材料分析方法介绍8609.docx

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1、红外吸收光谱1 波长（） 相邻两个波峰或波谷之间的直线距离，单位为米（m）、厘米（cm）、微米（m）、纳米（nm）。这些单位之间的换算关系为1m102cm106m109nm。2 频率（v）单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位为赫兹（Hz，即s-1），频率和波长的关系为 3 波数（）每厘米米长度内内所含的的波长的的数目，它它是波长长的倒数数，即 1 / ,波数单单位常用用cm-11来表示示。4 传播速速度:辐射传传播速度度等于频频率v乘以波波长，即v 。在真真空中辐辐射传播播速度与与频率无无关，并并达到最最大数值值，用cc表示，cc值准确确测

2、定为为2.9997992110100cm/s 5 周期TT:相邻两两个波峰峰或波谷谷通过空空间某固固定点所所需要的的时间间间隔，单单位为秒秒（s）。 红外光谱法法的特点点: （1）特征征性高。就就像人的的指纹一一样，每每一种化化合物都都有自己己的特征征红外光光谱，所所以把红红外光谱谱分析形形象的称称为物质质分子的的“指纹”分析。（2）应用范围广。从气体、液体到固体，从无机化合物到有机化合物，从高分子到低分子都可用红外光谱法进行分析。（3）用样量少，分析速度快，不破坏样品。 简正振动的的数目称称为振动动自由度度，每个个振动自自由度相相应于红红外光谱谱图上一一个基频频吸收峰峰。每个个原子在在空间都

3、都有三个个自由度度，如果果分子由由n 个原子子组成，其其运动自自由度就就有3n 个，这这3n个运动动自由度度中，包包括3个分子子整体平平动自由由度，33个分子子整体转转动自由由度，剩剩下的是是分子的的振动自自由度。对对于非线线性分子子振动自自由度为为3n6， 但但对于线线性分子子，其振振动自由由度是33n5。例如如水分子子是非线线性分子子，其振振动自由由度=3336=33.红外吸收光光谱（Inffrarred abssorpptioon sspecctrooscoopy, IRR）又称称为分子子振动转动光光谱。当当样品受受到频率率连续变变化的红红外光照照射时，分分子吸收收了某些些频率的的辐射，

4、并并由其振振动或转转动运动动引起偶偶极矩的的净变化化，产生生分子振振动和转转动能级级从基态态到激发发态的跃跃迁，使使相应于于这些吸吸收区域域的透射射光强度度减弱。记记录红外外光的百百分透射射比与波波数或波波长关系系的曲线线，就得得到红外外光谱。红外光谱在在化学领领域中的的应用大体体上可分分为两个个方面：一是用用于分子子结构的的基础研研究，应应用红外外光谱可可以测定定分子的的键长、键键角，以以此推断断出分子子的立体体构型；根据所所得的力力常数可可以知道道化学键键的强弱弱；由简简正频率率来计算算热力学学函数。二二是用于于化学组组成的分分析，红红外光谱谱最广泛泛的应用用在于对对物质的的化学组组成进行

5、行分析，用用红外光光谱法可可以根据据光谱中中吸收峰峰的位置置和形状状来推断断未知物物结构，依依照特征征吸收峰峰的强度度来测定定混合物物中各组组分的含含量，它它已成为为现代结结构化学学、分析析化学最最常用和和不可缺缺少的工工具。1 产生红外吸吸收的条条件 红外光谱是是由于分分子振动动能级（同同时伴随随转动能能级）跃跃迁而产产生的，物物质吸收收红外辐辐射应满满足两个个条件：（1）辐射射光具有有的能量量与发生生振动跃跃迁时所所需的能能量相等等；（22）辐射射与物质质之间有有偶合作作用。计算不不饱和度度U的经验验式为： U =1+n4+1/2(nn3-n1) 式中中n1, nn3, 和n4分别为为分子

6、式式中 一一价，三三价和四四价原子子的数目目。通常常规定双双键（CC=C、C=OO）和饱饱和环状状结构的的不饱和和度为11，三键键（CC、CNN等）的的不饱和和度为22，苯环环的不饱饱和度为为4（可理理解为一一个环加加三个双双键）。链链状饱和和烃的不不饱和度度为零。 指纹区a 作为化化合物含含有什么么基团的的旁证，指指纹区许许多吸收收峰都是是特征区区吸收峰峰的相关关峰。确定化合物物的细微微结构 （1）定量量分析原原理：与其它它分光光光度法（紫紫外、可可见分光光光度法法）一样样，红外外光谱定定量分析析是根据据物质组组分的吸吸收峰强强度来进进行的，它它的理论论基础是是lammberrtbeeer定

