材料表征基础 课件 1.3 电磁波、粒子束与物质相互作用基础

1.3电磁波、粒子束与物质相互作用基础1.3电磁波、粒子束与物质相互作用基础物质（matter）是自然界的基本组成部分，自然界中所有的实体物质都属于物质。除这些实体物质之外，还存在一种看不见、摸不着，但又确实存在的特殊物质，他们以场的形式存在于我们周围。场是指某一空间区域，能在不接触的情况下对具有一定性质的物体施加某种力的作用。例如，一个有质量的物体由于引力场的作用能对其他有质量的物体产生引力。同样，一个带电物体通过电场可以对其他带电物体施加电场力。实物粒子与场组成了基本宇宙，物质与物质、物质与场以及场与场之间的相互作用形成了宇宙中的基本相互作用。1.3.1电磁波与粒子束电磁波是指同相振荡且互相垂直的电场与磁场，在空间中以非机械波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。电磁波不需要依靠介质进行传播，可以在真空中传播，速度为光速。电磁波可按照频率分类，从低频到高频分为无线电波、兆赫辐射、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。图1电磁辐射频率与波长对应关系及产生方法1.3.1电磁波与粒子束粒子束与电磁波不同，是指由一些实物粒子组成的且具有一定动量的束流。常见的粒子束包括电子束、中子束、质子束、α粒子束等。不同的粒子束具有不同的荷质比，与物质的相互作用情况也大不相同。相对于电磁波，粒子束通常具有更高的能量，与物质接触时，能更容易突破核外电子的屏蔽，与原子核发生相互作用。高能粒子束是目前核物理实验领域的基本工具，不仅承担着研究高能粒子物理、探究宇宙起源的重要使命，也在材料学、生物学、医学等诸多领域发挥着重要作用。1.3.2基本相互作用尽管自然界中的相互作用看起来有很多种，但物质间最基本的相互作用仅有四种基本相互作用，即强相互作用、弱相互作用、引力相互作用与电磁相互作用。强相互作用主要发生在亚原子核级别，是原子核能够稳定存在的基础。弱相互作用主要发生在原子核弱衰变过程中，通常伴随着中微子的出现，在实验上观察十分困难。引力相互作用即万有引力，相对更广为人知一些，主要影响天体的运动。电磁相互作用是带电粒子与电磁场的相互作用以及带电粒子之间通过电磁场传递的相互作用。电磁相互作用和引力相互作用是长程力，可在宏观尺度的距离中起作用而表现为宏观现象自然界中，物质与物质、场与物质相互作用中，都脱离不了这四种基本相互作用。在材料表征技术中，主要涉及的是电磁波与物质和粒子束与物质的相互作用，这些相互作用本质上均可归结于电磁相互作用。表1-10基本相互作用相对强度比较（取电磁相互作用强度为1）比较关系引力弱作用电磁作用强作用基本作用剩余作用两u夸克相距10-18m10-410.8125-3

10-17m10-4110-4160-原子核中的两个质子10-3610-71-201.3.2基本相互作用：电磁波反射与折射电磁波入射于介质界面时，会发生反射和折射。当电磁波回到原来介质中传播时，该现象称为反射；当电磁波进入新的介质中传播时，该现象称为折射。图1-13电磁波在介质中的反射与折射

1.3.2基本相互作用：电磁波衍射电磁波作为一种电磁波，同样具有衍射现象。根据惠更斯原理，波面上每一个点都可以看成是次级光源，发射出子波并向前传输，这些子波叠加后形成新的波面，从而产生衍射现象（图1-14）。图1-14惠更斯原理示意图1.3.2基本相互作用：电磁波的吸收电磁波在介质中传播时，还会与介质中的分子或原子相互作用，引起能量损失。这种波的能量最终被介质吸收，转化为介质中粒子的热运动能和其他形式的能量。电磁波的吸收是一个复杂的过程，人类对电磁波吸收的认识经历了漫长的发展。1905年，爱因斯坦发现了光电效应，提出了“光量子”的概念，也就是我们现在熟知的光子。光子的能量与频率相关，光子与物质的相互作用是量子化的，只能以光量子的形式一份一份的被物质吸收。光子的能量为E，可表达为：

