材料分析方法.pptx

材料分析方法材料分析方法现在学习的是第1页，共73页 1986 1986年年1 1月月2828日，美国挑战者号航天飞机升空仅仅日，美国挑战者号航天飞机升空仅仅1 1分分1212秒就坠毁，秒就坠毁，7 7名宇航员全部遇难，直接经济损失名宇航员全部遇难，直接经济损失1212亿美亿美元。元。现在学习的是第2页，共73页 根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一根据调查这一事故的总统委员会的报告，爆炸是一个个O O形封环（橡胶圈）失效形封环（橡胶圈）失效所致。这个封环位于右侧固所致。这个封环位于右侧固体火箭推进器的两个底层部件之间。失效的封环使炽体火箭推进器的两个底层部件之间。失效的封环使炽热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。热的气体点燃了外部燃料罐中的燃料。设计时没有考虑温度对橡胶圈组织行为和力学性能的设计时没有考虑温度对橡胶圈组织行为和力学性能的影响。影响。现在学习的是第3页，共73页材料科学的发展趋势材料科学的发展趋势 从简单物质到复杂物质从简单物质到复杂物质 从简单结构到结构控制从简单结构到结构控制 从粉体材料到器件材料从粉体材料到器件材料 从块体材料到薄膜材料从块体材料到薄膜材料 从纯物质到复合，掺杂材料从纯物质到复合，掺杂材料 从宏观到微观的纳米材料从宏观到微观的纳米材料 从单功能到多功能和智能材料从单功能到多功能和智能材料现在学习的是第4页，共73页材料科学的发展趋势材料科学的发展趋势 传统材料一提高性能价格比传统材料一提高性能价格比 先进材料一提高在恶劣环境下的使用性能先进材料一提高在恶劣环境下的使用性能 功能材料功能材料 低维材料低维材料 纳米材料纳米材料 环境材料环境材料现在学习的是第5页，共73页材料科学涉及的领域材料科学涉及的领域 电子器件电子器件 功能材料功能材料 结构材料结构材料 纳米材料纳米材料 环境材料环境材料 化学，化工，地质，冶金，机械，仪器仪表，航空化学，化工，地质，冶金，机械，仪器仪表，航空航天，自动化控制，核能，建材等领域航天，自动化控制，核能，建材等领域现在学习的是第6页，共73页如何入手如何入手?材料科学的研究基点材料科学的研究基点 材料科学与工程的基本要素材料科学与工程的基本要素 组织结构、成分、加工制备、性能。前面三者共同支撑组织结构、成分、加工制备、性能。前面三者共同支撑“性能性能”。现在学习的是第7页，共73页钻石与石墨的故事钻石与石墨的故事 有一位声名显赫的物理学家，有一天早上出门，太太要求有一位声名显赫的物理学家，有一天早上出门，太太要求他买回来一粒闪亮的钻石，作为结婚纪念日的礼物。他买回来一粒闪亮的钻石，作为结婚纪念日的礼物。那个物理学家答应了。等他晚上回家时，太太满心期望那个物理学家答应了。等他晚上回家时，太太满心期望地等在门口，但他将一根铅笔，递到太太的手上。这难道就是钻地等在门口，但他将一根铅笔，递到太太的手上。这难道就是钻石吗？石吗？太太的鼻子都差点气歪了，但那位物理学家却一本正经地说太太的鼻子都差点气歪了，但那位物理学家却一本正经地说道：道：“难道你不知道吗？钻石与铅笔里面的石墨，都是同一样物难道你不知道吗？钻石与铅笔里面的石墨，都是同一样物质啊。质啊。”“哼，你骗我，钻石可是世界上最坚硬昂贵的东西，而石墨，哼，你骗我，钻石可是世界上最坚硬昂贵的东西，而石墨，既便宜又柔软，两者怎么可能混为一谈呢？既便宜又柔软，两者怎么可能混为一谈呢？”于是，太太大发脾气，而且一定让丈夫明天买一粒又大又亮的钻于是，太太大发脾气，而且一定让丈夫明天买一粒又大又亮的钻石，才能算数。石，才能算数。现在学习的是第8页，共73页钻石、石墨、富勒烯钻石、石墨、富勒烯钻石、石墨、富勒烯钻石、石墨、富勒烯C C6060现在学习的是第9页，共73页制品与材料特性的关系制品与材料特性的关系现在学习的是第10页，共73页如何入手如何入手材料科学的研究基点材料科学的研究基点 材料的四要素材料的四要素 结构决定材料的性能是自然界的永恒规律结构决定材料的性能是自然界的永恒规律 组织结构由成分与生产工艺决定组织结构由成分与生产工艺决定 确定的组织及成分必须通过一定的合成加工手段来确定的组织及成分必须通过一定的合成加工手段来实现实现 确定的组织及成分必须通过分析研究发现，进而通过确定的组织及成分必须通过分析研究发现，进而通过改进加工工艺来实现改进加工工艺来实现现在学习的是第11页，共73页现在学习的是第12页，共73页材材料料设设计计的的工工作作范范围围现在学习的是第13页，共73页课程学习内容课程学习内容第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 X X射线衍射原理射线衍射原理 X X射线衍射强度射线衍射强度 X X射线衍射方法射线衍射方法 X X射线物相分析及其应用射线物相分析及其应用第二章第二章 电子显微镜电子显微镜第三章第三章 热分析热分析第四章第四章 红外、紫外吸收光谱法红外、紫外吸收光谱法实验教学实验教学现在学习的是第14页，共73页课程学习方法课程学习方法 该课程基于该课程基于X X光及光电子微粒与材料的相互作用，光及光电子微粒与材料的相互作用，讲授利用讲授利用衍射、反射衍射、反射等物理现象，对材料的微观结等物理现象，对材料的微观结构、成分组成、物相结构进行分析研究的各种现代构、成分组成、物相结构进行分析研究的各种现代分析方法。