1、材料现代研究方法及测试技术材料现代研究方法及测试技术 主讲主讲: : 吴建鹏吴建鹏 1绪 论一、材料研究的意义和内容：一、材料研究的意义和内容： 材料科学的主要任务是研究材料。材料一般是指材料科学的主要任务是研究材料。材料一般是指可以用来制造有用的构件、器件或其他物品的物质，可以用来制造有用的构件、器件或其他物品的物质，也可以说是将原料通过物理或化学方法加工制成的也可以说是将原料通过物理或化学方法加工制成的金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体物质。物质。 不论何种材料都有一定的性能。材料的不同性能不论何种材料都有一定的性能。材料的不同性能是材
2、料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。材料的内部因素一般来说包括物质的组成和结构。材料的内部因素一般来说包括物质的组成和结构。2研究材料必须以正确的研究方法为前提。研究材料必须以正确的研究方法为前提。研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验技术、数据分析等。其中，技术路线是非常技术、数据分析等。其中，技术路线是非常重要的，实验方法的选择也是十分关键的。重要的，实验方法的选择也是十分关键的。从狭义来说，研究方法就是某一种测试方法。从狭义来说，研究方法就是某一种测试方法。因为每一种实验方法均需要一定的仪器，所因为
3、每一种实验方法均需要一定的仪器，所以也可以说，研究方法指测试材料组成和结以也可以说，研究方法指测试材料组成和结构的仪器方法。构的仪器方法。3二、本课程研究的内容二、本课程研究的内容: : 首先介绍材料科学的概念首先介绍材料科学的概念: :材料科学材料科学是研究材料的化学组成、晶体结构、是研究材料的化学组成、晶体结构、显微组织、使用性能四者之间关系显微组织、使用性能四者之间关系的一门科学的一门科学。4我们研究材料就是通过改变材料的组成、我们研究材料就是通过改变材料的组成、结构、组织，来达到提高和改善材料的结构、组织，来达到提高和改善材料的使用性能的目的。使用性能的目的。我们可用材料四面体来形象的
4、进行描述：我们可用材料四面体来形象的进行描述：使用性能使用性能化学组成化学组成晶体结构晶体结构显微组显微组织织5在材料四面体中，生产工艺决定晶体结构和显微组织。材料科学与材料工程的区别就在于：材料科学主要研究四组元之间的关系；而材料工程则研究如何利用这四组元间的关系来研究开发新材料、新产品。6本课程研究的内容本课程研究的内容: : 研究生产无机非金属材料的原料和研究生产无机非金属材料的原料和制品的化学组成、显微结构以及生制品的化学组成、显微结构以及生产工艺过程中的变化规律的研究方产工艺过程中的变化规律的研究方法法。即。即用什么设备、仪器、如何研究？用什么设备、仪器、如何研究？7在材料研究中在材
5、料研究中, ,做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法: :分析目的分析目的分析方法分析方法 形态学分析形态学分析( (即组织形貌分析即组织形貌分析) )光学显微术光学显微术( (如金相、岩相等如金相、岩相等) )透射电子显微术透射电子显微术扫描电子显微术扫描电子显微术投影式或接触式投影式或接触式X X射线显微术射线显微术显微自射线照相术显微自射线照相术相分分析相分分析各种常量化学分析各种常量化学分析微区分析微区分析X X射线光谱和能谱术射线光谱和能谱术各种电子能谱分析各种电子能谱分析X X射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射红外光谱