7、律律。（2） 测量方法：红外与拉曼曼比较：1 都都是研究究分子结结构（化化学键）的的分子振振动、 转动光光谱。22 红外外光谱是是吸收光光谱，拉拉曼是发发射光谱谱。3 拉拉曼的频频谱范围围宽 110445000cm1，红红外的窄 200040000ccm 1 。44 拉曼曼的激发发波长可可以是可可见光区区的任一一激发源源，因此此其色散散系统比比较简单单，（可可见光区区），而而红外的的辐射源源和接收收系统必必须放在在专门封封闭的装装置内。55 不具具有偶极极矩的分分子，不不产生红红外吸收收，但可可产生拉拉曼散射射。激光拉曼光光谱法当单色光照照射在样样品上，发发生瑞利利散射的的同时，总总发现有有1

8、左左右的散散射光频频率与入入射光不不同。把把这种效效应命名名为拉曼曼效应。拉曼散射与入射光的波数无关，只与物质本身的分子结构所固有的振动和转动能级结构有关（与红外光谱中所讲的分子的能级一致，但红外光谱反映的是这些能级的转变对入射光的吸收效应，而拉曼光谱则反映的是发射光谱效应）。因此拉曼技术检测分子可用于鉴别物质的种类。1）处于基基态E11的分子子受入射射光子hhu0的激激发，跃跃迁到受受激虚态态E3，而而后又回回到基态态E1。或或者E22的分子子激发到到E3，很快快又回到到E2，这这两种情情况下，能能量都没没有改变变，这种种弹性碰碰撞称之之为瑞利利散射，散散射光的的波数等等于入射射光的波波数。

9、2）处于基基态E11的分子子受激发发，跃迁迁到受激激虚态EE3，而而后又回回到基态态E2（而而非E11）。分分子的能能量损失失了E22E11huu。这种种非弹性性碰撞称称之为斯斯托克斯斯散射（SStokkes）。 散射波波的波数数等于uu0-u 3）处于EE2的分分子受激激发，跃跃迁到受受激虚态态E3，而后后又回到到E1。分分子的能能量增加加了E22E11huu。这种种非弹性性碰撞称称之为反反斯托克克斯散射射（AnntiStookess）。散散射波的的波数等等于u0u斯托克斯散散射和反反斯托克克斯散散散统称为为拉曼散散射。实实际上，反反斯托克克斯散射射的强度度比较大大，因此此在拉曼曼光谱测测定

10、上习习惯采用用反斯托托克斯散散射。图图中的EE2 为为除基态态以外的的某一能能级，可可以是分分子的任任何一个个转动能能级或者者振动能能级，因因此分子子产生的的拉曼散散射可以以有多个个不同的的波数。紫外可见吸吸收光谱谱（UVV）紫外-可见见吸收光光谱法是是利用某某些物质质的分子子吸收22008000nm光光谱区的的辐射来来进行分分析测定定的方法法。这种种分子吸吸收光谱谱产生于于价电子子和分子子轨道上上的电子子在电子子能级间间的跃迁迁，广泛泛用于有有机和无无机物质质的定性性和定量量测定。 特点：（11）紫外外吸收光光谱所对对应的电电磁波长长较短，能能量大，它它反映了了分子中中价电子子能级跃跃迁情况

11、况。主要要应用于于共轭体体系（共共轭烯烃烃和不饱饱和羰基基化合物物）及芳芳香族化化合物的的分析。（2）由于于电子能能级改变变的同时时，往往往伴随有有振动能能级的跃跃迁，所所以电子子光谱图图比较简简单，但但峰形较较宽。一一般来说说，利用用紫外吸吸收光谱谱进行定定性分析析信号较较少。（33）紫外外吸收光光谱常用用于共轭轭体系的的定量分分析，灵灵敏度高高，检出出限低。基本原理：1 电电子跃迁迁类型 （1）* 跃迁 指处处于成键键轨道上上的电子吸吸收光子子后被激激发跃迁迁到*反键键轨道 （2）n* 跃迁 指分分子中处处于非键键轨道上上的n电子吸吸收能量量后向*反键键轨道的的跃迁 （3）* 跃迁 指不不

12、饱和键键中的电子吸吸收光波波能量后后跃迁到到*反键键轨道。 （4）n* 跃迁 指分分子中处处于非键键轨道上上的n电子吸吸收能量量后向*反键键轨道的的跃迁。 电子跃迁类类型不同同，实际际跃迁需需要的能能量不同同， * 1550nmm ； n* 2000nmm ； * 2200nnm ； n* 3000nm 。 吸收能量的的次序为为：*n*n*（1）发色色团 分分子中能能吸收紫紫外光或或可见光光的结构构系统叫叫做发色色团或色色基。象象C=CC、C=O、CCC等都都是发色色团。发发色团的的结构不不同，电电子跃迁迁类型也也不同。（2）助色色团 有有些原子子或基团团，本身身不能吸吸收波长长大于2200n