1.3.2基本相互作用：带电粒子与核外电子相互作用带电粒子与核外电子间的非弹性碰撞会使核外电子改变其在原子中的能量状态。核外电子获得能量不足以挣脱原子的束缚成为自由电子时，可以由低能态跃迁到更高能态。受激发原子是不稳定的，很快（10-9～10-6s）会退激至原子的基态而发射X射线。核外电子受激能量高过电离能时，受激原子立即分解成一个自由电子和一个失去自由电子的离子，即产生一个电子-离子对。原子最外层电子束缚最松，因而被电离的概率最大。如果内层电子被电离后，原子留下的内层电子空穴会由外层电子填充而发射特征X射线或者发射俄歇电子。电离过程中产生的自由电子通常具有很低的动能，但在有的情形，它们具有足够高的动能使其他原子电离。带电粒子在阻止介质中，由于与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激发或电离而损失自己的能量，称电离损失。1.3.2基本相互作用：带电粒子与物质相互作用粒子束与核外电子相互作用：带电粒子与核外电子间的非弹性碰撞会使核外电子改变其在原子中的能量状态。核外电子获得能量不足以挣脱原子的束缚成为自由电子时，可以由低能态跃迁到更高能态。受激发原子是不稳定的，很快（10-9～10-6s）会退激至原子的基态而发射X射线。核外电子受激能量高过电离能时，受激原子立即分解成一个自由电子和一个失去自由电子的离子，即产生一个电子-离子对。原子最外层电子束缚最松，因而被电离的概率最大。如果内层电子被电离后，原子留下的内层电子空穴会由外层电子填充而发射特征X射线或者发射俄歇电子。电离过程中产生的自由电子通常具有很低的动能，但在有的情形，它们具有足够高的动能使其他原子电离。带电粒子在阻止介质中，由于与核外电子的非弹性碰撞使原子发生激发或电离而损失自己的能量，称电离损失。与原子核相互作用：入射带电粒子在原子核近旁经过时，由于其间的库仑相互作用而获得加速度，伴随着发射电磁辐射即所谓韧致辐射，入射带电粒子因而损失能量，我们称之为辐射能量损失。带电粒子与原子核间可能发生弹性碰撞，这时碰撞体系保持总动能和总动量守恒，入射带电粒子会因转移一部分动能给原子核而损失自己的动能，介质产生晶格原子位移形成缺陷，引起辐射损伤。1.3.3光子与物质相互作用：紫外-可见光紫外线、可见光、近红外光是太阳光谱中的主要部分。通常人们将波长在10–400nm之间的电磁波称为紫外线；波长在400–760nm之间的电磁波称为可见光。紫外-可见光的能量范围最高达上百eV，最低仅为1eV左右，该能量范围正好与电子能级匹配。物质中的电子正好可以吸收紫外-可见光，发生电子能级跃迁，从而产生吸收谱。由于各种物质具有各自不同的原子、离子或分子，其吸收光子的情况也就不会相同，每种物质有其特有的、固定的吸收光谱曲线，且吸收光谱上的特征波长处的吸光度与该物质的含量有关，这就是分光光度法定性和定量分析的基础。1.3.3光子与物质相互作用：红外线

分子必须满足两个条件才能吸收红外辐射，一是分子振动或是转动时必须有瞬间的偶极矩变化，分子吸收红外辐射的强度与吸收跃迁的概率有关，只有跃迁概率不等于零的跃迁才称为允许跃迁，分子振动时偶极矩发生瞬间变化称为该分子具有红外活性；二是分子的振动频率与红外辐射的频率相同时才能发射红外辐射吸收。分子内的原子在其平衡位置上处于不断的振动状态，对于非极性双原子分子（如N2、O2、H2等），分子的振动不能引起偶极矩的变化，因此不产生红外吸收。1.3.3光子与物质相互作用：X射线X射线也称为伦琴射线，是波长比紫外线还短的电磁辐射，X射线通常波长范围在0.01-10nm之间。波长短于0.2-0.1nm的叫做硬X射线，波长略大者被称作软X射线。硬X射线与伽马（