6、红外光谱穆斯堡尔谱等穆斯堡尔谱等结构分析结构分析81. 1.化学组成分析：化学组成分析：主要研究原料和制品的化学组成。化学主要研究原料和制品的化学组成。化学组成分析也叫化学成分分析。常用的分组成分析也叫化学成分分析。常用的分析方法有：普通化学分析；仪器化学分析方法有：普通化学分析；仪器化学分析（包括析（包括ICPICP光谱、直读光谱、射线荧光谱、直读光谱、射线荧光光谱、激光光谱等等）。化学分析本光光谱、激光光谱等等）。化学分析本课程不介绍。因为化学分析的目的就是课程不介绍。因为化学分析的目的就是知道化学成分含量，不管用那个分析方知道化学成分含量，不管用那个分析方法，只要能精确告诉我们结果就行。
7、法，只要能精确告诉我们结果就行。92. 2.微观结构分析微观结构分析微观结构分析主要分析材料的微观晶微观结构分析主要分析材料的微观晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含量多少等。量多少等。结构分析常用的方法有结构分析常用的方法有：法、法、TEMTEM法、法、TGTG法、法、红外法等。法、法、红外法等。这些方法以及所用的仪器设备是我们要这些方法以及所用的仪器设备是我们要学习的重点。学习的重点。103. 3.显微组织分析显微组织分析 主要是分析材料的微观组织形貌。主要是分析材料的微观组织形貌。 显微
8、组织分析常用的分析手段有：普通光显微组织分析常用的分析手段有：普通光学显微镜学显微镜(OM)(OM)、扫描电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)(SEM)、透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)(TEM)以及原子力显微镜以及原子力显微镜(AFM)(AFM)等。等。 本课程主要学习和的原理及本课程主要学习和的原理及分析方法。分析方法。11参考书：参考书： 材料研究与测试方法材料研究与测试方法张国栋主编，冶金工张国栋主编，冶金工业出版社业出版社 材料近代分析测试方法材料近代分析测试方法常铁钧邹欣主编常铁钧邹欣主编哈工大版哈工大版 无机材料显微结构分析无机材料显微结构分析周志超等编、浙大周志超等编、浙
9、大版版 材料现代分析方法材料现代分析方法左演声等主编、北京工左演声等主编、北京工大版大版 现代材料研究方法现代材料研究方法 王世中王世中 臧鑫士主编臧鑫士主编 北北京航空航天大学版京航空航天大学版 材料分析方法材料分析方法周玉主编，机械工业出版社周玉主编，机械工业出版社 12第一章 X射线衍射分析本章主要讲以下内容：本章主要讲以下内容： X X射线的物理基础；射线的物理基础；晶体的点阵结构（简介）；晶体的点阵结构（简介）；X X射线衍射几何条件（重点讲射线衍射几何条件（重点讲BraggBragg定律）；定律）；X X射线衍射束的强度；射线衍射束的强度；多晶体的物相定性分析和定量分析；多晶体的物
10、相定性分析和定量分析；X X射线衍射仪（射线衍射仪（XRDXRD）的原理、结构和应用；）的原理、结构和应用；晶粒度的测定及晶粒度的测定及X X射线衍射分析在其他方面的射线衍射分析在其他方面的应用。应用。第一章第一章 X X射线衍射分析射线衍射分析13绪绪 论论一、一、X X射线的发现与射线的发现与X X射线学的发展射线学的发展1、1895年11月W.C.Roentgen研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线，称为的射线，称为X X射线射线( (伦琴射线伦琴射线) )。当即在医学上应用X射线透视技术。 Rontgen因为发现了X射线，于1901年获得第一