既学习掌握分析方法。既学习掌握基础理论知识基础理论知识，又要掌握常，又要掌握常用的用的X X光衍射、扫描电镜、光谱、热分析等现代化检测光衍射、扫描电镜、光谱、热分析等现代化检测设设备的使用操作备的使用操作，注重，注重理论与实践的结合理论与实践的结合。教学内容进行了部分调整，提纲挈领、教学内容进行了部分调整，提纲挈领、记好笔记记好笔记、及时复习及时复习。勤于思维，善于动手，在操作分析中验证。勤于思维，善于动手，在操作分析中验证学习相关理论，在进一步学习相关理论的基础上拓宽思学习相关理论，在进一步学习相关理论的基础上拓宽思维，活学活用。维，活学活用。现在学习的是第15页，共73页学习要点：学习要点：3 3个问号个问号？是什么是什么 涵义涵义？为什么为什么 原理原理？做什么做什么 应用应用现在学习的是第16页，共73页前言前言 材料分析测试方法是关于材料分析测试方法是关于材料成分材料成分、结构结构、微观形貌微观形貌与与缺陷缺陷等的等的分析分析、测试技术测试技术及其有关及其有关理论理论基础。基础。分类分类 基于电磁辐射及运动电子束和物质相互作用的各种性质基于电磁辐射及运动电子束和物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已经成为材料分析测试方法的重要建立的各种分析方法已经成为材料分析测试方法的重要组成部分，大体可分为组成部分，大体可分为衍射分析衍射分析、光谱分析光谱分析、能谱分能谱分析析和和电子显微分析电子显微分析四大类方法。四大类方法。现在学习的是第17页，共73页前言前言 (1)(1)衍射分析衍射分析是以材料结构分析为基本目的的分析方法，是以材料结构分析为基本目的的分析方法，包括包括X X射线衍射分析、电子衍射分析和中子衍射分析等。射线衍射分析、电子衍射分析和中子衍射分析等。(2)(2)光谱分析光谱分析是以材料成分分析为基本目的的分析是以材料成分分析为基本目的的分析方法，包括各种吸收光谱分析方法、发射光谱分析方方法，包括各种吸收光谱分析方法、发射光谱分析方法和散射光谱法和散射光谱(拉曼散射谱拉曼散射谱)分析方法。分析方法。现在学习的是第18页，共73页前言前言 (3)(3)能谱分析能谱分析是以是以材料成分分析材料成分分析为基本目的的分析方为基本目的的分析方法，包括法，包括光电子能谱光电子能谱、俄歇电子能谱、离子中和谱和电、俄歇电子能谱、离子中和谱和电子能量损失谱。子能量损失谱。(4)(4)电子显微分析电子显微分析是以材料是以材料微观形貌微观形貌、结构结构与与成分分成分分析析为基本目的。其中的一些分析方法也可归于光谱分析为基本目的。其中的一些分析方法也可归于光谱分析(如电子探针如电子探针)、能谱分析、能谱分析(如电子激发俄歇能谱如电子激发俄歇能谱)和衍射分和衍射分析析(如电子衍射如电子衍射)等范畴。透射电子显微镜分析和扫描电子等范畴。透射电子显微镜分析和扫描电子显微分析及电子探针分析是基本的电子显微分析方法。显微分析及电子探针分析是基本的电子显微分析方法。现在学习的是第19页，共73页第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析 材料研究方法的研究对象是材料的材料研究方法的研究对象是材料的组织组织、成分及结构成分及结构；采用的手段及方法是基于检测对象对采用的手段及方法是基于检测对象对电磁波及特征射线电磁波及特征射线的反应；的反应；基础是材料的基础是材料的结构结构及及电磁辐射电磁辐射。现在学习的是第20页，共73页 1895 1895年，德国物理学家伦琴发现年，德国物理学家伦琴发现X X射线并对其进行射线并对其进行了研究。了研究。18961896年，在年，在NatureNature上发表论文，指出上发表论文，指出x x射射线的几个特点：可以被线的几个特点：可以被吸收吸收且吸收的程度与且吸收的程度与被辐射物质被辐射物质的原子量和密度有关；轻元素物质对的原子量和密度有关；轻元素物质对x x射线几乎射线几乎透明透明，重元素物质对重元素物质对X X射线有不同程度吸收；能产生射线有不同程度吸收；能产生荧光荧光，使，使照相底片感光。照相底片感光。伦琴并未指出伦琴并未指出x x射线的本质是什么射线的本质是什么?