13、nm的光光波，但但它与一一定的发发色团相相连时，则则可使发发色团所所产生的的吸收峰峰向长波波长方向向移动。并并使吸收收强度增增加，这这样的原原子或基基团叫做做助色团团。 （3）长长移和短短移：某些有有机化合合物因反反应引入入含有未未共享电电子对的的基团使使吸收峰峰向长波波长移动动的现象象称为长长移或红红移（rred shiift），这这些基团团称为向向红基团团；相反反，使吸吸收峰向向短波长长移动的的现象称称为短移移或蓝移移（bllue shiift），引引起蓝移移效应的的基团称称为向蓝蓝基团。另另外，使使吸收强强度增加加的现象象称为浓浓色效应应或增色色效应（hhypeerchhrommic e

14、fffectt）；使使吸收强强度降低低的现象象称为淡淡色效应应（hyypocchroomicc efffecct）。 应用： 物物质的紫紫外吸收收光谱基基本上是是其分子子中生色色团及助助色团的的特征，而而不是整整个分子子的特征征。如果果物质组组成的变变化不影影响生色色团和助助色团，就就不会显显著地影影响其吸吸收光谱谱，如甲甲苯和乙乙苯具有有相同的的紫外吸吸收光谱谱。另外外，外界界因素如如溶剂的的改变也也会影响响吸收光光谱，在在极性溶溶剂中某某些化合合物吸收收光谱的的精细结结构会消消失，成成为一个个宽带。所所以，只只根据紫紫外光谱谱是不能能完全确确定物质质的分子子结构，还还必须与与红外吸吸收光谱

15、谱、核磁磁共振波波谱、质质谱以及及其他化化学、物物理方法法共同配配合才能能得出可可靠的结结论。 鉴定：利用用紫外光光谱可以以推导有有机化合合物的分分子骨架架中是否否含有共共轭结构构体系，如如CCCCC、CCCCOO、苯环环等。利利用紫外外光谱鉴鉴定有机机化合物物远不如如利用红红外光谱谱有效，因因为很多多化合物物在紫外外没有吸吸收或者者只有微微弱的吸吸收，并并且紫外外光谱一一般比较较简单，特特征性不不强。利利用紫外外光谱可可以用来来检验一一些具有有大的共共轭体系系或发色色官能团团的化合合物，可可以作为为其他鉴鉴定方法法的补充充。 如果一个化化合物在在紫外区区是透明明的，则则说明分分子中不不存在共

16、共轭体系系，不含含有醛基基、酮基基或溴和和碘。可可能是脂脂肪族碳碳氢化合合物、胺胺、腈、醇醇等不含含双键或或环状共共轭体系系的化合合物。如果在21102250nnm有强强吸收，表表示有KK吸收带带，则可可能含有有两个双双键的共共轭体系系，如共共轭二烯烯或，-不饱饱和酮等等。同样样在2660，3300，3330nnm处有有高强度度K吸收收带，在在表示有有三个、四四个和五五个共轭轭体系存存在。如果在26603300nnm有中中强吸收收（200011 0000），则则表示有有B带吸吸收，体体系中可可能有苯苯环存在在。如果果苯环上上有共轭轭的生色色基团存存在时，则则可以大大于100 0000。如果在2

17、5503300nnm有弱弱吸收带带（R吸吸收带），则则可能含含有简单单的非共共轭并含含有n电子的的生色基基团，如如羰基等等。 鉴定的方法法：（11）与标标准物、标标准谱图图对照：将样品品和标准准物以同同一溶剂剂配制相相同浓度度溶液，并并在同一一条件下下测定，比比较光谱谱是否一一致。 （2）吸吸收波长长和摩尔尔吸收系系数：由由于不同同的化合合物，如如果具有有相同的的发色基基团，也也可能具具有相同同的紫外外吸收波波长，但但是它们们的摩尔尔吸收系系数是有有差别的的。如果果样品和和标准物物的吸收收波长相相同，摩摩尔吸收收系数也也相同，可可以认为为样品和和标准物物是同一一物质。标准曲线法法： 配配制一系

18、系列不同同浓度的的标准溶溶液，在在最佳处处分别测测定标准准溶液的的吸光度度A，然后后以浓度度为横坐坐标，以以相应的的吸光度度为纵坐坐标绘制制出标准准曲线，在在完全相相同的条条件下测测定试液液的吸光光度，并并从标准准曲线上上求得试试液的浓浓度。该该法适用用于大批批量样品品的测定定。 荧光寿命：去掉激激发光后后，分子子的荧光光强度降降到去掉掉激发光光时荧光光强度II0的1/ee所需要要的时间间，称为为荧光寿寿命，常常用t表示。如如荧光强强度的衰衰减符合合指数衰衰减的规规律:It=I 0e-ktt 。其中中I0是激发发时最大大荧光强强度，IIt是时间间t时的荧荧光强度度，k是衰减减常数。假假定在时时

