X射线衍射物相定性分析.pptx
1Outline IntroductionMaterials CharacterizationComparison of some test methodsXRDHistory retrospectionNature and production of X rayInteraction of X rays and materials第1页/共66页2What is Materials Science and Engineering?nMaterials science investigates the relationships that exist betweenthe structure and properties of materials Materials engineering engineers the structure of materials toproduce substances with a predetermined set of properties第2页/共66页3过程Processing结构Structure性能 效能 Properties结构形成过程结构形成过程“材料工艺材料工艺”中心环节中心环节构件、器件的制备构件、器件的制备 “材料选择材料选择”PerformancenMaterials Science and EngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-Property Linkages第3页/共66页4MSE develops from physics,chemistry and mathematics,and is a bridge between science and engineering.The physics and chemistry are needed to understand why Materials behave in certain ways.第4页/共66页5研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等研究技术。为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程.“Seeing”is believing“Seeing”is believingMSE and Materials Characterization材料科学与工程和材料表征第5页/共66页6Materials CharacterizationMaterials CharacterizationElemental AnalysisPhase identificationPhase transformationStructure at different levels,Macro to molecules and atomsSurface,interfaceMicroscopy,spectroscopy and analysis,diffraction and imaging,thermal methods第6页/共66页7多层次的物质结构多层次的物质结构Matters are organized differently at different length scale.宏观：宏观：Macroscopic(0.1mm)Macroscopic(0.1mm)Structure elements on the scale visible Structure elements on the scale visible with human eye.with human eye.微观：微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grain or other mesoscopic objects Grain or other mesoscopic objects consisting of a group of atoms and consisting of a group of atoms and observable with a light microscopeobservable with a light microscope 介观：介观：Mesoscopic(1-100nm)Mesoscopic(1-100nm)Structure between atomic and Structure between atomic and microscopicmicroscopic 原子：原子：Atomic(0.1-1 nm)Atomic(0.1-1 nm)Arrangement of atoms in materials,Arrangement of atoms in materials,electronic bondingselectronic bondings 亚原子：亚原子：Subatomic(0.1 nm)Subatomic(0.1 nm)Electrons,protons,neutronsElectrons,protons,neutrons材料科学研究范畴Domain of material science第7页/共66页8Materials CharacterizationMaterials CharacterizationElemental AnalysisPhase identificationPhase transformationStructure at different levels,Macro to molecules and atomsSurface,interfaceMicroscopy,spectroscopy and analysis,diffraction and imaging,thermal methods第8页/共66页9材料研究需要各种分析表征手材料研究需要各种分析表征手段，要求我们掌握它们的原理段，要求我们掌握它们的原理并在实践中加以灵活运用。并在实践中加以灵活运用。第9页/共66页10材料的分析与表征原理材料的分析与表征原理Materials Characterization材料信号输入信号输出材料与输入信号相互作用，产生输出信号。比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。第10页/共66页11材料的分析与表征材料的分析与表征Materials Characterization信号输入信号输出光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光 等材料了解掌握和灵活运用各种表征手段。光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光 等第11页/共66页12元素化学分析 elemental analysis元素种类与含量（定性定量），不能反映原子之间的化学结合状态。在大多情况下不能满足材料研究需要。如材料中广泛存在同素异构现象。常见元素分析方法有化学分析法、荧光x射线分析、光谱法（原子吸收、发射等)离子探针微区分析、电子探针微区分析、X射线光电子能谱等。相分析方法 phase analysis反映元素的化学结合状态。“相”的概念与物理化学中“相”的概念有区别。常见分析方法有光学显微镜、电子显微镜、热分析、x射线衍射物相分析（定性、定量）等。