无机材料测试技术思考与练习题答案.docx

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1、无机材料测试技术思考与练习题答案1、X射线产生的基本条件是什么？X射线的性质有哪些?答：X射线产生的基本条件：(1)产生自由电子(2)使电子做定向高速运动(3)在其运动的途径上设置一个障碍物，使电子忽然减速。X射线的性质：X射线肉眼看不见，可使物质发出可见的荧光，使照相底片感光，使气体电离。X射线沿直线传播，经过电场或磁场不发生偏转，具有很强的穿透能力，可被吸收强度衰减，杀伤生物细胞。2、连续X射线谱及特征X射线谱的产生机理是什么？答：连续X射线谱的产生机理：当高速电子流轰击阳极外表时，电子运动忽然遭到阻止，产生极大的负加速度，一个带有负电荷的电子在遭到这样一种加速度时，电子周围的电磁场将发生

2、急剧的变化，必然要产生一个电磁波，该电磁波具有一定的波长。而数量极大的电子流射到阳极靶上时，由于到达靶面上的时间和被减速的情况各不一样，因而产生的电磁波将具有连续的各种波长，构成连续X射线谱。特征X射线谱的产生机理：当X射线管电压加大到某一临界值Vk时，高速运动的电子动能足以将阳极物质原子的K层电子给激发出来。于是低能级上出现空位，原子系统能力升高，处于不稳定的激发状态，随后高能级电子跃迁到K层空位，使原子系统能量降低重新趋于稳定。在这个经过中，原子系统内电子从高能级向低能级的这种跃迁，多余的能量将以光子的形式辐射出特征X射线。3、以表1.1中的元素为例，讲明X射线K系波长随靶材原子序数的变化

3、规律，并加以解释？答：根据莫赛莱定律，靶材原子序数越大，X射线K系波长越小。靶材的原子序数越大，对于同一谱系，所需激发电压越高，X射线K系波长越小。4、什么是X射线强度、X射线相对强度、X射线绝对强度？答：X射线强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上在单位时间内通过的光子数目的能量总和。5、为什么X射线管的窗口要用Be做，而防护X光时要用Pb板？答：，Be吸收系数和密度比拟小，强度透过的比拟大；而Pb吸收系数和密度比拟大，强度透过的比拟小。因而X射线管的窗口要用Be做，而防护X光时要用Pb板。6、解释X射线的光电效应、俄歇效应与吸收限，吸收限的应用有哪些？答：光电效应：X射线与物质作用，具有

4、足够能量的X射线光子激发掉原子K层的电子，外层电子跃迁填补，多余能量辐射出来，被X射线光子激发出来的电子称为光电子，所辐射的X射线称为荧光X射线，这个经过称为光电效应。俄歇效应：原子在X射线光子的作用下失掉一个K层电子，它所处状态为K激发态，当一个L2层电子填充这个空位后，就会有数值等于EL2-Ek的能量释放出来，当这个能量EL2-EkEL，它就有可能使L2、L3、M、N等层的电子逸出，产生相应的电子空位，而这被K荧光X射线激发出的电子称为俄歇电子，这个经过称为俄歇效应。7、讲明为什么对于同一材料其k答：根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L

5、层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以k的能量大于k的能量，k能量大于L的能量。因而在不考虑能量损失的情况下：1Cuk能激发Cuk荧光辐射；能量一样2Cuk能激发Cuk荧光辐射；kk3Cuk能激发CuL荧光辐射；kL9、试计算当管电压为50kV时，X射线管中电子在撞击靶面时的速度与动能，以及对所发射的连续谱的短波限和辐射光子的最大能量是多少?解：已知条件：U=50kv；电子静止质量m0=9.110-31kg；光速c=2.998108m/s；电子电量e=1.60210-19C；普朗克常数h=6.62610-34J?s电子从阴极飞出到达靶获得的总动能E=eU=1.60210-1

6、9C50kv=8.0110-18kJ由于E=m0v02/2，所以电子与靶碰撞时的速度为v0=(2E/m0)1/2=4.2106m/s连续谱的短波限0的大小仅取决于加速电压0(?)12400/v(伏)0.248?辐射出来的光子的最大动能为E0h?0hc/01.9910-15J10、计算0.071nm(MoK)和0.154nm(CuK)的X射线的振动频率和能量。解：对于某物质X射线的振动频率；能量W=h其中：C为X射线的速度2.99810m/s;为物质的波长；h为普朗克常量为6.625J对于Mo=W=h=对于Cu=W=h=11、欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是多少