19、间t时测得得的It为I0的1/ee，则t是我们们定义的的荧光寿寿命。寿命t是衰衰减常数数k的倒数数。事实实上，在在瞬间激激发后的的某个时时间，荧荧光强度度达到最最大值，然然后荧光光强度将将按指数数规律下下降。从从最大荧荧光强度度值后任任一强度度值下降降到其11/e所所需的时时间都应应等于tt。 如果激激发态分分子只以以发射荧荧光的方方式丢失失能量，则则荧光寿寿命与荧荧光发射射速率的的衰减常常数成反反比，荧荧光发射射速率即即为单位位时间中中发射的的光子数数，因此此有tF = 1/KF。KF是发射射速率衰衰减常数数。tF表示荧荧光分子子的固有有荧光寿寿命，kkF表示荧荧光发射射速率的的衰减常常数。

20、处于激发态态的分子子，除了了通过发发射荧光光回到基基态以外外，还会会通过一一些其它它过程(如淬灭灭和能量量转移)回到基基态，其其结果是是加快了了激发态态分子回回到基态态的过程程(或称称退激过过程)，结结果是荧荧光寿命命降低。跃迁时间是是跃迁频频率的倒倒数，而而寿命是是指分子子在某种种特定状状态下存存在的时时间。通过量测寿寿命，可可以得到到有关分分子结构构和动力力学方面面的信息息。 荧光探针：总的来来说，天天然的荧荧光生物物分子种种类很有有限，而而且荧光光强度较较弱，为为了研究究多数的的不发光光的生物物分子，人人们广泛泛利用一一类能产产生稳定定荧光的的分子，把把这些小小分子和和大分子子结合起起来

21、，或或者插入入大分子子中，根根据这些些较小的的荧光分分子性质质的改变变，分析析大分子子的结构构，这类类小分子子称为荧荧光探针针。基本要求：a.能产产生稳定定的，较较强的荧荧光。 b.探针针与被研研究分子子的某一一微区必必须有特特异性的的结合，而而且结合合得比较较牢固。C.探针的荧光必须对环境条件较敏感。D.结合的探针不应影响被研究的大分子的结构和特性。核磁共振氢氢谱核磁共振（简简称为NNMR）是是指处于于外磁场场中的物物质原子子核系统统受到相相应频率率（ 兆兆赫数量量级的射射频）的的电磁波波作用时时，在其其磁能级级之间发发生的共共振跃迁迁现象。检检测电磁磁波被吸吸收的情情况就可可以得到到核磁共

22、共振波谱谱。因此此，就本本质而言言，核磁磁共振波波谱是物物质与电电磁波相相互作用用而产生生的，属属于吸收收光谱（波波谱）范范畴。根根据核磁磁共振波波谱图上上共振峰峰的位置置、强度度和精细细结构可可以研究究分子结结构。基本原理：磁性核核受幅射射而发生生跃迁所所形成的的吸收光光谱。 是研究分分子结构构、构型型构象等等的重要要方法。核核磁共振振的研究究对象：磁性核核；磁性性核：具具有磁矩矩的原子子核；磁磁矩是由由于核的的自旋运运动产生生的；并并非所有有同位素素的原子子核都具具有自旋旋运动；原子核核的自旋旋运动与与自旋量量子数（I）有关。自旋量子数数 I 值与原原子核的的质量数数A和核电电荷数 Z（质

23、子子数或原原子序数数）有关关。质量数核电荷数INMR信号号电荷分布偶数偶数0无均匀偶数奇数1, 2, 3, 有不均匀奇数奇数或偶数数1/23/2, 5/22, 有有均匀不均匀核磁共振：在垂直直于B00的方向向加一个个射频场场B1，其其频率为为n射，当当E射= hn射 = E时，自自旋核会会吸收射射频的能能量，由由低能态态跃迁到到高能态态（核自自旋发生生反转）。磁场强度与与射频频频率成正正比；仪器的的射频频频率越大大，磁场场强度越越大，谱谱图分辨辨率越高高。产生NMRR条件：（1）II 0 的自旋旋核；（22） 外外磁场 B0 ；（33） 与与 B0 相互互垂直的的射频场场B1 要满足核磁磁共振