）射线中波长较长的部分有重叠范围，二者的区别在于辐射源，而不是波长：X射线光子产生于高能电子加速，

射线则来源于原子核衰变。在不考虑散射影响的情况下，X射线的吸收同样遵循比尔-朗伯定律，满足以下关系：

1.3.3光子与物质相互作用：X射线对于X射线通过物质时的衰减现象来说，波长较长的X射线和原子序数较大的散射体的散射作用与吸收作用相比，常常可以忽略不计。但是对于轻元素的散射体和波长很短的X射线，散射作用就十分显著。由于原子核的质量比电子大得多，其振动忽略不计，主要考虑电子的振动。X射线与物质的相互作用可以分为相干散射和非相干散射。相干散射：相干散射也称瑞利（Rayleigh）散射或弹性散射。是由能量较小、波长较长的X射线与原子中束缚较紧的电子发生弹性碰撞的结果，迫使电子随入射X射线电磁波的周期性变化的电磁场而振动，并成为辐射电磁波的波源。由于电子受迫振动的频率与入射的振动频率一致，因此从这个电子辐射出来的散射X射线的频率和相位与入射X射线相同，只是方向有了改变。元素的原子序数越大，相干散射作用也越大。入射X射线在物质中遇到的所有电子，构成了一群可以相干的波源，且X射线的波长与原子间的间距具有相同的数量级，所以实验上即可观察到散射干涉现象。这种相干散射现象，是X射线在晶体中产生衍射现象的物理基础。

1.3.3光子与物质相互作用：X射线衍射实际上是能量较低的X射线，以一定角度入射到晶体表面时，X射线与晶体晶格发生弹性散射，由于干涉现象导致散射出的X射线在特定角度处振幅增强。这种在晶体材料内发生的干涉性散射即称为衍射。X射线衍射遵循布拉格（Bragg）衍射定律，可用布拉格方程来描述：

Bragg方程式有以下两个重要作用。

1.3.3光子与物质相互作用：X射线光电效应X射线与物质相互作用时，同样会产生光电效应。与紫外光光电效应不同，X射线具有更高的能量，能激发原子的内层电子及价电子，使其逸出。对于特定波长的X射线，其能量均是已知的，对于每一个出射电子，其电子结合能可以由如下公式求出：