11、个诺贝尔物理奖。 14152、1912年劳埃(M.Von Laue)以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了确定了X X射线的电磁波性射线的电磁波性和晶体结构的周期性晶体结构的周期性。1914年劳埃获得诺贝尔物理奖。 Laue Equation:Laue Equation:LaueLaue实验及后来证实了：实验及后来证实了： X射线具有波粒二象性，它波长短，光子能量(E=h) 大。 X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。 X射线波长介于紫外线和-射线之间，波长范围0.01-100。16173、在1912年前后，William Henry Brag
12、g用电离分光计研究X射线谱，并用以测量衍射线的方向和强度。他发现他发现X X射线谱中射线谱中除有连续光谱外，尚有波长取决于靶材的特征光谱，它可除有连续光谱外，尚有波长取决于靶材的特征光谱，它可为晶体衍射提供波长单一、强度集中的特征为晶体衍射提供波长单一、强度集中的特征X X射线射线。金刚石是第一个应用特征射线的衍射数据测定结构的晶体，下图中示出了金刚石的结构。 W.H.Bragg的儿子William Lawrence Bragg对X射线衍射研究也感兴趣。1912年夏，W.L.Bragg利用NaCl、KCl、ZnS等晶体进行X射线衍射实验，他将晶体出现衍射看作晶体中原子面的反射，测定出NaCl、
13、KCl、ZnS等第一批晶体的结构，同时推导出满足衍射条件的推导出满足衍射条件的BraggBragg方程。方程。 1914年，W.L.Bragg发表了金属铜的晶体结构。这一结构提供了金属中原子进行密堆积的实验数据。证实了W.Barlow（巴罗）关于金属中原子密堆积的模型。1915年布拉格父子获得诺贝尔奖。 18194、1922年10月，美国芝加哥大学康普顿（Arthur Holly Compton）教授与中国研究生吴有训研究X射线非相干散射促进了X射线学的发展。他们发现当X射线光子与照射物质中束缚力不太大的外层电子碰撞时，电子一部分能量成为反冲电子，而原光子却因碰撞而损失能量，使X射线波长增加，
14、以减少能量增加波长的形式改变传播方向，成为非相干散射。这是从量子论出发设想的，而实验现象是1922年10月康普顿和吴有训发现的，故称康-吴效应。这一实验的成功为爱因斯坦1905年提出的光量子假说提供了有力证据。1927年康普顿也因此获得诺贝尔奖。2021二、二、X X射线衍射仪的发展射线衍射仪的发展1 、从劳埃的简单的硫酸铜单晶装置、旋转晶体法到四圆衍射仪，研究单晶晶体结构、对称性等。2 、1916年德国科学家德拜（Debye）、谢乐（Scherrer）， 1917年美国科学家Hull提出通过粉末状晶体研究物相组成、含量等，并发明了Debye照相法。3 20世纪 40年代后期，基于光子计数器的
15、发明，根据Bragg和Brentano提出思想，采用计数器作为X射线探测器的衍射仪的研制，使衍射谱图的测量分析方便、快速、准确。粉末衍射仪在各主要领域中取代了照相法成为进行晶体结构分析的最主要设备。4 、20世纪70年代同步辐射强光源和计算机技术的应用使得多晶体衍射技术更有了突飞猛进，大大提高X射线衍射的分辨率和准确性，实现仪器运行与图谱分析自动化。特别是数字衍射谱的获得，Rietveld全谱拟合技术的应用，拓展了应用范围，使多晶体衍射从头解晶体结构成为可能。22四圆衍射仪四圆衍射仪(X(X射线单晶影像板系统射线单晶影像板系统) )234、1922年10月，美国芝加哥大学康普顿（Arthur
16、Holly Compton）教授与中国研究生吴有训研究X射线非相干散射促进了X射线学的发展。他们发现当X射线光子与照射物质中束缚力不太大的外层电子碰撞时，电子一部分能量成为反冲电子，而原光子却因碰撞而损失能量，使X射线波长增加，以减少能量增加波长的形式改变传播方向，成为非相干散射。这是从量子论出发设想的，而实验现象是1922年10月康普顿和吴有训发现的，故称康-吴效应。这一实验的成功为爱因斯坦1905年提出的光量子假说提供了有力证据。1927年康普顿也因此获得诺贝尔奖。24三、在材料科学研究中的应用三、在材料科学研究中的应用 X射线衍射分析的应用在材料研究中发挥重大作用。X射线衍射分析在晶体结