7、？激发出的荧光辐射的波长是多少？解：eVk=hc/Vk=6.62610-342.998108/(1.60210-190.7110-10)=17.46(kv)0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.62610-34e为电子电荷，等于1.60210-19c故需加的最低管电压应17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。12、为使CuK的强度衰减1/2，需要多厚的Ni滤波片？解：由得t=0.00158cm13、试计算将Cu辐射中的IK/IK从7.5提高到600的Ni滤片厚度Ni对CuK的质量吸收系数m=350cm2/g。

8、解：又则t=7.6810-414、计算空气对CrK的质量吸收系数和线吸收系数假设空气中只要质量分数80的氮和质量分数20的氧，空气的密度为1.2910-3gcm3。解：m=0.827.70.240.1=22.16+8.02=30.18cm2/g=m=30.181.2910-3=3.8910-2cm-115、X射线实验室中用于防护的铅屏，其厚度通常至少为lmm，试计算这种铅屏对于CuK、MoK和60KV工作条件下从管中发射的最短波长辐射的透射因数各为多少？解：透射因数I/I0=e-mt，Pb=11.34gcm-3，t=0.1cm对CuK，查表得m=585cm2g-1，其透射因数I/I0=e-mt

9、=e-58511.340.1=7.82e-289=对MoK，查表得m=141cm2g-1，其透射因数I/I0=e-mt=e-14111.340.1=3.62e-70=16、用倒易点阵概念推导立方晶系面间距公式。解：dhkl与其倒易点阵中的倒易矢量长度成反比又由于立方晶系则因而17、利用倒易点阵概念计算立方晶系110和111面之间的夹角。18、布拉格方程式中各符号的物理意义是什么？该公式有哪些应用？布拉格方程各符号物理意义：知足衍射的条件为2dsin=nd为面间距，为入射线、反射线与反射晶面之间的交角，称掠射角或布拉格角，而2为入射线与反射线衍射线之间的夹角，称衍射角，n为整数，称反射级数，为入

10、射线波长。布拉格方程应用：布拉格方程是X射线衍射分布中最重要的基础公式，它形式简单，能够讲明衍射的基本关系，一方面是用已知波长的X射线去照射晶体，通过衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d，这就是构造分析X射线衍射学；另一方面是用一种已知面间距的晶体来反射从试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得X射线的波长，这就是X射线光谱学。该法除可进行光谱构造的研究外，从X射线的波长还可确定试样的组成元素。电子探针就是按这原理设计的。19、为什么讲劳厄方程和布拉格方程本质上是一样的?20、一束X射线照射在一个晶面上，除“镜面反射方向上可获得反射线外，在其他方向上有无反射线?为什么?与可见光的镜面反射有

11、何异同?为什么?答：有，知足布拉格方程的方向上都能反射。可见光的反射只在晶体表面进行，X射线的反射是知足布拉格方程晶体内部所有晶面都反射。21、-Fe属立方晶系，点阵参数a=0.2866nm。如用CrKX射线(=0.2291nm)照射，试求(110)(200)及(211)可发生衍射的掠射角。解：2sin=(110)(200)(211)22、衍射线的绝对强度、相对强度、累积强度(积分强度)的物理概念是什么?答：累积强度、绝对强度(积分强度)：某一组面网衍射的X射线光量子的总数。相对强度：用某种规定的标准去比拟各个衍射线条的强度而得出的强度相比照值，实际上是；由I累除以I0及一定的常数值而来。23

12、、影响多晶体衍射强度各因子的物理意义是什么?构造因子与哪些因素有关系?答：多重性因子、构造因子、角因子、温度因子和吸收因子。构造因子只与原子在晶胞中的位置有关，而不受晶胞的形状和大小的影响。24、某立方系晶体，其100的多重性因子是多少?如该晶体转变成四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化?为什么?答：立方系晶，其100的多重性因子是6：(100)、(00)、(010)、(00)、(001)、(00)；四方晶系，其100的多重性因子是4：(100)、(00)、(010)、(00)。25、金刚石晶体属面心立方点阵，每个晶胞含8个原子，坐标为(0，0，0)、(1/2，1/2，0)、(1/2

