电子跃入层一个电子跃入 K层填补空位，层填补空位， 而另一个而另一个L层电子获得能量逸出层电子获得能量

43、逸出 原子成为俄歇电子，称原子成为俄歇电子，称这种一个这种一个 K层空位被两个层空位被两个 L 层空位代替的层空位代替的 过程为俄歇效应过程为俄歇效应 荧光荧光X射线和俄歇电子均为物质射线和俄歇电子均为物质 的化学成分信号。的化学成分信号。荧光荧光X射线用射线用 于重元素的成分分析，俄歇电子于重元素的成分分析，俄歇电子 用于表面轻元素分析用于表面轻元素分析 光电效应、荧光效应和俄歇效光电效应、荧光效应和俄歇效 应过程示意图应过程示意图 47 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 l 吸收限的应用吸收限的应用 如图如图1-9所示，可利用吸收所示，可利用吸收 限两侧吸收系数差别很大限两侧吸收系数差别

44、很大 的现象选用滤波片，用以的现象选用滤波片，用以 吸收不需要的辐射，而得吸收不需要的辐射，而得 到基本单色的到基本单色的X射线射线 图图1-9 滤波片原理示意图滤波片原理示意图 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 48 49 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 l 吸收限的应用吸收限的应用 参照图参照图1-9，可选择一种合适的材料，使其吸收限恰好位，可选择一种合适的材料，使其吸收限恰好位 于特征谱的于特征谱的K 和和K 波长之间，且尽可能靠近波长之间，且尽可能靠近K 线波长。把这线波长。把这 种材料制成薄片种材料制成薄片滤波片，置于入射线光路中，将强烈吸收滤波片，置于入

45、射线光路中，将强烈吸收 K 线，而对线，而对 K 线吸收很少，可以获得基本上为单色的辐射线吸收很少，可以获得基本上为单色的辐射 常用靶材的滤波片选择见表常用靶材的滤波片选择见表1-2，滤波片比靶材的原子序，滤波片比靶材的原子序 数小数小12，通过调整滤波片厚度，使滤波后，通过调整滤波片厚度，使滤波后I K /I K 1/600 当当 Z靶 靶 40 时， 时，Z滤 滤 = Z靶靶 - 1 当当 Z靶 靶 40 时， 时，Z滤 滤 = Z靶靶 - 2 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 50 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 l 吸收限的应用吸收限的应用 阳阳 极极 靶靶

46、滤波片滤波片(使使 IK = 1/600) I / I0 (K ) 元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K /nm厚度厚度/mm t / g cm-2 银银 470.05610.0497铑铑 450.05340.0790.0960.29 钼钼 420.07110.0632锆锆 400.06880.1080.0690.31 铜铜 290.15420.1392镍镍 280.14880.0210.0190.40 钴钴 270.17900.1621铁铁 260.17430.0180.0140.44 铁铁 260.19370.1757锰锰 250.18950.0160.0120.46 铬铬 2

47、40.22910.2085钒钒 230.22680.0160.0090.50 表表1-2 与几种常用的阳极靶及及配用的滤波片参数与几种常用的阳极靶及及配用的滤波片参数 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 51 二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 l 吸收限的应用吸收限的应用 在衍射分析时，希望试样对在衍射分析时，希望试样对 X射线的吸收尽可能少，以射线的吸收尽可能少，以 获得高的衍射强度和低的背底。因此应按图获得高的衍射强度和低的背底。因此应按图1-10所示选用靶所示选用靶 材，入射线波长材，入射线波长 T 略大于或略大于或 远小于试样的远小于试样的 K ，即根据样，即根

48、据样 品选择靶材的原则是，品选择靶材的原则是， Z靶 靶 Z样样 + 1 或或 Z靶 靶 Z样 样 图图1-10 X射线管靶材的选择射线管靶材的选择 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 52 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 三、三、X射线的散射射线的散射 l X射线穿过物质后强度产生衰减射线穿过物质后强度产生衰减 l 强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应 l 强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散射强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散射 l X射线的射线的散射散射包括包

49、括 与原波长相同的相干散射与原波长相同的相干散射 与原波长不同的不相干散射与原波长不同的不相干散射 53 三、三、X射线的散射射线的散射 1.相干散射相干散射 l 当入射当入射 X射线与受射线与受原子核束缚较紧的电子原子核束缚较紧的电子相遇，使电子在相遇，使电子在 X射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与入射射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与入射 X射线波长相同的辐射射线波长相同的辐射 l 因各电子散射的因各电子散射的X射线波长相同，有可能相互干涉，因此射线波长相同，有可能相互干涉，因此 称称相干散射相干散射，亦称经典散射，亦称经典散射 l 物质对物质对X射线的散射可以认为射线