17、构，特别是纳米材料的结构研究、材料的相分析和原位无损化学成分分析、材料的织构分析、材料残余应力和微观应变（晶格畸变、点缺陷、层错等）研究等方面发挥了巨大和不可替代的作用。 X射线粉末衍射分析的应用更为广泛，通过对衍射峰强度准确测量，使物相分折从定性发展到定量；点阵常数的测定；通过对衍射峰峰形也称衍射线线形的分析来测定多晶聚集体的某些性质，如晶粒尺寸、外形和尺寸分布等；在此基础上，又进一步发展到研究晶体的真实结构，如研究存在于晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，使X射线多晶体衍射技术成为最重要的材料表征技术之一。251 . 1 . 单晶晶体结构研究单晶晶体结构研究 早期研究晶体结构主要采用单晶的劳
18、埃法和晶体旋转法，特别是与计算机配合后，四圆衍射法使晶体结构的测定效率和精度大提高了。2 . 2 . 物相定性、定量分析和点阵参数测定物相定性、定量分析和点阵参数测定3. 3.宏观残余应力测定与织构研究宏观残余应力测定与织构研究 通过对残余应力和织构的研究，对生产和应用材料很有意义。4. 4. 微结构研究微结构研究 包括晶粒尺寸、外形、尺寸分布和晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，这些都与线形有关。5. 5. 从头解晶体结构从头解晶体结构6. 6. 原位动态分析原位动态分析7. 7. 薄膜分析薄膜分析8 . 8 . 微区试样分析微区试样分析26 第一节：第一节： X X射线射线 的物理基础的物理
19、基础 一、一、 X X射线的性质射线的性质 1 1、 X X射线的性质射线的性质 2 2、 X X射线的获得射线的获得二、二、 X X射线谱射线谱 1 1、定义、定义 2 2、分类、分类三、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射线的衰减射线的衰减27一、一、 X X射线的性质射线的性质 1 1、 X X射线的性质射线的性质肉眼看不见，但可使底片感光；肉眼看不见，但可使底片感光；沿直线传播，传播方向沿直线传播，传播方向不受电磁场的影响；不受电磁场的影响；具有具有很强的穿透能力；很强的穿透能力； 穿过物质时，可被偏振化，并被物质吸收而使穿过物质时，可被偏振化，并被物
20、质吸收而使强度衰减；强度衰减；能使空气或其他气体电离；能使空气或其他气体电离；能杀伤生物细胞、对人体有害等。能杀伤生物细胞、对人体有害等。28X X射线的本质：属于电磁波射线的本质：属于电磁波波长：波长：1010-2 -210102 2埃之间，介于埃之间，介于 射线和紫外线之间射线和紫外线之间2 2、 X X射线的强度射线的强度 定义定义：指单位时间内通过垂直：指单位时间内通过垂直X X射线方向的单位射线方向的单位面积上的光子数目（单位面积上的光子流率）面积上的光子数目（单位面积上的光子流率）单位单位：尔格：尔格/ / 厘米厘米2 2秒（秒（实际使用的单位是实际使用的单位是CPSCPS表示每秒
21、钟探测到光子数表示每秒钟探测到光子数）X X射线的强度用大写字母射线的强度用大写字母I I表示，表示， X X射线的剂量表射线的剂量表示光子的能量大小，单位用伦琴（示光子的能量大小，单位用伦琴（R R）表示。）表示。在在X X射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量。293 3、 X X射线的发生射线的发生在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中以极高的速度撞向阳极靶时，将产生以极高的速度撞向阳极靶时，将产生X X射线。射线。阳极靶的材料一般用重元素如：阳极靶的材料一般用重元素如：CrCr、FeFe、CoCo、CuCu、M