现在学习的是第21页，共73页19121912年，法国物理学家劳厄提出年，法国物理学家劳厄提出2 2个假设：个假设：x x射线是电磁波；射线是电磁波；x x射线能产生衍射。射线能产生衍射。上述假设通过硫酸铜单晶衍射实验得到证实。上述假设通过硫酸铜单晶衍射实验得到证实。同时期，英国布拉格父子从反射角度提出设想：用同时期，英国布拉格父子从反射角度提出设想：用x射线照射晶射线照射晶体中一系列相互平行原子面将会产生反射，并认为只有反射线相互叠加时体中一系列相互平行原子面将会产生反射，并认为只有反射线相互叠加时反射才能发生，相互抵消时反射并不存在（反射才能发生，相互抵消时反射并不存在（反射的选择性反射的选择性）。并推导出）。并推导出了布拉格方程：了布拉格方程：1913年，布拉格用年，布拉格用X分光计首次测出了分光计首次测出了NaCl晶体结构。晶体结构。现在学习的是第22页，共73页通过这些研究，通过这些研究，x x射线学出现了射线学出现了2 2个分支：个分支：根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化相关的各种问题究与结构和结构变化相关的各种问题 X X射线衍射学射线衍射学根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下测定各种物根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下测定各种物质发出的质发出的x x射线的波长和强度，研究物质的原子结构和成分射线的波长和强度，研究物质的原子结构和成分 X X射线光谱学射线光谱学现在学习的是第23页，共73页第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 二、二、X X射线谱射线谱 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 四、四、X X射线的探测与防护射线的探测与防护现在学习的是第24页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础1.1.原子的组成原子的组成 原子原子 (Atom)(Atom)原子核原子核+核外电子核外电子 电子电子 波波-粒二象性粒二象性 轨道非固定轨道非固定，几率最大的，几率最大的 分布构成分布构成电子云层电子云层，近似，近似 认为核外电子在各自的轨认为核外电子在各自的轨 道道(称原子轨道称原子轨道)上运动并上运动并 用用“电子电子(壳壳)层层”形象化描形象化描 述电子的分布状况述电子的分布状况 现在学习的是第25页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础2.2.原子的激发原子的激发 (1)1)基态基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡利不原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则，分布于各能级上，处于能量最相容原理、洪特规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。低状态，称为基态。泡利不相容原理泡利不相容原理：原子中每个电子必须有：原子中每个电子必须有独自独自一组一组四个四个量子数量子数，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；电子；现在学习的是第26页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础现在学习的是第27页，共73页例：一个原子中不会存在四个量子数完全相例：一个原子中不会存在四个量子数完全相同的电子，这句话说明了原子的核外电子的同的电子，这句话说明了原子的核外电子的排布遵循下列哪个原则（排布遵循下列哪个原则（）A.A.泡利不相容原理泡利不相容原理 B.B.洪特规则洪特规则C.C.能量最低原则能量最低原则 D.D.鲍林近似能级图鲍林近似能级图现在学习的是第28页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础能量最低原则能量最低原则：电子总是按：电子总是按能量最低能量最低的状态的状态分布。分布。洪特规则洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：基态多电子原子的电规则。其基本原则是：基态多电子原子的电子总是首先子总是首先自旋平行地自旋平行地、单独地单独地填入简并轨填入简并轨道道 。现在学习的是第29页，共73页现在学习的是第30页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础(2)(2)激发态、激发激发态、激发 原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。