13、，0，1/2)、(0，1/2，1/2)、(1/4，1/4，1/4)、(3/4，3/4，1/4)、(3/4，1/4，3/4)、(1/4，3/4，3/4)，原子散射因子fa，求其系统消光规律(F2简化表达式)，并据此讲明构造消光的概念。解：26、有一四方晶系晶体，其每个单位晶胞中含有位于:0，1/2，1/4、1/2，0，1/4、1/2，0，3/4、0，1/2，3/4上的四个同类原子，(1)试导出其F2的简化表达式;(2)该晶体属哪种布拉维点阵?(3)计算出(100)(002)(111)(001)反射的F值。解：27NaCl晶胞中原子的位置如下：Na离子0、0、0，0、1/2、1/2，1/2、0、1

14、/2，1/2、1/2、0；Cl离子1/2、0、0，0、1/2、0，0、0、1/2，1/2、1/2、1/2；Na和Cl离子的散射振幅分别为fNa+、fCl-，讨论系统消光规律。28、CuK射线(k=0.154nm)照射Cu样品，已知Cu的点阵常数a=0.361nm，试用布拉格方程求其(200)反射的角。解：2sin=(200)=25.2529、叙述粉晶徳拜照相法的基本原理。答：(1)由于粉末柱试样中有很多构造一样的小晶粒，同时它们有着一切可能的取向，所以某种面网dhkl所产生的衍射线是构成连续的衍射圆锥，对应的圆锥顶角为4hkl。(2)由于晶体中有很多组面网，而每组面网有不同的d值，因而知足布拉

15、格方程和构造因子的所有面网所产生的衍射线构成一系列的圆锥，而这些圆锥的顶角为不同的4hkl。(3)由于底片是围绕粉末柱环形安装的，所以在底片上衍射线表现为一对对称的弧线=45时为直线，每对弧线代表一组面网dhkl，每对弧线间的距离S为4hkl所张的弧度，即：S=R4hkl。30、叙述获取衍射花样的三种基本方法?它们的应用有何不同?答：实验方法所用辐射样品照相法衍射仪法粉末法单色辐射多晶体或晶体粉末样品转动或不转徳拜照相机粉末衍射仪劳厄法连续辐射单晶体样品固定不动劳厄照相机单晶或粉末衍射仪转晶法单色辐射单晶体样品转动或摆动转晶-回摆照相机单晶衍射仪31、讲明用衍射仪进行多晶试样的衍射分析的原理和

16、经过。答：衍射仪主要由X射线发生器、测角仪、辐射探测器及各检测记录装置等部分组成。通过X射线发生器产生X入射线，试样在平面粉晶试样台上绕中心轴转动，在知足布拉格方程的方向上产生X衍射线，由探测器探测X衍射线强度，由测角仪测定产生X射线衍射的角。32、叙述各种辐射探测器的基本原理。答：正比计数器气体电离计数器的工作原理：由窗口射入的X射线光子会将计数器里的气体分子电离，由于计数器内电场强度高，而且越靠近阳极丝越高，这样向阳极丝靠近的电子会被越来越高的电场加速，使之获得足够高的能量，以致于把其他气体分子电离，而电离出来的电子又被加速到能进一步电离其他气体分子的程度，如此逐级发展下去。闪烁计数器的工

17、作原理：衍射的X射线光子进入计数器，首先照射到一种单晶体上，单晶体发出可见光，一个X光子激发一次可见光闪光，闪光射入光电倍增管的光敏阴极上又激发出很多电子，任何一个电子撞到联极上都从外表激发出几个电子，由于联极至少有10个，每个联极的电压递增100V，所以一个电子可倍增到106-107个电子，这样在外电路中就会有一个较大的电流脉冲。半导体计数器的工作原理：借助于电离效应构成电子-空穴对，硅半导体的能带构造由完全被电子填充的价带和部分被电子填充的导带组成，两者之间被禁带分开，当一个外来的X光子进入，它把价带中的部分电子激发到导带，于是在价带中产生一些空穴，在电场作用下，这些电子-空穴对能够构成电

18、流，在温度和压力一定时，电子-空穴对的数目和入射的X光子能量成正比例关系。33、衍射仪扫描方式、衍射曲线上2位置及I的测量方法。答：扫描方式：连续扫描和步进扫描。2位置测量方法：巅峰法、焦点法、弦中点法、中心线峰法、重心法。I测量方法：峰高强度、积分强度。34、扼要比拟衍射仪法与德拜照相法的特点。答：与德拜照相法相比，衍射仪法所具有的特点：简便快速、灵敏度高、分辨能力强、直接获得强度I和d值、低角度区的2测量范围大、样品用量大、对仪器稳定的要求高。35、晶胞参数的准确测定及详细方法有哪些?答：图解外推法、最小二乘法、衍射线对法。36、物相分析的一般步骤及定性鉴定中应注意的问题是什么?答：物相分

