材料分析方法第一部分

材料X射線衍射分析材料分析方法1主要內容：X射線的性質X射線的產生及X射線譜X射線與物質的相互作用第一章

X射線的物理基礎主要內容：第一章X射線的物理基礎2第一章X射線的物理基礎1901年首位諾貝爾物理獎獲得者1895年德國物理學家倫琴（R?ntgen,W.C.）發現X射線（倫琴射線），產生、傳播和穿透力等性能X射線是電磁波?粒子流？爭議?早期應用（發現后半年）：骨折診斷和定位/鑄件探傷X射線透視技術引言（X射線譜發展歷史）第一章X射線的物理基礎1901年首位諾貝爾物理獎獲得者13倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機戒指）倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機戒指）4探討X射線本質的研究基礎1911年，勞埃—光波通過光柵的衍射理論研究1911年，愛瓦爾德—可見光通過晶體的衍射行為1908年，佩蘭—解決了準確測定阿伏加德羅常數。可計算晶體中一個原子或分子所占空間的體積及粒子間的距離。兩種假說X射線是電磁波，應具有衍射現象?晶體具有空間點陣結構（規則排列）？無法證實?。√接慩射線本質的研究基礎1911年，勞埃—光波通過光柵的衍5勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設想被初步證實CuSO4·5H2O晶體為光柵，獲得了第一張X射線衍射圖弗里德里克和克尼平實驗開辟了兩個研究領域解決三大問題X射線是波長很短的電磁波晶體內部結構的周期性

利用X射線衍射效應研究晶體結構X射線光譜學X射線晶體學推測出x射線的波長和晶體中的原子間距數量級相同勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設6勞厄實驗晶體中原子排列成有規則的空間點陣，原子間距為10-10m的數量級，與X射線的波長同數量級，可以利用晶體作為天然光柵。1912年勞厄的實驗裝置在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點，稱為勞厄斑。勞厄實驗證明了X射線的波動性，同時還證實了晶體中原子排列的規則性。勞厄實驗晶體中原子排列成有規則的空間點陣，原子間距為10-17勞厄（M.V.Laue，1879-1960）

德國物理學家，發現X射線的衍射現象，從而判定X射線的本質是高頻電磁波。1914年，他因此獲得諾貝爾物理學獎金。布拉格父子（W.L.Bragg，子、W.H.Bragg，父）英國物理學家，在利用X射線研究晶體結構方面作出了巨大的貢獻，奠定了X射線譜學及X射線結構分析的基礎。他們因此而于1915年共同獲得諾貝爾物理學獎金。X射線的發現和廣泛應用是廿世紀科學發展中最偉大成就之一，圍繞X射線進行科研工作的科學家獲諾貝爾獎的就有近卅人之多。勞厄（M.V.Laue，1879-1960）德國物理學8與X射線及晶體衍射有關的部分諾貝爾獎獲得者名單

與X射線及晶體衍射有關的部分諾貝爾獎獲得者名單9§1-1X射線的性質波長：紫外線和射線之間特點：1、在電磁場中不發生偏轉；2、穿透力；3、波長較短的電磁波，范圍在0.01nm~10nm之間；4、對人體有傷害?！?-1X射線的性質波長：紫外線和射線之間特點：10§1-1X射線的性質X射線本質是電磁波磁場分量電場分量A忽略沿y軸傳播的波長λX射線波的方程表示為：A=A0cos2π(y/λ-νt)A0—電場強度振幅，ν–頻率（c/λ）c–光速；t–時間（1-1）§1-1X射線的性質X射線本質是電磁波磁場分量電場分量A忽11§1-1X射線的性質以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)，令ω=2πνA=A0cos（φ-ωt）當t=0時，則（1-1）可寫成（1-2）（1-2）指數形式為A=A0ei(φ-ωt)A=A0eiφeiφ---