50、的散射可以认为只是电子的散射只是电子的散射(为什么？为什么？) l 相干散射波仅占入射能量的极小部分相干散射波仅占入射能量的极小部分 l 相干散射是相干散射是 X 射线衍射分析的基础射线衍射分析的基础 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 54 三、三、X射线的散射射线的散射 1.相干散射相干散射 X 射线是非偏振光，电子在空间射线是非偏振光，电子在空间P点的相干散射强度点的相干散射强度 (1-18) 式中，式中，I0为入射线强度；为入射线强度；Ie为一个电子的相干散射强度；为一个电子的相干散射强度； R 为电子到空间一点为电子到空间一点P的距离；的距离；2 为散射角；为散

51、射角； 电子散射因数电子散射因数 fe2 =7.94 10-30m2，说明，说明一个电子的相干散射强一个电子的相干散射强 度很小度很小； (1+cos2 2 )/2 称偏振因数，表明称偏振因数，表明相干散射线是偏振的，强度相干散射线是偏振的，强度 随随2 而变化而变化 2 2cos1 2 2cos1 4 2 2 2 0 2 2 2 2 0 2 0 ee f R I mc e R I I 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 55 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 三、三、X射线的散射射线的散射 1.相干散射相干散射 定义原子散射因数定义原子散射因数(

52、 f )为为 一个一个原子中所有电子相干散原子中所有电子相干散 射波合成振幅与一个电子相射波合成振幅与一个电子相 干散射波振幅的比，则有干散射波振幅的比，则有 当当 = 0时，时，f = z； 当当 0时，时， f z， 且随且随sin / 增大迅速增大迅速 衰减衰减 图图1-13 f 随随sin / 的变化的变化 56 三、三、X射线的散射射线的散射 1.相干散射相干散射 原子的相干散射强度，原子的相干散射强度， Ia = f 2Ie 以上分析将电子看成以上分析将电子看成是自由电子，忽略了原子核对电子的束是自由电子，忽略了原子核对电子的束 缚和其它电子的排斥作用。因此对原子散射因数需进行修正

53、缚和其它电子的排斥作用。因此对原子散射因数需进行修正 f有效 有效= f0 + f + if (1-23) 式中，式中，f 和和f 称色散修正项。虚数项称色散修正项。虚数项f 通常可忽略不计；对通常可忽略不计；对 于给定的散射体和波长，于给定的散射体和波长， f 与散射角无关，它仅与与散射角无关，它仅与( / K)值值 有关，此值越接近有关，此值越接近1， f有效 有效与计算值 与计算值f0差值越大差值越大 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 57 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 三、三、X射线的散射射线的散射 2.不相干散射不相干散射 当当 X

54、射线与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞时，使射线与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞时，使 电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电子，电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电子，X 射线能量射线能量 损失，而发生损失，而发生波长变长的不相波长变长的不相 干散射干散射 不相干散射效应首先由康普顿不相干散射效应首先由康普顿 和吴有训发现，并用和吴有训发现，并用 X射线光射线光 量子与自由电子碰撞的量子理量子与自由电子碰撞的量子理 论解释这一现象，见图论解释这一现象，见图1-14 不相干散射亦称量子散射不相干散射亦称量子散射 图图1-14 康普顿康普顿-吴有训效应吴有训效应 58 第三节第三节 X射线与

55、物质的相互作用射线与物质的相互作用 三、三、X射线的散射射线的散射 2.不相干散射不相干散射 l 不相干散射引起的波长变化不相干散射引起的波长变化为为 = = 0.00243(1 cos2 ) = 0.00468sin2 (1-24) l 不相干散射的波长与入射波不同，且随散射方向不相干散射的波长与入射波不同，且随散射方向(2 ) 变变 化，不能发生衍射，而形成衍射图的背底化，不能发生衍射，而形成衍射图的背底 l 不相干散射强不相干散射强 度随度随 sin / 增大而增大，入射波长愈短，增大而增大，入射波长愈短， 被照物质轻元素愈轻，康普顿被照物质轻元素愈轻，康普顿-吴有训效应愈显著吴有训效应

56、愈显著 59 图图1-15归纳了归纳了X射线穿过物质时，射线穿过物质时，X射线与物质发生复射线与物质发生复 杂的相互作用，即物质对杂的相互作用，即物质对X射线的吸收、散射；入射射线的吸收、散射；入射X射线射线 对样品原子的电离，及随后的荧光效应和俄歇效应等对样品原子的电离，及随后的荧光效应和俄歇效应等 图图1-15 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 入射入射X射线射线 第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 60 绪 论 扫描电镜扫描电镜-SEM 61 第一篇 材料X射线衍射分析 第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相