19、析的一般步骤：用一定得实验方法获得待测试样的衍射花样，计算并列出衍射花样中各衍射线的d值和相应的相对强度I，参考比照已知的X射线粉末衍射卡片鉴定出试样的物相。定性鉴定中应注意的问题：(1)d的数据比I/I1数据重要；(2)低角度线的数据比高角度线的数据重要；(3)应重视特征线；(4)了解待测试样的来源、化学成分、物理性质以及用化学或物理方法对试样进行预处理，并借助于平衡相图都有助于正确快速地分析鉴定。37、从一张简单立方点阵物质的德拜照片上，已求出四根高角度线条的角(系由CuK线所产生)对应的衍射指数，试用“a-cos2的图解外推法求出四位有效数字的点阵参数：HKL532620443541()

20、72.6877.9381.1187.44解：cos21=0.08863cos22=0.04372cos23=0.02388cos21=0.001995ac=0.743738、根据上题所给数据用柯亨法计算四位有效数字的点阵参数。解：代入数据154.82020104=A6489+B231.255562365.533720696=A231.25556236+B14.1125591则A=0.02376034由得39、某陶瓷坯料经衍射定性分析为高岭石、石英和长石原料组成，称取2.588g样品做衍射实验，其中它们的最强线各为1864、923、620CPS，已知参比强度各为3.4、2.7、4.2，定量各原料

21、的含量。40、试比拟光学显微镜成像和透射电子显微镜成像的异同。答：光学显微镜和透射电镜显微镜成像的基本光学原理类似，区别在于使用的照明源和聚焦成像的方法不同，光学显微镜是可见光照明，玻璃透镜聚焦成像，透射电子显微镜用电子束照明，用一定形状的磁场聚焦成像。41、电子的波长计算及电子光学折射定律的表述。答：42、试计算真空中电子束在200KV加速电压时，电子的质量、速度和波长。解：43、何谓静电透镜和磁透镜?答：静电透镜：把能使电子曲折射聚焦的具有旋转对称等电位曲面簇的电极装置。磁透镜：在电子光学系统中用于使电子波聚焦成像的磁场是一种非均匀磁场，把能使电子波聚焦的具有旋转对称非均匀的磁极装置。44

22、、叙述电磁透镜的特点、像差，产生像差的原因。答：电磁透镜的特点：能使电子偏转会聚成像，但不能加速电子；总是会聚透镜；焦距f、放大倍数M连续可调。像差包括几何像差球差、像散、畸变和色差：球差是由电磁透镜中近轴区域对电子束的折射能力与远轴区域不同而产生的；像散是由透镜磁场非旋转对称引起的；色差是由于成像电子波长或能量变化引起电磁透镜焦距变化而产生的一种像差。45、影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么?怎样提高电磁透镜的分辨率?答：影响光学显微镜分辨率的关键因素是入射光波长和数值孔径；影响电磁透镜分辨率的关键因素是透镜的像差和衍射效应所产生的散焦斑尺寸的大小。提高电磁透镜的分辨率：确定电磁

23、透镜的最佳孔径半角，使得衍射效应散焦斑与球差散焦斑尺寸相等，表明两者对透镜分辨率影响效果一致。46、试计算加速电压为100KV时的电子束波长，当球差系数Cs=0.88mm、孔径半角=10-2弧度时的分辨率。解：?47、电磁透镜的景深和焦深主要受哪些因素影响?讲明电磁透镜景深大、焦深长的原因。答：景深受分辨率和孔径半角影响；焦深受分辨率、孔径半角、透镜放大倍数影响。电磁透镜景深大、焦深长的原因是由于其分辨率高、孔径半角小。48、何谓景深与焦深?当r0=10?、=10-2弧度、M=3000时，请计算Df与DL值。答：景深是透镜物平面允许的轴向偏差；焦深是透镜像平面允许的轴向偏差。?49、何谓衬度?透射电镜有几种衬度像?其原理是什么?答：衬度是指试样不同部位由于对入射电子作用不同，在显示装置上显示的强度差异。透射电镜有三种衬度像：散射衬度像、衍射衬度像、相位衬度像。散射衬度像是由于样品的特征通过对电子的散射能量的不同变成了有明