相位因子X射線波動性粒子性-顯著-光量子流光量子動能E=hν=hc/λ動量P=h/λ=hν/c§1-1X射線的性質以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)12§1-2X射線的產生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發現，高速電子撞擊某些固體時，會產生一種看不見的射線，它能夠透過許多對可見光不透明的物質，對感光乳膠有感光作用，并能使許多物質產生熒光，這就是所謂的X射線或倫琴射線?！?-2X射線的產生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發現，13X射線譜連續射線譜（標識射線譜）特征射線譜XXX原子內殼層電子躍遷產生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。X射線譜連續射線譜（標識射線譜）特征射線譜XX14管電壓管電流陽極靶原子序數一、連續X射線譜1、實驗規律2、產生機理連續性？swl？Imax-m?∞？經典電動力學量子理論強度隨波長連續變化管壓U增大（i，Z不變），各波長X射線強度提高，短波限swl和強度最大值m減小管流i增大（U一定，Z不變)各波長X射線強度提高，swl與m不變靶材的原子序數Z越高（U，i不變）各波長X射線強度越大，swl與m保持不變管電壓管電流陽極靶原子序數一、連續X射線譜1、實驗規律2、15二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成；2）強度大大超過連續譜線的強度并迭加于連續譜線之上；3）譜線波長不隨X射線光管的工作條件（電壓和電流）而變，只決定于陽極靶物質的原子序數1、實驗規律當U≥UK時，在連續譜上特定波長出現出現一系列強度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標識譜二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成162、產生機理2、產生機理17KKKK183、X射線的應用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，而與其他外界因素無關。1914年，莫塞萊總結發現了這一規律，并因此獲得諾貝爾物理獎莫塞萊定律成為X射線熒光光譜分析和電子探針微區成分分析的理論基礎3、X射線的應用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽19§1-3X射線與物質的相互作用X射線到達物質表面后的能量將分為三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、X射線的透射系數和吸收系數l稱線吸收系數e-t稱透射系數X射線強度隨透入深度的變化§1-3X射線與物質的相互作用X射線到達物質表面后20m--質量吸收系數可反應物質本質的吸收特性lX射線通過單位厚度（體積）物質的相對衰減量m—單位面積厚度為t的體積中的物質的質量（m=t）m—X射線通過單位面積上單位質量物質后強度的相對衰減量。m--質量吸收系數lX射線通過單位厚度（體積）m21m隨入射波長的變化（Z一定）m

決定于吸收體的原子序數Z和X射線的波長，其關系的經驗式為波長減小到某幾個值時，m突然增加，出現若干個跳躍臺階。m突增說明在這幾個波長X射線被大量吸收，這個相應的波長稱為吸收限。每種物質都有它本身確定的一系列的吸收限。Wi

–某組元的質量分數n–吸收體中的組元數m具有加和性m隨入射波長的變化（Z一定）m決定于吸收體的原子序數Z22二、X射線的真吸收

吸收系數突變是由于光電效應消耗大量入射能量引起的

光電效應是指吸收體原子某殼層電子獲得入射光量子能量，從內層溢出而成為自由電子（稱光電子），使原子處于相應激發態如k激發態：，k、k為K吸收限頻率和波長

<<（同一元素）激發態的原子有2種釋放能量方式：熒光效應和俄歇效應真吸收包括光電效應和熱效應所引起的入射能量消耗二、X射線的真吸收吸收系數突變是由于光電效應消耗大量入射能23俄歇電子能譜(AES)分析X射線熒光光譜(XFS)分析光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過程示意圖俄歇電子能譜X射線熒光光譜光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過24濾波片原理示意圖光源波長與試樣吸收譜的關系選擇X射線靶材的依據吸收限的應用獲得單一波長的X射線濾波片原理示意圖光源波長與試樣吸收譜的關系吸收限的應用獲得單25三、X射線的散射X射線被物質散射時可以產生兩種散射現象，即相干散射和不相干散射。

X射線被物質散射，主要是核外電子與X射線相互作用的結果。

相干散射（經典散射）入射X射線與原子內受縛較禁的電子相遇，光量子能量不足以使原子電離，但電子在X射線交變電場作用下發生受迫振動而成為電磁波的發射源，向四周發射與入射X射線波長相同的輻射，因各電子所散射的射線的波長相同，有可能發生相互干涉。三、X射線的散射X射線被物質散射時可以產生兩種散射現象，即26不相干散射（量子散射）在偏離原入射束方向上，不僅有與入射線波長相同的相干散射波，還有波長變長的不相干散射波，康普頓－吳有訓用X射線光量子與自由電子碰撞的量子理論解釋這一現象原子散射因子f隨sin/的變化相干散射強度I