22、oMo、AuAu、WW等，常规实验使用等，常规实验使用CuCu靶。靶。图、图、 密封式密封式X X射线管构造示意图射线管构造示意图30 管子的核心部件是阴极灯丝和阳极靶。灯丝一般由细的钨丝绕成一长的螺旋制管子的核心部件是阴极灯丝和阳极靶。灯丝一般由细的钨丝绕成一长的螺旋制成，用来发射电子。热发射的电子在聚焦罩的作用下汇聚成线状，轰击在阳极靶面成，用来发射电子。热发射的电子在聚焦罩的作用下汇聚成线状，轰击在阳极靶面上，发出韧致辐射及特征辐射。电子在靶面上焦斑的标准尺寸为上，发出韧致辐射及特征辐射。电子在靶面上焦斑的标准尺寸为1 mm 1 mm 10mm10mm。由。由于能转变为于能转变为X X射
23、线的电子的能量只是总电子能量的一小部分，不足百分之几，其余的射线的电子的能量只是总电子能量的一小部分，不足百分之几，其余的均转变为热能，有可能把靶子烧熔。因此，为了连续得到均转变为热能，有可能把靶子烧熔。因此，为了连续得到X X射线，阳极靶必须用流动射线，阳极靶必须用流动冷水冷却以带走热量，同时，靶子材料一般由传热性能良好的铜构成。在需要用非冷水冷却以带走热量，同时，靶子材料一般由传热性能良好的铜构成。在需要用非铜辐射时，一般将其他金属涂敷或镶嵌于铜的基底上。管壳由金属和玻璃对接而成。铜辐射时，一般将其他金属涂敷或镶嵌于铜的基底上。管壳由金属和玻璃对接而成。由于在阴阳极之间一般需加数万伏的高压
24、，阳极接地而阴极为负高压，玻璃就是在由于在阴阳极之间一般需加数万伏的高压，阳极接地而阴极为负高压，玻璃就是在阴阳极之间及阴极和管座之间起绝缘作用。在阴阳极之间及阴极和管座之间起绝缘作用。在X X射线管壳上，一般开有四个窗口，两射线管壳上，一般开有四个窗口，两个在长条形螺旋灯丝的两端，其中心与靶面中心的连线与靶面成个在长条形螺旋灯丝的两端，其中心与靶面中心的连线与靶面成5105100 0的角度，称取的角度，称取出角。因此在垂直于上述连线的垂直面上看到的是一个点，是为点光源；而另两个出角。因此在垂直于上述连线的垂直面上看到的是一个点，是为点光源；而另两个开在与长形灯丝平行的方向，其中心连线方向与长
25、形螺旋灯丝的轴垂直，故得到的开在与长形灯丝平行的方向，其中心连线方向与长形螺旋灯丝的轴垂直，故得到的是线焦点。四个窗口在同一个平面上。这种是线焦点。四个窗口在同一个平面上。这种X X射线管比之伦琴当时所用的阴极射线管射线管比之伦琴当时所用的阴极射线管更复杂、精密和完善。更重要的是其功率大了许多，从几十瓦发展到几百瓦，甚至更复杂、精密和完善。更重要的是其功率大了许多，从几十瓦发展到几百瓦，甚至数千瓦，一般铜靶的功率在数千瓦，一般铜靶的功率在2000W2000W左右，钨、钼靶的功率可以更高。左右，钨、钼靶的功率可以更高。31二、二、 X X射线谱射线谱1 1、定义：、定义： X X射线强度随波长变
26、化的曲线。射线强度随波长变化的曲线。2 2、分类、分类（1 1）连续的）连续的X X射线谱射线谱（2 2）特征的）特征的X X射线谱射线谱I K K K K 32（1 1）连续的）连续的X X射线谱射线谱具有从某个最短波长（短波极限具有从某个最短波长（短波极限 0 0）开始的连续）开始的连续的各种波长的各种波长的的X X射线（即：波长范围为射线（即：波长范围为 0 0）。）。由高速运动的带电粒子受阳极靶阻碍（突然减由高速运动的带电粒子受阳极靶阻碍（突然减速）而产生。速）而产生。I 33连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材连续射线的总强度与管电压、管电流及阳极材料（一般为钨靶）的原子序数有下