几种分析方法的局限与对比第12页/共66页13材料相定量分析方法比较Qs:哪几种相、某种物质的结晶状态、各相的含量岩相法petrographic analysis观察显微镜多个视域各相所占的面积，经统计并折算为体积或重量百分数。费时费力，精度不高，对组分不均匀的材料，试样和视域的选择均影响分析结果。（5%）化学相分析法chemical analysis特种溶剂对各组分选择性溶解使各相分开。由于同一溶剂对不同相不易做到绝对的溶解或不溶，往往难以建立完整的方法而作为其他方法的补充。X-射线衍射物相定量分析 X-ray diffraction根据相含量与衍射线强度的关系定量。快速、简便。对简单系统，精度能满足要求。第13页/共66页14第14页/共66页15X射线的发展史射线的发展史1895年年，德国物理学家，德国物理学家Rntgen （伦琴）伦琴）在研究阴极在研究阴极射线时发现了射线时发现了X射线（射线（1901年年获得首届诺贝尔奖）获得首届诺贝尔奖）1912年年，德国的，德国的Laue(Laue(劳厄劳厄)第一次成功地进行第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科式。从而形成了一门新的学科X射线衍射晶体学。射线衍射晶体学。（1914年年获得诺贝尔奖）获得诺贝尔奖）1913年年，英国，英国BraggBragg（布喇格父子）（布喇格父子）导出导出X X射线晶体结射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaClNaCl的晶体结构。（的晶体结构。（1915年年获得诺贝尔奖获得诺贝尔奖)第15页/共66页16X射线的发展史射线的发展史1917年年,巴克拉巴克拉发现元素的标识发现元素的标识X射线；射线；1924年年,塞格巴恩塞格巴恩创立了创立了X射线光谱学；射线光谱学；1936年年，德拜德拜、1946年年，马勒马勒，1979年年，柯马克柯马克等人由于在等人由于在X射线及其射线及其应用方面研究而获得应用方面研究而获得化学化学，生理生理，物理物理诺贝尔奖；诺贝尔奖；有机化学家有机化学家豪普物曼豪普物曼和和卡尔勒卡尔勒在在5050年代后建立了应用年代后建立了应用X射线分析以直接法射线分析以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获要推进作用，他们因此获19851985年年诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。第16页/共66页171、衍射分析技术的发展、衍射分析技术的发展与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 第17页/共66页18X 射线应用技术X 射线形貌技术（Radiography）医学诊断、治疗、工业探伤X 射线光谱技术（Spectrum）元素分析X 射线衍射技术 （X ray Diffraction-XRD）相分析、结构分析等第18页/共66页19 课程要求和内容提纲课程要求和内容提纲n理解XRD和仪器工作原理，熟练掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。n X射线的物理基础射线的物理基础n 晶体结构基础知识晶体结构基础知识n X射线衍射几何条件和衍射线强度射线衍射几何条件和衍射线强度n X射线衍射仪射线衍射仪n X射线衍射物相定性分析原理及应用射线衍射物相定性分析原理及应用第19页/共66页20第一章第一章 X射线的物理基础射线的物理基础The nature of X raysThe production and detectionThe spectrum of X raysInteraction of X-rays with materialsSafety 第20页/共66页211.The Nature of X rays1.The Nature of X rays X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为102到102埃的范围。（如右图所示）第21页/共66页22波粒二相性properties of both waves and properties of both waves and particlesparticles波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质相互作用现象，用动能和动量表征。波粒二相性公式：E=hv=h.c/，P=h/第22页/共66页23 由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。能量与强度 Energy and IntensityEnergy and Intensity能量：E=hv=h.c/（与波长成反比，频率成正比）与穿透能力相关。强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积 上在单位时间内所通过的光子数目光子数目的能能量总和。量总和。常用的单位是J/cm2.s.强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.第23页/共66页242.Production of X Rays2.Production of X RaysX X射线源射线源X 射线源X射线管发出的射线管发出的X X射线射线（最多）（最多）X ray tube-Thermal cathode synchronization acceleration同步辐射源同步辐射源第24页/共66页25X ray tube第25页/共66页26Working of X ray tube第26页/共66页27第27页/共66页28第28页/共66页293.X3.X Ray spectrum Ray spectrum X X射线谱射线谱 当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照经经典典电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续X射线。射线。Sudden deceleration of fast-moving particlesSudden deceleration of fast-moving particlesContinuous and characteristic X Ray Continuous and characteristic X Ray spectrumspectrum第29页/共66页30eV=eV0Continuous/white X Ray spectrumContinuous/white X Ray spectrum第30页/共66页31短波限短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于 静电单位；V电子通过两极时的电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于 相关习题：相关习题：第31页/共66页32相关习题相关习题试试计计算算用用50千千伏伏操操作作时时，X射射线线管管中中的的电电子子在在撞撞击击靶靶时时的的速速度度和和动动能能，所发射的所发射的X射线短波限为多少？射线短波限为多少？第32页/共66页33X射线的强度射线的强度 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:第33页/共66页34当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。