激发条件激发条件：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定 吸收能量等于两能级能量差。吸收能量等于两能级能量差。愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈远离，愈远离，愈高，愈高，不稳定。不稳定。电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能高能级轨道（吸收能量）量）现在学习的是第31页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（3 3）激发能激发能电子激发前后所处能级（能量）之差。电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳不稳 定定，存在，存在10108 810101010s s后返回基态。后返回基态。（4 4）电子（能级）跃迁电子（能级）跃迁原子中电子受激向高能级跃迁或由高向低能原子中电子受激向高能级跃迁或由高向低能级的跃迁。级的跃迁。分为：分为：辐射跃迁辐射跃迁多余能量以电磁辐射形式放出；多余能量以电磁辐射形式放出；无辐射跃迁无辐射跃迁多余能量转化为内能。多余能量转化为内能。（5 5）电离能电离能使原子中电子脱离原子核束缚的能量（使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eVeV）分为一次电离、二次电离等。分为一次电离、二次电离等。现在学习的是第32页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础一次电离：原子失去一个电子一次电离：原子失去一个电子二次电离：失去一个电子的离子再失去一个二次电离：失去一个电子的离子再失去一个电子电子依次类推，可发生三次电离、四次电离依次类推，可发生三次电离、四次电离现在学习的是第33页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础3 3辐射的吸收与发射辐射的吸收与发射 电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射散射，部分被部分被吸收吸收，部分被，部分被透过透过。现在学习的是第34页，共73页（1 1）辐射的吸收实质辐射的吸收实质：吸收辐射光子能量发生粒子的：吸收辐射光子能量发生粒子的能级能级 跃迁，跃迁，h h =E=E=E=E2 2E E1 1 不同物质因能级跃迁类型不同不同物质因能级跃迁类型不同对辐射的吸收不对辐射的吸收不同同能级跃迁不同能级跃迁不同辐射被吸收程度对辐射被吸收程度对或或的分的分布布吸收光谱不同。吸收光谱不同。现在学习的是第35页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础现在学习的是第36页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础光电效应：光电效应：以光子激发原子所产生的激发和以光子激发原子所产生的激发和辐射过程称为光电效应。辐射过程称为光电效应。现在学习的是第37页，共73页现在学习的是第38页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（2）辐射的发射）辐射的发射 物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。物质的激发方式：物质的激发方式：非光激发非光激发 热激发热激发电弧电弧、火焰等产生热粒子碰撞、火焰等产生热粒子碰撞 电激发电激发电场加速电子轰击电场加速电子轰击 电磁辐射电磁辐射 一次光子一次光子 激发源光子激发源光子（光）激发（光）激发 二次光子二次光子 跃迁后发射光子（荧光或磷光）跃迁后发射光子（荧光或磷光）现在学习的是第39页，共73页物质粒子发射辐射的强度对物质粒子发射辐射的强度对或或的分布称为的分布称为发射光谱，光致发光则称为发射光谱，光致发光则称为荧（磷）光光谱荧（磷）光光谱，不同物质具有特定的特征发射光不同物质具有特定的特征发射光 谱谱；荧光吸；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（收一次光子与发射二次光子的时间短（108104），而磷光的时间长，在），而磷光的时间长，在10410s间。间。