24、条条件，可可通过二二种方法法来实现现：扫频频 固定定磁场强强度，改改变射电电频率对对样品扫扫描；扫场 固定定射电频频率，改改变磁场场强度对对样品扫扫描。实实际上多多用后者者。化学位移的的定义：氢核由由于在分分子中的的化学环环境不同同而在不不同共振振磁场强强度下显显示吸收收峰，称称为化学学位移。 表示方法： 化学位移的的差别很很小，精精确测量量十分困困难，并并因仪器器不同（Bo）而不同，现采用相对数值。规定：以四四甲基硅硅（TMMS）为为标准物物质，其其化学位位移为零零， 根据据其它吸吸收峰与与零点的的相对距距离来确确定化学学位移值值。选用TMSS(四甲甲基硅烷烷)作为标标准物质质的原因因? (

25、1)屏蔽蔽效应强强，共振振信号在在高场区区,绝大大多数吸吸收峰均均出现在在它的左左边。(2)结构构对称，是是一个单单峰。 (3)容易易回收(b.pp低)，与与样品不不反应、不不缔合。 化学位移用用d表示，以以前也用用t表示， t与d的关系系为：tt = 10 - d 例：在600MHzz的仪器器上，测测得CHHCl33与TMSS间吸收收频率之之差为4437HHz，则则CHCCl3中1H的化学学位移为为： 3.5 NNMR谱谱的结构构信息化化学位移移 积积分高度度 偶合常常数积分曲线: 1H NNMR谱谱中的峰峰面积 (peeak areea) 正比于于等价质质子的数数目;用积分分曲线表表示峰面

26、面积。积积分曲线线的高度度与峰面面积成正正比关系系。 例：乙醇醇CH3CH2OH 33 组质质子的积积分曲线线高度比比为 33：2：1影响化学位位移的因因素: 氢核受受到的屏屏蔽作用用越大，峰峰越在高高场出现现，越小。诱导效应；共轭效效应；各向异异性效应应；Vann deer WWaalls效应应；氢键效效应和溶溶剂效应应诱导效应： YH中Y的电负负性越大大，1HH周围电电子云密密度越低低，屏蔽蔽效应越越小，越越靠近低低场出峰峰，值值越大。拉电子基团团：去屏屏蔽效应应，化学学位移增增大；推电子子基团：屏蔽效效应，化化学位移移减小热分析技术术扫描电子显显微镜扫描电子显显微镜的的简称为为扫描电电镜

27、，英英文缩写写为SEEM (Scaanniing Eleectrron Miccrosscoppe)，是是继透射射电子显显微镜后后发展起起来的一一种电子子显微镜镜。SEEM成像像原理与与TEMM和OM不同同，它是是用细聚聚焦的电电子束轰轰击样品品表面，通通过对电电子与样样品相互互作用产产生的各各种信息息进行收收集、处处理，从从而获得得微观形形貌放大大像。SEM的主主要特点点：仪器分分辨本领领较高。二二次电子子像分辨辨率达到到7110nmm。仪器放放大倍数数变化范范围大（从从几十倍倍到几十十万倍），且且连续可可调。图像景景深大，富富有立体体感。可可直接观观察起伏伏较大的的粗糙表表面（如如金属和和

28、陶瓷断断口等）。试样制备简单。只要将块状或粉末状的、导电或不导电的试样不加处理或稍微处理就可以直接放到SEM中观察。比TEM制样简单且图像更接近于试样的真实状态。可做综合分析。SEM上装有WDX或EDX后，在观察扫描形貌像的同时可以对微区进行元素分析。装上半导体样品座，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程。电子束与固固体样品品相互作作用：作作用体积积的大小小与形状状与入射射电子束束的加速速电压以以及材料料的种类类有关。加加速电压压越高，作作用体积积越大；原子序序数

29、越大大，作用用体积由由“梨形形”向半半球形转转变弹性背散射射电子被样样品中原原子反射射回来的的散射角角大于990的的那些入入射电子子，即方方向发生生改变但但能量基基本不变变。弹性性背散射射电子的的能量为为数千eeV到数数万eVV。非弹性背散散射电子子进入入固体样样品后通通过连续续散射改改变运动动方向，最最后又从从样品表表面发射射出去的的入射电电子，不不仅有运运动方向向的改变变还有能能量的变变化。非非弹性背背散射电电子的能能量范围围在数十十eV到数数千eVV。二次电子被入入射电子子轰击出出来的核核外电子子，通常常为外层层电子。二次电子信信号主要要来自样样品表层层5110nmm深度范范围，能能量较