连续X0,而不在0处。第34页/共66页35是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。第35页/共66页36特征特征/标识标识X射线谱射线谱根本原因：根本原因：原子原子内层内层电子的跃迁电子的跃迁高能电子撞击出靶材料原子的内层一个电子，被逐出电子的空位很快被高能电子撞击出靶材料原子的内层一个电子，被逐出电子的空位很快被外层的一个电子填占。而这个电子空位又被更外层来的电子占有，如此外层的一个电子填占。而这个电子空位又被更外层来的电子占有，如此一系列步骤使该电离原子恢复正常状态。每一步的电子跃迁产生特征一系列步骤使该电离原子恢复正常状态。每一步的电子跃迁产生特征X X射线。射线。第36页/共66页38K系激发机理系激发机理 第38页/共66页39标识标识X射线的射线的标识线分别为相邻电子层、隔层电子层、隔两层跃迁产生的特征线 K系x射线：其它电子层跃迁到K层产生。等 第39页/共66页40L层电子跃迁到K层的概率比其它电子层跃迁到K层的概率大，即单位时间辐射出的 光子数多。比临近连续X 射线强度大90倍左右，是 的45倍第40页/共66页41 Wave length-莫塞莱定律莫塞莱定律 标识X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，是是物物质质的的固有特性固有特性。且存在如下关系：莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：特征谱波长与靶材原子序数的平方成反比第41页/共66页42标识标识X射线的强度特征射线的强度特征 IntensityK系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的35倍时，连续谱造成的衍射背影最小。第42页/共66页434.x4.x射线与物质相互作用射线与物质相互作用Interaction between x rays and solid Interaction between x rays and solid substancessubstances X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；第43页/共66页44第44页/共66页45X射线的散射射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射；非相干散射。第45页/共66页46相干散射相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。X射线衍射 技术的基础第46页/共66页47非相干散射非相干散射 X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。第47页/共66页48X射线的吸收射线的吸收 物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。热能光电效应；俄歇效应。第48页/共66页49光电效应光电效应以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光荧光X射射线线。产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限吸收限k。第49页/共66页50俄歇效应俄歇效应原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出E-E能量，产生两种效应：(1)荧光X射线；(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。第50页/共66页51X射线的吸收及其应用射线的吸收及其应用 线吸收系线吸收系数数 1 质量吸收系质量吸收系数数 m质量质量吸收吸收系数与波长系数与波长及元素的关及元素的关系系 ：当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。式第51页/共66页52质量衰减系数质量衰减系数m 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系：K为常数x射线的波长愈长，或吸收体的原子序数愈大，x射线越容易被吸收；亦即x射线的波长越短，或者穿过原子序数越小的物质时，其穿透力越大第52页/共66页53计算举例：试问Cu靶Ka线经过10-3厘米厚的铜薄片和铅薄片，强度各减弱多少？已知对于x=10-3厘米的铜薄片：对于x=10-3厘米的铅薄片：强度减弱 1-0.623=37.7%强度减弱 1-0.065=93.5%第53页/共66页54Compound and solid solution元素吸收系数与其质量分数乘积之和物相定量分析的基础SiO2对Cu Ka线质量吸收系数计算举例：原子量：Si 28.09，O 16.0；质量吸收系数：Si 60.6，O 11.5（查表）已知则 SiO2质量吸收系数=(28.09*60.6+16*11.5)/(28.09+16.0)=34.45 cm2/g第54页/共66页55吸收限吸收限 m随的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为K吸收限。吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于时光子的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。第55页/共66页56滤波片的选择:(1)它的吸收限位于辐射源的K和K 之间，且尽量靠近K 。强烈吸收K，K吸收很小；(2)滤波片的以将K强度降低一半最佳。Z靶40时 Z滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。Z靶Z试样+1。第56页/共66页57第57页/共66页58X射线与物质相互作用热能透射X射线衰减后的强度I0散射X射线电子荧光X射线相干的非相干 的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应 光电效应第58页/共66页602-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护（1)X射线的探测；（2）X射线的安全防护。第60页/共66页61X射线的探测射线的探测荧光屏法；照相法；辐射探测器法：X射线光子对气体和某些固态物质的电离作用可以用来检查X射线的存在与否和测量它和强度。按照这种原理制成的探测X射线的仪器电离室和各种计数器。第61页/共66页62第62页/共66页63X射线的安全防护射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。第63页/共66页64Summary X ray spectrumInteraction with materials,absorption第64页/共66页65思考题X 射线的本质、性质X射线管工作原理？连续X射线谱是如何产生的？为什么有短波长极限，短波长极限与哪些因素有关？特征X射线谱是如何产生的？有何特点？标识方法？X射线与物质相互作用产生的信号种类及主要应用？第65页/共66页66感谢您的观看！第66页/共66页