现在学习的是第40页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 分子发光分子发光：处于基态的分子吸收能量：处于基态的分子吸收能量(电、热、化电、热、化学和光能等学和光能等)被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回被激发至激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析包括荧至基态并发射出光子，此种现象称为发光。发光分析包括荧光、磷光、化学发光、生物发光等。光、磷光、化学发光、生物发光等。荧（磷）光光谱：荧（磷）光光谱：光致发光所得到的光谱光致发光所得到的光谱现在学习的是第41页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础（3 3）光谱的分类光谱的分类 吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为分为原子光谱原子光谱与与分子光谱分子光谱。由于物质微粒能级跃迁的类型不同由于物质微粒能级跃迁的类型不同能级差不同能级差不同吸收与发射谱波长范围不同吸收与发射谱波长范围不同红外、紫外、可见光、红外、紫外、可见光、X X射线谱。射线谱。现在学习的是第42页，共73页一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础按强度对波长的分布分为：按强度对波长的分布分为：线光谱：线光谱：某些特征波长位置有很高的狭仄谱线，有特征信某些特征波长位置有很高的狭仄谱线，有特征信息息带光谱：带光谱：多条波长相近的谱线形成的谱带，有特征信息多条波长相近的谱线形成的谱带，有特征信息连续光谱：连续光谱：强度对波长连续分布，无特征信息，在光谱分析强度对波长连续分布，无特征信息，在光谱分析中，易遮盖特征谱，干扰分析中，易遮盖特征谱，干扰分析现在学习的是第43页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱1 1X X射线的产生原理射线的产生原理 阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰撞产生（撞产生（1 1能量），其余能量），其余9999转为热能。转为热能。2 2X X射线产生条件射线产生条件 1 1）产生自由电子）产生自由电子 2 2）使电子做定向高速运动）使电子做定向高速运动 3 3）运动路径设置使其突然减速的障碍物）运动路径设置使其突然减速的障碍物 现在学习的是第44页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱3 3X X射线管射线管 相当于一个真空度为相当于一个真空度为10105 510107 7mmHgmmHg的大真空二极管的大真空二极管 （1 1）基本组成）基本组成 1 1）阴极阴极：W W丝制成，发射热电子。丝制成，发射热电子。2 2）阳极阳极：亦称靶：亦称靶使电子突然减速，发射使电子突然减速，发射X X射线。射线。常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等现在学习的是第45页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱3 3）窗口窗口X X射线从阳极向外射出区射线从阳极向外射出区，铍制铍制，高真空高真空，对对X X 射线吸收小。射线吸收小。4 4）焦点焦点阳极靶被电子轰击发射出阳极靶被电子轰击发射出X X射线处。射线处。现在学习的是第46页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱4 4X X射线分类射线分类（0.010.01100100）（1 1）硬硬X X射线射线波长较短，能量较高，穿透力强，波长较短，能量较高，穿透力强，用于无损探伤（用于无损探伤（0.050.051 1）及金属的物相分析（）及金属的物相分析（0.50.52.5 2.5）。）。（2 2）软软X X射线射线（1010100100）：穿透力弱，主要用于医学。）：穿透力弱，主要用于医学。现在学习的是第47页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱5 5X X射线谱射线谱 指指X X射线强度随波长变化的关系曲线，分为：射线强度随波长变化的关系曲线，分为：（1 1）连续连续X X射线谱射线谱 1 1）定义：具有连续波长，）定义：具有连续波长，亦称多色亦称多色X X射线。为高速运动射线。为高速运动 的电子被靶突然阻止而产生，的电子被靶突然阻止而产生，绝大多数电子绝大多数电子经历多次碰撞经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，产生能量各不相同的辐射，形成连续谱。形成连续谱。