＝f2·I0康普頓－吳有訓效應Δλ＝λ‘－λ＝0.00486sin2θ不相干散射（量子散射）原子散射因子f隨sin/的變27X射線的產生及其與物質的相互作用X射線的產生及其與物質的相互作用28材料分析方法之材料X射線衍射分析課件29演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！30材料分析方法第一部分

材料X射線衍射分析材料分析方法31主要內容：X射線的性質X射線的產生及X射線譜X射線與物質的相互作用第一章

X射線的物理基礎主要內容：第一章X射線的物理基礎32第一章X射線的物理基礎1901年首位諾貝爾物理獎獲得者1895年德國物理學家倫琴（R?ntgen,W.C.）發現X射線（倫琴射線），產生、傳播和穿透力等性能X射線是電磁波?粒子流？爭議?早期應用（發現后半年）：骨折診斷和定位/鑄件探傷X射線透視技術引言（X射線譜發展歷史）第一章X射線的物理基礎1901年首位諾貝爾物理獎獲得者133倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機戒指）倫琴拍攝的世界上第一張X射線照片（倫琴夫人的手機戒指）34探討X射線本質的研究基礎1911年，勞?！獠ㄍㄟ^光柵的衍射理論研究1911年，愛瓦爾德—可見光通過晶體的衍射行為1908年，佩蘭—解決了準確測定阿伏加德羅常數?？捎嬎憔w中一個原子或分子所占空間的體積及粒子間的距離。兩種假說X射線是電磁波，應具有衍射現象?晶體具有空間點陣結構（規則排列）？無法證實??！探討X射線本質的研究基礎1911年，勞?！獠ㄍㄟ^光柵的衍35勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設想被初步證實CuSO4·5H2O晶體為光柵，獲得了第一張X射線衍射圖弗里德里克和克尼平實驗開辟了兩個研究領域解決三大問題X射線是波長很短的電磁波晶體內部結構的周期性

利用X射線衍射效應研究晶體結構X射線光譜學X射線晶體學推測出x射線的波長和晶體中的原子間距數量級相同勞埃提出晶體可以作為X射線的天然立體衍射光柵1912年勞埃設36勞厄實驗晶體中原子排列成有規則的空間點陣，原子間距為10-10m的數量級，與X射線的波長同數量級，可以利用晶體作為天然光柵。1912年勞厄的實驗裝置在乳膠板上形成對稱分布的若干衍射斑點，稱為勞厄斑。勞厄實驗證明了X射線的波動性，同時還證實了晶體中原子排列的規則性。勞厄實驗晶體中原子排列成有規則的空間點陣，原子間距為10-137勞厄（M.V.Laue，1879-1960）

德國物理學家，發現X射線的衍射現象，從而判定X射線的本質是高頻電磁波。1914年，他因此獲得諾貝爾物理學獎金。布拉格父子（W.L.Bragg，子、W.H.Bragg，父）英國物理學家，在利用X射線研究晶體結構方面作出了巨大的貢獻，奠定了X射線譜學及X射線結構分析的基礎。他們因此而于1915年共同獲得諾貝爾物理學獎金。X射線的發現和廣泛應用是廿世紀科學發展中最偉大成就之一，圍繞X射線進行科研工作的科學家獲諾貝爾獎的就有近卅人之多。勞厄（M.V.Laue，1879-1960）德國物理學38與X射線及晶體衍射有關的部分諾貝爾獎獲得者名單