30、低低(小于500eV)。二次次电子产产额对于于样品的的表面状状态非常常敏感，采采用二次次电子成成像时能能有效地地显示试试样表面面的微观观形貌。一个能量很很高的入入射电子子射入样样品时，可可以产生生很多的的二次电电子，其其中绝大大部分来来源于价价电子。二次电子分辨率很高，一般可达到5nm10nm，SEM的分辨率通常就是二次电子分辨率。透射电子当样样品厚度度小于电电子有效效穿透深深度时，穿穿过样品品而出的的那些入入射电子子。在入射电子子穿过样样品的过过程中，发发生有限限次的弹弹性或非非弹性散散射。在在样品下下方检测测到的透透射电子子包括有有能量与与入射电电子相当当的弹性性散射电电子和各各种不同同能

31、量损损失的非非弹性散散射电子子。有些特征能能量损失失E的非非弹性散散射电子子与分析析区域的的成分有有关。因因此，可可以用特特征能量量损失电电子进行行微区成成分分析析特征征能量损损失谱（EELS）特征X射线线原子子内层电电子受到到激发后后，在能能级跃迁迁过程中中直接释释放的具具有特征征能量和和波长的的一种电电磁波。特征X射线线的波长长和原子子序数之之间服从从莫塞莱莱定律： 式式中：ZZ原子序序数；KK、为常数数。原子序数和和特征能能量之间间存在对对应关系系，因此此，利用用这种对对应关系系可以进进行成分分分析。用X射线探探测器测测到了样样品微区区中存在在某一特特征波长长，就可可以判断断该微区区中存

32、在在相应元元素。俄歇电子原子子内层电电子受到到激发后后，在能能级跃迁迁过程中中释放出出来的能能量EE使得核核外另一一个电子子电离并并逸出样样品表面面，称为为俄歇电电子。每种原子都都有特定定的能级级，因此此，AEE的能量量也具有有特征值值，一般般在500eV15000eVV范围内内。俄歇电子来来源于样样品表面面以下几几个nmm（小于于2nmm），因因此只能能进行表表面化学学成分分分析。一个原子中中至少要要有3个以上上电子才才能产生生俄歇效效应，因因此，铍铍是产生生俄歇电电子的最最轻元素素。电子光学系系统由电子子枪、电电磁透镜镜、扫描描线圈和和样品室室等部件件组成。其其作用是是获得扫扫描用电电子束

33、，作作为使样样品产生生各种信信号的激激发源。扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径，以获得较高的信号强度和图象分辨率。电子枪其作作用是利利用阴极极与阳极极灯丝间间的高压压产生高高能量的的电子束束。SEEM电子子枪与TTEM相相似，只只是加速速电压比比较低。下下表为不不同电子子枪性能能比较。类型电子源直径能量分散度度/eVV总束流/A真空度/PPa寿命/h发夹形热钨钨丝LaB6热热阴极场发射30 mm510 m510nnm310.310050501.331022.66 110-441.33 110-441.33 110-8850100100020000电磁透镜镜其作作用是把把电子枪枪的束

34、斑斑缩小，由由原来直直径约550mm缩小到到数nmm的细小小束斑。SSEM一一般有33个聚光光镜，前前两个为为强磁透透镜，用用来缩小小电子束束束斑直直径。 扫描线圈圈其作作用是提提供入射射电子束束在样品品表面以以及阴极极射线管管内电子子束在荧荧光屏上上的同步步扫描信信号。扫描线圈一一般放置置在最后后两个透透镜之间间，也有有放置在在末级透透镜的空空间内，使使电子束束在进入入末级透透镜强磁磁场之前前就发生生偏转。SEM采用用双偏转转线圈以以保证方方向一致致的电子子束都能能通过透透镜中心心射到样样品表面面上，当当电子束束进入上上偏转线线圈（xx方向行扫）时时发生第第一次折折射，然然后在进进入下偏偏转

35、线圈圈（y方向帧扫）发发生第二二次折射射。在电子束偏偏转同时时还进行行逐行扫扫描，电电子束在在偏转线线圈的作作用下扫扫描出一一个长方方形，相相应地在在样品上上画出一一帧比例例图像。如果扫描电电子束经经上偏转转线圈转转折后未未经下偏偏转线圈圈改变方方向，而而直接由由末级透透镜折射射到入射射点位置置，称为为角光栅栅式扫描描或摇摆摆扫描。电子束的消消隐和截截断是指指将射到到样品上上的电子子束变成成短脉冲冲，使其其持续时时间比重重复出现现的周期期小。这这样可以以将电子子束产生生的某种种微弱信信号从稳稳态信号号中分离离出来，或或者可以以测量出出短脉冲冲电子束束照射样样品后信信号的衰衰减。真空系统为保保证