现在学习的是第48页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱连续波在短波方向上有一波长极限连续波在短波方向上有一波长极限（0），），是指光子是指光子 一次碰撞就耗尽能量一次碰撞就耗尽能量所产生的所产生的X射线。射线。eU=hmax=hc/0 0=hc/eU=1.24/U(nm)e电子电荷，等于电子电荷，等于1.61019 C；U电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降；h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.6261034 Js 现在学习的是第49页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱UImax在在1.50处，此时波长记处，此时波长记为为m现在学习的是第50页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱3）X射线强度射线强度 指垂直于指垂直于X射线传播方向的单位面积在单位时间内所射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。通过的光子数目的能量总和。用用I表示，单位表示，单位 J/cm2.s。I由光子能量由光子能量h及其数目及其数目n共同决定共同决定:Inh 现在学习的是第51页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱 连续连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶射出射线的总强度，也是阳极靶射出X射线的总能射线的总能量：量：I连连iZUm i电流；电流；U电压；电压；m2；Z原子序数；原子序数；（1.11.4）10-9 阳极靶只能影响连续谱的强度，阳极靶只能影响连续谱的强度，不能影响不能影响其波长分布。其波长分布。现在学习的是第52页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱（射线管效率）（射线管效率）I连连/功率功率iiZU2/iUiZU i（1.11.4）10-9 当使用钨阳极（当使用钨阳极（Z=74），管电压为），管电压为100KV，=1%，可见效率低，多发热，故要用可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极高熔点金属做阳极且水冷。且水冷。现在学习的是第53页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱：a、同一阳极靶，管电压、同一阳极靶，管电压U不变，不变，提高管电流提高管电流i，各波长，各波长射线的强度射线的强度I 提高，但提高，但0和和m不变不变；b、提高管电压提高管电压（i、Z不变），各波长射线的不变），各波长射线的I增大，增大，但短波限但短波限0 和强度最大时对应的和强度最大时对应的m减小减小；c、U与与i相同时，原子序数相同时，原子序数Z越高，连续谱的越高，连续谱的I越大，但越大，但0和和m不变不变现在学习的是第54页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱：在连续谱基础上：在连续谱基础上 叠加若干条具有一定波长的叠加若干条具有一定波长的 谱线，这些谱线强度峰的谱线，这些谱线强度峰的波波 长反应了物质原子序数的特长反应了物质原子序数的特 征，征，所以叫所以叫；由；由 特征射线组成的谱线叫特征射线组成的谱线叫。：产生特征：产生特征X射线射线 的最低电压的最低电压UK临界电压临界电压。现在学习的是第55页，共73页二、二、X射线的产生及射线的产生及X射线谱射线谱2）特征）特征：电压达到电压达到U临界临界时，时，特征谱特征谱 线的线的不变不变，强度按强度按n次方的次方的 规律增大规律增大。即：波长反映了。即：波长反映了 原子序数的特征。原子序数的特征。如如:钼靶钼靶K系特征系特征X射线有两个强度高峰射线有两个强度高峰K和和K，波长分，波长分为为0.71和和0.63.I特特/I连连在在U/U临界临界35 时最大时最大。现在学习的是第56页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 如：如：K K层电子被击出层电子被击出 时，系统能量由基态时，系统能量由基态 升高到升高到K K激发态，高激发态，高 能层电子向能层电子向K K层空位层空位 填充时，产生填充时，产生K K系辐系辐 射；把其中射；把其中L L层电子层电子 填充空位称为填充空位称为K K辐射辐射 M M层电子填充空位产层电子填充空位产 生生K K辐射。辐射。