與X射線及晶體衍射有關的部分諾貝爾獎獲得者名單39§1-1X射線的性質波長：紫外線和射線之間特點：1、在電磁場中不發生偏轉；2、穿透力；3、波長較短的電磁波，范圍在0.01nm~10nm之間；4、對人體有傷害?！?-1X射線的性質波長：紫外線和射線之間特點：40§1-1X射線的性質X射線本質是電磁波磁場分量電場分量A忽略沿y軸傳播的波長λX射線波的方程表示為：A=A0cos2π(y/λ-νt)A0—電場強度振幅，ν–頻率（c/λ）c–光速；t–時間（1-1）§1-1X射線的性質X射線本質是電磁波磁場分量電場分量A忽41§1-1X射線的性質以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)，令ω=2πνA=A0cos（φ-ωt）當t=0時，則（1-1）可寫成（1-2）（1-2）指數形式為A=A0ei(φ-ωt)A=A0eiφeiφ---

相位因子X射線波動性粒子性-顯著-光量子流光量子動能E=hν=hc/λ動量P=h/λ=hν/c§1-1X射線的性質以φ表示相位，即φ=2π（y/λ)42§1-2X射線的產生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發現，高速電子撞擊某些固體時，會產生一種看不見的射線，它能夠透過許多對可見光不透明的物質，對感光乳膠有感光作用，并能使許多物質產生熒光，這就是所謂的X射線或倫琴射線?！?-2X射線的產生及X射線譜AK高壓1895年倫琴發現，43X射線譜連續射線譜（標識射線譜）特征射線譜XXX原子內殼層電子躍遷產生的一種輻射和高速電子在靶上驟然減速時伴隨的輻射，稱為X射線。X射線譜連續射線譜（標識射線譜）特征射線譜XX44管電壓管電流陽極靶原子序數一、連續X射線譜1、實驗規律2、產生機理連續性？swl？Imax-m?∞？經典電動力學量子理論強度隨波長連續變化管壓U增大（i，Z不變），各波長X射線強度提高，短波限swl和強度最大值m減小管流i增大（U一定，Z不變)各波長X射線強度提高，swl與m不變靶材的原子序數Z越高（U，i不變）各波長X射線強度越大，swl與m保持不變管電壓管電流陽極靶原子序數一、連續X射線譜1、實驗規律2、45二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成；2）強度大大超過連續譜線的強度并迭加于連續譜線之上；3）譜線波長不隨X射線光管的工作條件（電壓和電流）而變，只決定于陽極靶物質的原子序數1、實驗規律當U≥UK時，在連續譜上特定波長出現出現一系列強度很高、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標識譜二、特征X射線譜1）由若干互相分離且具有特定波長的譜線組成462、產生機理2、產生機理47KKKK483、X射線的應用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，而與其他外界因素無關。1914年，莫塞萊總結發現了這一規律，并因此獲得諾貝爾物理獎莫塞萊定律成為X射線熒光光譜分析和電子探針微區成分分析的理論基礎3、X射線的應用莫塞萊定律：特征X射線的頻率或波長只取決于陽49§1-3X射線與物質的相互作用X射線到達物質表面后的能量將分為三大部分，即吸收、透射、散射能量。一、X射線的透射系數和吸收系數l稱線吸收系數e-t稱透射系數X射線強度隨透入深度的變化§1-3X射線與物質的相互作用X射線到達物質表面后50m--質量吸收系數可反應物質本質的吸收特性lX射線通過單位厚度（體積）物質的相對衰減量m—單位面積厚度為t的體積中的物質的質量（m=t）m—X射線通過單位面積上單位質量物質后強度的相對衰減量。m--質量吸收系數lX射線通過單位厚度（體積）m51m隨入射波長的變化（Z一定）m

決定于吸收體的原子序數Z和X射線的波長，其關系的經驗式為波長減小到某幾個值時，m突然增加，出現若干個跳躍臺階。m突增說明在這幾個波長X射線被大量吸收，這個相應的波長稱為吸收限。每種物質都有它本身確定的一系列的吸收限。Wi

–某組元的質量分數n–吸收體中的組元數m具有加和性m隨入射波長的變化（Z一定）m決定于吸收體的原子序數Z52二、X射線的真吸收

吸收系數突變是由于光電效應消耗大量入射能量引起的

光電效應是指吸收體原子某殼層電子獲得入射光量子能量，從內層溢出而成為自由電子（稱光電子），使原子處于相應激發態如k激發態：，k、k為K吸收限