材料研究方法PPT课件4

1、材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础2022-4-41/32材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础2/322022-4-4Chapter 3 X-Ray Diffractometry第三章第三章 X X射线衍射分析射线衍射分析Reference:1. R. Jenkins, R.L. Snyder. X-Ray Powder Diffractometry.2. 王培铭、许乾慰王培铭、许乾慰. 材料研究方法材料研究方法材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础3/322022-4-4本章内容、重点和难点

2、本章内容、重点和难点p X射线的物理基础，射线的物理基础，X射线衍射原理（布拉格射线衍射原理（布拉格方程），样品制备及实验方法，方程），样品制备及实验方法，XRD在材料研究在材料研究中的应用中的应用；p 重重点是点是X射线的产生，射线的产生，XRD中的布拉格方程及中的布拉格方程及其在材料研究中的应用；其在材料研究中的应用； p 难点是难点是X射线与物质的相互作用，射线与物质的相互作用，XRD在材料在材料研究中的实验设计和实验技巧。研究中的实验设计和实验技巧。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础4/312022-4-4X X射线的历史射线的历史p 1895 18

3、95年，著名的德国物理学家伦琴发现了年，著名的德国物理学家伦琴发现了X X射线；射线；p 1912 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了年，德国物理学家劳厄等人发现了X X射线在晶体射线在晶体中的衍射现象，确证了中的衍射现象，确证了X X射线是一种电磁波。射线是一种电磁波。p 1912 1912年，英国物理学家年，英国物理学家BraggBragg父子利用父子利用X X射线衍射测定射线衍射测定了了NaCINaCI晶体的结构，从此开创了晶体的结构，从此开创了X X射线晶体结构分析的射线晶体结构分析的历史。历史。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础5/322022

4、-4-41. X射线是一种电磁波，具有波粒二象性；射线是一种电磁波，具有波粒二象性；2. X射线的波长：射线的波长： 102 102 3. X射线的射线的 （ ）、振动频峰）、振动频峰 和传播速度和传播速度C （ms-1）符合）符合 = c / (3-1) X X射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础6/322022-4-44. X 射线可看成具有一定能量射线可看成具有一定能量 E、动量、动量 P、质量、质量 m 的的 X 光流子光流子 E = hv （3-2） P = h / （3-3） h 为普朗克常数，为普朗克常数，h = 6.6261

5、76 10-27尔格，是尔格，是1900年年普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特性的表征。性的表征。X X射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础7/322022-4-4q X X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可见光不透明的物质；对于可见光不透明的物质；q X X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光。射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光。在通过一些物质时，使物质原子中的外层电子发生跃在通过一些物质时，使物质原子中的外

6、层电子发生跃迁发出可见光；迁发出可见光；q X X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X X射线的辐射时，生理上会产生一定的反应。射线的辐射时，生理上会产生一定的反应。X X射线的性质射线的性质材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础8/312022-4-4X X 射线的产生射线的产生高速运动的电子流高速运动的电子流 射线射线X 射线射线中子流中子流高能高能辐射流辐射流在突然被减速时在突然被减速时均能产生均能产生X射线射线材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础9/322022-4-4

7、X X 射线管射线管图图3-3 X射线管示意图射线管示意图材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础10/322022-4-4材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础11/322022-4-4 X X射线机射线机图图3-2 X射线机的主要线路图射线机的主要线路图材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础12/322022-4-4 X X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线管射线管电子枪：产生电子并将电子束聚焦，电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出

8、自由电子。热放出自由电子。金属靶：发射金属靶：发射x射线，阳极靶通常射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。成，如铜、钻、镍、铁、铝等。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础13/322022-4-4 X X射线管的工作原理射线管的工作原理 整个整个X射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高

9、速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，这些射线，这些X射射线通过用金属铍（厚度约线通过用金属铍（厚度约0.2mm）做成的）做成的x射线管窗射线管窗口射出，即可提供给实验所用。口射出，即可提供给实验所用。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础14/312022-4-4x x 射线谱射线谱连续谱连续谱： 强度随波长连续变化的连续谱。强度随波长连续变化的连续谱。 （见图（见图3-6）特征谱特征谱：波长一定、强度很大的特征波长一定、强度很大的特征谱特征谱只有当管电压超过一定值谱特征谱只有当管电压超过一定值Vk（激发电压）时才会产生，只取

10、决于光（激发电压）时才会产生，只取决于光管的阳极靶材料，不同的靶材具有其特管的阳极靶材料，不同的靶材具有其特有的特征谱线。有的特征谱线。特征谱线又称为标识谱，即可以来标识特征谱线又称为标识谱，即可以来标识物质元素。（见图物质元素。（见图3-7）x x射射线线谱谱材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础15/322022-4-4连续连续X X射线谱射线谱图图3-6 各管电压下各管电压下W的连续谱的连续谱材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础16/322022-4-4连续连续X X射线谱射线谱p X 射线连续谱的强度随着射线连续谱的强度