现在学习的是第57页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 由能级知由能级知K K辐射光子能量大于辐射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K层与层与L L层为相邻层为相邻能级，能级，L L填充几率大填充几率大，故实际，故实际K K强度约为强度约为K K强度的强度的5 5倍倍。同理，同理，L L层电子被激发而产生的特征层电子被激发而产生的特征X X射线称为射线称为L L系辐射系辐射或或L L系射系射线，线，L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K K11和和K K22的关系是的关系是 K1K1K2K2，I IK1K12I2IK2K2 对于多重线系，如对于多重线系，如L L2 2及及L L3 3层电子向层电子向K K层跃迁，形成的层跃迁，形成的KK有如下有如下关系关系 ：KK2/32/3K1K1+1/3+1/3K2K2 现在学习的是第58页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱莫塞莱定律莫塞莱定律 莫塞莱定律莫塞莱定律:标识特征标识特征X X射线谱的频率和波长只取决射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。莫塞莱定律：标识特征莫塞莱定律：标识特征X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序与原子序数数Z Z的关系为：的关系为：1/()C Z 现在学习的是第59页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单的单 色光源，即色光源，即I I特特I I连连尽可能高。为了使尽可能高。为了使K K系谱线突出系谱线突出，x x射线管适宜的工作电压一般比射线管适宜的工作电压一般比K K系激发电压高系激发电压高3 35 5倍，即：倍，即：U U工作工作=（3 35 5）U U临界临界（即（即U UK K）；下表给出常用）；下表给出常用x x射线管的适射线管的适宜工作电压及特征谱波长等数据。宜工作电压及特征谱波长等数据。现在学习的是第60页，共73页二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱现在学习的是第61页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束其能量转换而言，一束X X光通过物质时，分为三部分：光通过物质时，分为三部分：散散射射、吸收吸收、透过透过。现在学习的是第62页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1 1X X射线的散射射线的散射 X X射线被物质散射时，产生射线被物质散射时，产生相干散射相干散射和和非相干散射非相干散射。（1 1）相干散射：物质中电子在）相干散射：物质中电子在X X射线作用下振动，射线作用下振动，产生的产生的新电磁波波长和频率相同新电磁波波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。现象，发生相干散射。（2 2）非相干散射特征：）非相干散射特征：X X射线光子与射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹生非弹 性碰撞性碰撞使波长增大；使波长增大；电子获得能量成为反冲电子；电子获得能量成为反冲电子；位向差不恒定，无干涉发生。位向差不恒定，无干涉发生。现在学习的是第63页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2 2X X射线的吸收射线的吸收 X X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁，发生发物质中原子内部的电子跃迁，发生X X射线的光电效应射线的光电效应和俄歇效应。和俄歇效应。（1 1）二次特征辐射）二次特征辐射 当入射当入射x x射线光子射线光子能量达到某一阈值能量达到某一阈值可击出物质原子可击出物质原子内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的值相应的波长称为物质的吸收限吸收限,亦称为亦称为K K系特征辐射的系特征辐射的激激发限发限，用，用K K代表。代表。现在学习的是第64页，共73页产生光电效应的条件：产生光电效应的条件：X X射线光子波长必须小射线光子波长必须小于于吸收限吸收限k k。