1.3.4伽马（γ）射线与物质相互作用γ射线是能量比X射线还要大的电磁波，通常波长在0.01nm以下，具有很高的能量，典型的γ光子能量在MeV数量级。γ射线不带电，并且具有很高的能量，在通过物质时，并不会使物质发生电离或激发，而是以碰撞的形式将其全部或大部分能量传递给电子。γ射线具有很强的穿透能力，能够穿透几厘米厚的铅板。通常，γ射线与物质相互作用主要会产生三种效应，分别是光电效应、康普顿效应与电子对效应。光电效应：与紫外光和X射线一样，γ光子在与物质相互作用时，同样会发生光电效应。如图1-15所示，γ光子发生非弹性碰撞后，将全部的能量转移给目标原子核外的某个束缚电子，电子吸收这些能量后形成光电子发射出去。当原子吸收了光子的全部能量以后，一部分能量消耗在克服结合能中，另外一部分能量则作为光电子的初始动能。发生光电效应时，光电子发射出去以后，会在原来电子所在壳层的位置留下了空位；缺失电子的原子处于不稳定的激发状态，因此外层电子会向内层跃迁，来填补这个空位，使原子恢复到低能稳态，这个过程叫做退激发。因跃迁而释放的能量就是两个壳层之间的能量差。图1-15光电效应示意图1.3.4伽马（γ）射线与物质相互作用康普顿效应：与X射线类似，γ射线与物质相互作用时，同样能引起康普顿散射。相较于X射线，γ射线具有更高的能量，能让更深能级的电子逸出。碰撞后，γ光子把部分能量传给电子变为电子的动能，电子从与入射γ射线成一定角度的方向射出（反冲电子），且γ光子的波长变长，朝着与自己原来运动的方向成一定夹角的方向散射。由于散射光波长各不相同，两个散射波的相位之间互相没有关系，因此不会引起干涉作用而产生衍射现象，也称为非相干散射。电子对效应：当γ光子的能量大于1.022MeV的时候，会产生形成电子对效应。即入射光子在原子库伦场作用下，伽马光子会转变成能量为0.511MeV的正负电子，而多余的能量则作为正负电子对的动能，产生的这一对正负电子，它们在物质中将逐渐损失能量。其中正电子寿命很短，在能量耗尽之后，与物质中的负电子发生湮灭，负电子则会和物质发生电离、激发，最终成为自由电子。γ射线与物质相互作用的三种形式在不同的条件下发生的几率不同，当射线能量较低，靶物质的平均原子序数较高的时候，光电效应几率占优势；当射线能量中等的时候，与任意平均原子序数的靶物质作用，康普顿散射几率占优势；当入射射线能量较高的时候，靶物质的平均原子序数也较高的时候，形成电子对效应的几率占优势。图1-16γ射线与物质相互作用几率关系图1.3.5电子束与物质的相互作用电子是在1897年由剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆逊在研究阴极射线时发现的。一束定向飞行的电子束打到试样后，电子束穿过薄试样或从试样表面掠射而过，电子的轨迹要发生变化。这轨迹变化决定于电子与物质的相互作用，即决定于组成物质的原子核及其核外电子对电子的作用，其结果将以不同的信号反映出来。图1-17示意地说明入射电子与组成物质的原子相互作用产生的各种信息。使用不同的电子光学仪器将这些信息加以搜集，整理和分析可得出材料的微观形态、结构和成分等信息。这就是电子显微分析技术能够研究材料的重要原因。图1-17电子束穿过薄样品产生的各种信息1.3.5电子束与物质的相互作用背散射电子：固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90°的那些入射电子，其能量没有损失（或基本上没有损失）。由于入射电子的能量很高，所以弹性背散射电子的能量能达到数千到数万电子伏。非弹性背散射电子是入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量也有不同程度的损失。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏直到数千电子伏。从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。由于它的产额能随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用做形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫作二次电子。这是一种真空中的自由电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，这些自由电子中90％是来自样品原子外层的价电子。二次电子一般都是在表层5～10nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。1.3.5电子束与物质的相互作用

由此可见，入射电子束和样品作用后，若逸出表面的背散射电子和二次电子数量越少，则吸收电子信号强度越大。若把吸收电子信号调制成图像，则它的衬度恰好和二次电子或背散射电子信号调制的图像衬度相反。当电子束入射到一个多元素的样品表面时，由于不同原子序数部位的二次电子产额基本上是相同的，则产生背散射电子较多的部位（原子序数大）其吸收电子的数量就较少，反之亦然。因此，吸收电子能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。1.3.5电子束与物质的相互作用透射电子：如果被分析的样品很薄，那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。这里所指的透射电子是采用扫描透射操作方式对薄样品成像和微区成分分析时形成的透射电子。这种透射电子是由直径很小的高能电子束照射薄样品时产生的，信号是由微区的厚度、成分和晶体结构决定。透射电子中除了有能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些遭受特征能量损失ΔE的非弹性散射电子（即特征能量损失电子）和分析区域的成分有关，因此，可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。如果使样品接地保持电中性，那么入射电子激发固体样品产生的4种电子信号强度与入射电子强度之间必然满足以下关系，即

1.3.5电子束与物质的相互作用

1.3.5电子束与物质的相互作用特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来。根据莫塞莱定律，如果我们用X射线探测器测到了样品微区中存在某一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素。俄歇电子：在入射电子发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并