11、随着X射线管的管电压射线管的管电压增加而增大，最大强度所对应的波长增加而增大，最大强度所对应的波长 max 变变小，最短波长界限小，最短波长界限 0 减小；减小；p 连续谱中接近最短波长处的辐射较多。连续谱中接近最短波长处的辐射较多。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础2022-4-4连续谱的经验公式可表达为：连续谱的经验公式可表达为：（3-7）C为常数，为常数，Z为阳极材料的原子序数。为阳极材料的原子序数。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础18/322022-4-4特征特征X X射线射线图图3-7 Mo靶靶X光管发出光管发

12、出X光谱强度（光谱强度（35kV时时）材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础19/322022-4-4原子结构壳层理论原子结构壳层理论 高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中K层层电子撞出电子壳层，在电子撞出电子壳层，在K壳层中形成空位，原子系统壳层中形成空位，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，原理，L、M、N一层中的电子会跃人一层中的电子会跃人K层的空位，为层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这

13、些电子会将多余的能量以余的能量以X射线光量子的形式释放。射线光量子的形式释放。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础20/322022-4-4材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础21/322022-4-4K K 系标识系标识X X射线：射线： 对于从对于从L，M，N 壳层中的电子跃入壳层中的电子跃入 K 壳层空位时所释放的壳层空位时所释放的X射线，分别称之为射线，分别称之为K 、 K 、 K 谱谱线，共同构成线，共同构成K系标识系标识X射线。射线。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础22/322

14、022-4-4 产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：p 使一些物质发出可见的荧光；使一些物质发出可见的荧光；p 使离子固体发出黄褐色或紫色的光；使离子固体发出黄褐色或紫色的光；p 破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成成p 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；p X射线与物质之间的物理作用，可分为射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射射线散射和吸收。和吸收。X X射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的

15、物理基础23/322022-4-4图图3-8 X3-8 X射线与物质作用示意图射线与物质作用示意图X X射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础2022-4-424/31X X射线与物质的作用射线与物质的作用X射线的吸收射线的吸收 设入射设入射X射线强度为射线强度为I0，透过厚度为，透过厚度为d的物的物质后强度为质后强度为I，I I0,在被照射的物质中取在被照射的物质中取一深度为一深度为X处的小厚度元处的小厚度元dX，照到此小厚，照到此小厚度元上的度元上的X射线强度为射线强度为Ix，透过此厚度元，透过此厚度元的的X射线强度为射线强度

16、为Ix十十dx，则强度的改变为：，则强度的改变为：图图3-6 X光减弱规律的图示光减弱规律的图示 L为线吸收系数（为线吸收系数（cm-1)，与入射，与入射X射线束的波长及被照射物质的元素射线束的波长及被照射物质的元素组成和状态有关。组成和状态有关。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础25/312022-4-4X射线通过整个物质厚度的衰减规律：射线通过整个物质厚度的衰减规律： I / I0 = e - L d式中式中 I/I0 称为称为 X 射线穿透系数，射线穿透系数， I/I0 1。 I/I0 愈小愈小,表示表示x射线被衰减的程度愈大。射线被衰减的程度愈大。X

17、 X射线与物质的作用射线与物质的作用材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础26/322022-4-4相关概念及物理意义相关概念及物理意义X X射线穿透系数：射线穿透系数： I/I0 ， I/I0愈小愈小,表示表示x射线被衰射线被衰减的程度愈大。减的程度愈大。线吸收系数线吸收系数， L：就是当：就是当X 射线透过单位长度射线透过单位长度（1cm）物质时强度衰减的程度）物质时强度衰减的程度, L值愈大，则值愈大，则强度衰减愈快。强度衰减愈快。材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础27/322022-4-4 质量吸收系数质量吸收系数 m

18、：是单位质量物质（单位截面：是单位质量物质（单位截面的的1g物质）对物质）对X射线的衰减程度，其值的大小与温射线的衰减程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无关，但与度、压力等物质状态参数无关，但与X射线波长及射线波长及被照射物质的原子序数有关。被照射物质的原子序数有关。 m = m / 为被照射物质的密度为被照射物质的密度相关概念及物理意义相关概念及物理意义材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础28/312022-4-4X射线的物理基础射线的物理基础质量吸收系数具有加和性：质量吸收系数具有加和性：相关概念及物理意义相关概念及物理意义材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线的物理基础29/312022-4-4元素的质量系数元素的质量系数 m是所用辐射波长及元素的原子序数的函数。是所用辐射波长及元素的原子序数的函数。吸收与波长及原子序数的关系吸收与波长及原子序数的关系A、b为常数，与吸收物质有关。为常数，与吸收物质有关。Z 为元素的原子序数为元素的原子序数材料研究方法材料研究方法 XRD3.1 X射线的物理基础射线