辐射条件：激发限辐射条件：激发限K K=1.24/U=1.24/UK K （nmnm）U UK K把原子中把原子中K K壳层电子击出原轨道所需壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；要的最小激发电压；现在学习的是第65页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 K在讨论光电效应产生的条件时叫做在讨论光电效应产生的条件时叫做K系激发限系激发限；若；若讨论讨论x射线被物质吸收射线被物质吸收(光电吸收光电吸收)时，又可把时，又可把K叫叫吸收限吸收限。推导推导:为产生为产生K系荧光辐射，入射光子的能量系荧光辐射，入射光子的能量h必须大必须大于或等于于或等于K层层 电子的逸出功电子的逸出功WK，即即hhc/eUK hc/eUK=1.24/UK=K 现在学习的是第66页，共73页说明：当入射说明：当入射x射线波长刚好小于等于射线波长刚好小于等于K时，时，可发生此种物质对波长为可发生此种物质对波长为k的的X射线的强烈吸射线的强烈吸收，而且正好在收，而且正好在K1.24UK时吸收最为时吸收最为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。最严重。现在学习的是第67页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用（2）X射线的吸收射线的吸收 X射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。向强度必定减弱。现在学习的是第68页，共73页1）朗伯定律朗伯定律：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减光强的衰减 程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（与介质的厚度（t）成）成 正比。正比。dIt/It=-dt 比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射物质对入射X 射线的衰减系数，亦称为线衰减系数。射线的衰减系数，亦称为线衰减系数。上式积分得：上式积分得：It=I0e-t t为介质厚度；为介质厚度；I/I0称为穿透系数称为穿透系数 It透射强度；透射强度；I0入射线的强度入射线的强度 的物理意义：单位长度物质引起的相对衰减量。的物理意义：单位长度物质引起的相对衰减量。现在学习的是第69页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用2）质量吸收（衰减）系数质量吸收（衰减）系数m 若若为物质的密度，为物质的密度，表示表示X射线通过单位长度物质时强射线通过单位长度物质时强度的衰减。设度的衰减。设m/，称，称m为质量吸收系数；则：为质量吸收系数；则：It=I0e-tm m的物理意义：的物理意义：X射线通过单位面积，单位质量物质后射线通过单位面积，单位质量物质后强度的相对衰减量。强度的相对衰减量。各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有质，有 m K3Z 3 K常数常数 入射波长入射波长 Z原子原子序数序数现在学习的是第70页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用吸收限与质量吸收的关系：吸收限与质量吸收的关系：吸收限由吸收限由光电效应光电效应引起，由于存在引起，由于存在k，使，使m随随的的变化不连续，其间被尖锐的突变分开。变化不连续，其间被尖锐的突变分开。吸收限与原子能级的精细结构对应。吸收限与原子能级的精细结构对应。现在学习的是第71页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用3）复杂物质的质量吸收系数）复杂物质的质量吸收系数 若由若由n个元素组成，则个元素组成，则 （m）j元素元素j的质量衰减系数；的质量衰减系数；wj元素元素j的质量分数。的质量分数。现在学习的是第72页，共73页三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用吸收限的应用：吸收限的应用：可利用可利用K=1.24/VK计算激发电压计算激发电压 滤波片的选择滤波片的选择 a、使滤波片吸收限位于辐射源的、使滤波片吸收限位于辐射源的K和和K间尽量靠近间尽量靠近K，强烈吸收，强烈吸收K；b、因滤片厚对、因滤片厚对K吸收增大，吸收增大，K强度减小到一半时，强度减小到一半时，K/K将由滤前将由滤前 1/51/500,故尽量将故尽量将K吸收一半；吸收一半；c、实验确定：、实验确定：Z靶靶40时，时，Z片片Z靶靶1 Z靶靶40时，时，Z片片Z靶靶2现在学习的是第73页，共73页