36、电子子光学系系统正常常工作，防防止样品品污染提提供高真真空度。一一般，要要求保持持102103Pa。分辨率：对对微区成成分分析析而言，分分辨率指指能分析析的最小小区域；对成像像而言，指指能分辨辨的两点点之间的的最小距距离。影响因素素：束斑直直径，束斑直直径越小小，可能能的分辨辨率越高高，但分分辨率不不直接等等于入射射电子束束直径。调制成像信号a、俄歇电电子和二二次电子子来源源于样品品浅表层层（俄歇歇电子:0.552nnm，二二次电子子：550nnm），入入射电子子束尚未未发生明明显横向向扩展，可可以认为为俄歇电电子和二二次电子子主要来来源于直直径与束束斑直径径相当的的圆柱体体内。由由于束斑斑直

37、径就就是一个个成像检检测单元元，因此此，这种种信号的的分辨率率相当于于束斑直直径。通通常，SSEM分分辨率即即指二次次电子分分辨率，约约5110nmm。b、背散射射电子BBSE来源源于样品品较深部部位，此此时入射射电子束束已经发发生明显显横向扩扩展。因因此，背背散射电电子像的的分辨率率比二次次电子低低，约5502000nm。c、X射射线来源的的深度和和广度比比BSEE更大，成成像分辨辨率更低低。其它因素素：原子序序数Z越大大，电子子束横向向扩展越越明显，分分辨率下下降。b、噪声干干扰、磁磁场和机机械振动动等也会会降低成成像质量量，使分分辨率下下降。信号二次电子俄歇电子背散射电子子吸收电子特征X

38、射线线分辨率/nnm510510502000100110000100110000SEM分辨辨率可通通过测定定图像中中两颗粒粒或区域域间最小小距离来来确定，即即最小距距离/放大倍倍数分分辨率。目目前，SSEM的的分辨率率可以达达到1nnm。上上述分辨辨率为SSEM极极限分辨辨率，是是在SEEM处于于最佳工工作状态态下的性性能，通通常情况况下很难难达到。景深透镜对对高低不不平的试试样各部部位同时时聚焦成成像的能能力范围围，用一一段距离离表示。如如图示，SEM束斑最小截面圆（P点）经过透镜聚焦后成像于A点，试样即放大成像于A点所处像平面内。景深即试样样沿透镜镜轴在AA点前后后移动仍仍然聚焦焦的一段段

39、最大距距离。设设1点和2点是在在保持图图像清晰晰的前提提下，试试样表面面移动的的两个极极限位置置，其间间距离即即景深DDs。实际上电子子束在11点和2点得到到的是一一个以R0为半径径的漫散散圆斑，即即SEMM的分辨辨率表示样样品表面面上两间间距为R0的点刚刚能被SSEM鉴鉴别。由由此可见见，只要要样品表表面高低低起伏（如如断口试试样）范范围不超超过Dss，在荧荧光屏上上都能成成清晰的的像。是控制SSEM景景深的主主要因素素，它取取决于末末级透镜镜的光阑阑直径和和工作距距离。一一般，SSEM的的末级透透镜焦距距很长，很小，因此Ds很大，比一般OM大100500倍，比TEM大10倍。由于Ds很很大

40、，SSEM图图像的立立体感强强，形态态逼真。用用SEMM观察断断口试样样具有其其它分析析仪器无无法比拟拟的优点点。SEM制样样简单：金属、陶陶瓷等块块状样品品，只需需切割成成合适尺尺寸粘在在样品座座上即可可。颗粒及及细丝状状样品，先先在一干干净金属属片上涂涂抹导电电涂料，然然后将粉粉末样品品贴在上上面，或或将粉末末包埋入入树脂材材料中固固化，若若样品不不导电，需需喷镀导导电层。非导电材料，如塑料、矿物等。在电子束作用下产生电荷堆积，影响入射电子束形状和二次电子运动轨迹，使图像质量下降，需要喷镀导电层。一般喷镀Au、Ag、C做导电膜，厚度在20nm左右。断口样品对于实际构件的断口，表面可能存在油

41、污、锈斑、腐蚀产物等。首先需要进行宏观分析，并用AC纸或胶带纸干剥几次，或用丙酮、酒精等有机溶剂清洗去除断口表面油污及附着物。太大的断口试样，应先宏观分析确认能够反映断口特征的部位，再切割下进行SEM观察。表面形貌衬衬度是由于于试样表表面形貌貌差别而而形成的的衬度。利利用对表表面形貌貌变化敏敏感的物物理信号号做显像像管调制制信号，可可以得到到形貌衬衬度像，如如二次电电子像。二次电子强强度是试试样表面面倾角的的函数，而而试样表表面微区区形貌差差别实际际上就是是各微区区表面相相对于入入射电子子束的倾倾角不同同。电子束在试试样表面面扫描到到任何两两点之间间的形貌貌差别表表现为信信号强度度的差别别。信