27、列关系：料（一般为钨靶）的原子序数有下列关系： I I连续连续=kiZV=kiZVm mV VI m 034（2 2）特征的）特征的X X射线谱射线谱由若干条特定波长的谱线构成。由若干条特定波长的谱线构成。当管电压超过一定的数值（激发电压当管电压超过一定的数值（激发电压V V激激）时产生。这种谱线的波长与时产生。这种谱线的波长与X X射线射线管电压管电压、管电流管电流等工作条件无关，只决定于等工作条件无关，只决定于阳极材阳极材料料，不同元素的阳极材料发出不同波长的不同元素的阳极材料发出不同波长的X X射线。射线。因此叫特征因此叫特征X X射线。射线。35 老老BraggBragg发现了发现了X
28、 X射线的特征谱射线的特征谱, ,莫塞莱莫塞莱(Moseley(Moseley）对其进行了研究，并推导出了）对其进行了研究，并推导出了K K 射线的波长射线的波长 K K 的计算公式为：的计算公式为： K K = 4/3R= 4/3R（Z Z ）2 2式中：式中： Z Z阳极靶的原子序数；阳极靶的原子序数； R R常数；常数； 屏蔽系数。屏蔽系数。 该式就是著名的莫塞莱定律，该式就是著名的莫塞莱定律，表示表示K K系特系特征征X X射线的波长与阳极靶的原子序数的平方射线的波长与阳极靶的原子序数的平方近似成反比关系。近似成反比关系。36 K K 射线的强度大约是射线的强度大约是K K 射线强度的
29、射线强度的5 5倍，倍，因此，在实验中均采用因此，在实验中均采用K K 射线。实验中发现射线。实验中发现CuCu靶的靶的K K 谱线的强度大约是连续谱线及临近谱线的强度大约是连续谱线及临近射线强度的射线强度的9090倍。倍。 K K 谱线又可分为谱线又可分为K K 1 1和和K K 2 2， K K 1 1的强度的强度是是K K 2 2强度的强度的2 2倍，且倍，且K K 1 1和和K K 2 2射线的波长射线的波长非常接近，仅相差非常接近，仅相差0.0040.004左右，通常无法分左右，通常无法分辨，因此，一般用辨，因此，一般用K K 来表示。但在实际实验来表示。但在实际实验中有可能会出现两
30、者分开的情况。中有可能会出现两者分开的情况。37特征特征X X射线谱产生的原因：原子内层电子的射线谱产生的原因：原子内层电子的跃迁。跃迁。三、三、 X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用入射入射X射线射线透过透过X射线射线热能热能散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线38入射入射X射线射线散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的光电子光电子俄歇电子俄歇电子光电效应光电效应俄歇效应俄歇效应康普顿效应康普顿效应热热透过透过X射线射线 391 1、散射现象、散射现象相相干干（经（经典散典散射）射）与原子内紧束缚与原子内紧束缚电子刚性碰撞电子刚性碰撞波长与
31、入射波长与入射波相同波相同有一定的位有一定的位相关系相关系相互干涉产相互干涉产生衍射条纹生衍射条纹非非相相干干与自由电子或原与自由电子或原子内紧束缚电子子内紧束缚电子非刚性碰撞非刚性碰撞波长与入射波长与入射波不同波不同不互相干涉不互相干涉由于散射于由于散射于各个方向，各个方向，强度很低，强度很低，形成连续的形成连续的背景背景402 2、光电吸收（即光电效应）、光电吸收（即光电效应）内层电子吸收内层电子吸收X X射线光子的能量，使之成为具有射线光子的能量，使之成为具有一定能量的光电子，原子处于高能激发态，一定能量的光电子，原子处于高能激发态， X X射射线光子被吸收，这种过程叫光电吸收或光电效应