42、号号强，荧荧光屏上上显示亮亮，反之之，则显显示暗，从从而在图图像中显显示为形形貌衬度度像。在SEM中中，二次次电子检检测器一一般安放放在于入入射束轴轴线垂直直的方向向上。入入射束与与试样表表面法线线夹角越越大，二二次电子子产额越越多。实际样品表表面并非非光滑，表表面微观观凸凹不不平决定定了入射射电子束束不同入入射角，从而而导致不不同表面面特征处处SE产额额不同，检检测到的的信号强强度不同同，最终终在显像像管上显显示不同同衬度。如图示。样品上3个个小刻面面A、B、C，其中中C AB，在入入射电子子束作用用下相应应的SEE产额issC isAisB，因此，在在荧光屏屏上C处最亮亮，A次之，B处最暗

43、暗。实际样品表表面由许许多小刻刻面、尖尖棱、沟沟槽、曲曲面、小小颗粒等等组成。在在尖棱、小小颗粒、坑坑穴边缘缘部位，SE产额比其它平面（或平缓曲面）处高很多，在扫描像上显示很亮；在沟槽内壁SE产额虽然很高，但真被检测到的SE很少，因此图像上相应很暗。SE形貌衬衬度像特特点：立体感感强：由由于SEE能量低低，受检检测器偏偏压影响响运动轨轨迹发生生弯曲，致致使许多多背对检检测器区区域产生生的SEE电子中中有相当当一部分分可通过过弯曲轨轨迹到达达检测器器，增大大了有效效收集立立体角，SE信号强度提高，图像立体感增强，并能较清晰反映出样品背对检测器区域的细节。最小衬度：荧光屏上的亮度决定于从样品表面得

44、到的信号强度，当相邻区域信号强度差别太小时，人眼无法分辨最小衬度。最小衬度的存在限制了分辨率，同时与样品处的信噪比有关。一般，样品处的衬度必须大于噪声与信号比的5倍，人眼才能分辨。电子探针XX射线显显微分析析（EPPMA）特特点：分析手手段简化化，分析析时间缩缩短；所需样样品少，是是一种无无损分析析方法；释谱简简单且不不受元素素化合状状态的影影响。EPMA是是一种显显微分析析和成分分分析相相结合的的微区分分析，特特别适用用于分析析样品中中微小区区域的化化学成分分，是研研究材料料组织结结构和元元素分布布状态的的极为有有用的分分析方法法。EPMA利利用一束束聚焦很很细且被被加速到到35keeV的电

45、电子束轰轰击样品品上用显显微镜选选定的待待分析的的“点”，利用用高能电电子与固固体相互互作用激激发出的的特征XX射线波波长和强强度的不不同来确确定分析析区域中中的化学学成分。EPMA可以很方便的分析从4Be到92U之间的元素。EPMA在在结构上上与SEEM相似似，只是是在检测测器部分分使用的的是X射线谱谱仪。常常用的谱谱仪有两两种：利利用X射线波波长不同同来展谱谱XX射线波波谱仪(WDSS)；利利用特征征X射线能能量不同同展谱X射射线能谱谱仪(EEDS)。WDS结构构与工作作原理：WDSS由谱仪仪、记录录和数据据处理系系统组成成，其谱谱仪系统统也即XX射线的的分光和和探测系系统是由由分光晶晶体

46、、XX射线探探测器和和相应机机械传动动装置构构成。在EPMAA中，X射线由由样品表表面以下下m数量量级作用用体积中中激发出出来的。若若样品由由多种元元素构成成，则可可激发相相应特征征X射线照照射到分分光晶体体上实现现分光，即即不同波波长的XX射线在在各自满满足布拉拉格方程程的角度度上被（与与分光晶晶体以22：1角速度度同步转转动的）检检测器接接收。1 X射线的分分光和探探测原理理分光：将将分光晶晶体适当当弯曲，并并使弯晶晶表面与与入射源源、检测测窗口位位于同一一圆周（聚聚焦圆或或罗兰圆圆）上，就就可以实实现对衍衍射束的的聚焦。此此时分光光晶体只只收集一一种波长长的X射线，提提高了衍衍射线强强度。X射线聚聚焦方法法。a、约翰型型不完全全聚焦法法（Joohannn型）将分光晶体体弯曲使使其中心心部分曲曲率半径径恰好等等于聚焦焦圆半径径的2倍。当当X射线源源S发出X射线时时，晶体体内表面面上任意意A、B、C三点接接收的XX射线入入射角相相同，三三点的衍衍射线在在D处聚焦焦。由于于只有表表面中心心部分BB位于聚聚焦圆上上，三点点的衍射射线并不不聚焦于于一点上上，即只只有B能能聚焦在在D点。这这种聚焦焦方式是是一种近近似聚焦焦方式。优点：波长长（能量量）分辨辨率很高高缺点：由由于结构构特点，谱谱仪要有有足够的的色散率率则