32、。线光子被吸收，这种过程叫光电吸收或光电效应。（1 1）、荧光）、荧光X X射线射线：是由：是由X X射线激发出的二次射线激发出的二次X X射线，不同的元素被激发的荧光射线，不同的元素被激发的荧光X X射线波长不同。射线波长不同。 X X射线荧光光谱仪就是据此进行元素成分分析的。射线荧光光谱仪就是据此进行元素成分分析的。（2 2）、俄歇效应）、俄歇效应：用俄歇效应可分析试样的成：用俄歇效应可分析试样的成分和表面状态等很多信息。现在也有专门的俄歇分和表面状态等很多信息。现在也有专门的俄歇谱仪以及与电子显微镜联用的俄歇分析仪。谱仪以及与电子显微镜联用的俄歇分析仪。41四、四、 X X射线的衰减射线
33、的衰减X X射线的衰减（吸收）：射线的衰减（吸收）：当当X X射线穿过物质时，因受到射线穿过物质时，因受到散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。散射、光电效应等的影响，强度减弱的现象。1 1、强度衰减规律、强度衰减规律 I=II=I0 0e e- - 1 1x x I I0 0 原始强度原始强度线吸收系数线吸收系数 1 1 ：单位厚度物质对：单位厚度物质对X X射线的吸收能力。射线的吸收能力。对于一定的物质对于一定的物质 1 1是常数。实验证明是常数。实验证明 1 1与物质的密度与物质的密度 成正比即成正比即： 1 1 = = m m m m ：质量系数系数（只与吸收体的原子序数质量系数系数
34、（只与吸收体的原子序数Z Z和和X X射线射线的波长有关）。的波长有关）。线吸收系数线吸收系数 1 1和质量系数系数和质量系数系数 m m 都是物质的固有特性。都是物质的固有特性。42穿过物体后的强度可表示如下：穿过物体后的强度可表示如下： I=II=I0 0e e- - m m x x多种元素组成的吸收体其质量吸收系数是其多种元素组成的吸收体其质量吸收系数是其 组成组成元素的质量吸收系数的加权平均值：元素的质量吸收系数的加权平均值： m m = = 1 1 m1m1 + + 2 2 m2m2 + + 3 3 m3m3 + + 1 1 、 2 2 、 3 3 ：吸收体中各元素的质量百分数。：吸
35、收体中各元素的质量百分数。元素的质量系数与入射波长有以下关系元素的质量系数与入射波长有以下关系43 m m =Z3 3系数限系数限 k L1 L2 L3 吸收限形成的原吸收限形成的原因：因：与光电吸收有关。与光电吸收有关。结论：在二个相邻的突变点之间的区域，有以下结论：在二个相邻的突变点之间的区域，有以下关系：关系： m m =Z =Z3 3 3 3即：波长愈短，吸收体原子愈轻，透过率愈大。即：波长愈短，吸收体原子愈轻，透过率愈大。吸收限两边吸收系数相差悬殊。吸收限两边吸收系数相差悬殊。442 2、X X射线滤波片射线滤波片K K m X X射线滤波片作用：射线滤波片作用：产生单色光，由于产生
36、单色光，由于K K 光强度大，一般光强度大，一般采用采用K K 单色光。单色光。X X射线滤波片的选择：射线滤波片的选择：当当Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤滤= Z= Z靶靶-1 -1；当；当Z Z靶靶4040时，时， Z Z滤滤= Z= Z靶靶-2.-2.45阳极靶的选择阳极靶的选择 在在X X射线衍射实验中，若入射射线衍射实验中，若入射X X射线在射线在试样上产生荧光试样上产生荧光X X射线，则增加衍射花样射线，则增加衍射花样的背景，对衍射分析不利。若针对试样的的背景，对衍射分析不利。若针对试样的原子序数调整靶材的种类，即可避免产生原子序数调整靶材的种类，即可避免产生荧光荧光X X射线
37、。射线。选择阳极靶的经验公式：选择阳极靶的经验公式： Z Z靶靶Z Z试样试样+1+146第二节：第二节： 晶体的点阵结构晶体的点阵结构 关于晶体的基本知识，在关于晶体的基本知识，在“材料科学基础材料科学基础”中已经学过，因此，本节我们共同复习一下有中已经学过，因此，本节我们共同复习一下有关晶体的一些概念，包括晶体和非晶体、点阵关晶体的一些概念，包括晶体和非晶体、点阵和单位点阵（单胞）、点阵参数和密勒指数和单位点阵（单胞）、点阵参数和密勒指数（晶面指数）、晶系和布拉菲点阵、多重性因（晶面指数）、晶系和布拉菲点阵、多重性因子与晶面族、点阵中的晶向和晶面间距等。子与晶面族、点阵中的晶向和晶面间距等
38、。晶体材料是晶体材料是X X射线衍射分析的主要对象。射线衍射分析的主要对象。47晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体，或晶体是内部质点在三维空间成周期性排列的固体，或者说晶体是具有格子构造的固体。也可定义为具有各者说晶体是具有格子构造的固体。也可定义为具有各向异性物理化学性质的均匀物质向异性物理化学性质的均匀物质. .非晶体的物质内部在三维空间不做规律排列，非晶体的物质内部在三维空间不做规律排列，即不具格子构造。如玻璃、塑料、沥青等。即不具格子构造。如玻璃、塑料、沥青等。晶体和非晶体在一定条件下是可以转化的。由晶体和非晶体在一定条件下是可以转化的。由非晶向晶体的转化叫晶化或脱玻璃化；由晶
39、体非晶向晶体的转化叫晶化或脱玻璃化；由晶体向非晶的转变叫非晶化或玻璃化。向非晶的转变叫非晶化或玻璃化。1.2.11.2.1晶体和非晶体晶体和非晶体48491.2.2 1.2.2 点阵和单位点阵（单胞）点阵和单位点阵（单胞） 晶体中各周期重复单位中的等同代表点晶体中各周期重复单位中的等同代表点叫叫节点节点; ;连接晶体中的各节点可形成平行连接晶体中的各节点可形成平行六面体形的格子六面体形的格子, ,叫叫点阵点阵。 连接晶体中相临节点而形成的单位平行连接晶体中相临节点而形成的单位平行六面体，称为六面体，称为单位点阵（单胞）单位点阵（单胞）。单位。单位点阵可点阵可 有许多选取方式。常见的单胞有有许多
40、选取方式。常见的单胞有面心点阵、体心点阵等。面心点阵、体心点阵等。501.2.3 1.2.3 点阵参数和密勒指数（晶面指数）点阵参数和密勒指数（晶面指数） 平行于单胞棱线的三个轴称为晶轴，单平行于单胞棱线的三个轴称为晶轴，单胞的三个轴长胞的三个轴长a a0 0、b b0 0、c c0 0极其轴间夹角极其轴间夹角 、 、 称为称为点阵参数点阵参数或或点阵常数点阵常数。 所有节点都能够放在一组相互平行的等所有节点都能够放在一组相互平行的等间距平面上，这些平面称为晶面。若离间距平面上，这些平面称为晶面。若离坐标原点距离最近的面在晶轴上的截距坐标原点距离最近的面在晶轴上的截距分别为分别为a/ha/h、
41、b/kb/k、c/lc/l时，用（时，用（hklhkl）来表）来表示这组晶面，示这组晶面， （hklhkl）就称为）就称为密勒指数密勒指数或或晶面指数晶面指数。51 晶系（晶系（7 7种）种）晶晶 轴轴 布拉菲点阵和布拉菲点阵和记号记号 （14种）种）阵点坐标阵点坐标 单胞中的原单胞中的原子数子数 立方晶系立方晶系 cubiccubic a=b=ca=b=c=90=900 0 简单立方简单立方 P P体心立方体心立方 I I面心立方面心立方 F F 000 000000,000,000, 000, 124正方晶系正方晶系 tetragonaltetragonala=bca=bc=90=900
42、0 简单正方简单正方 P P体心正方体心正方 I I 000000 000000，. . 12斜方晶系斜方晶系 orthorhombicorthorhombic abcabc=90=900 0 简单斜方简单斜方 P P体心斜方体心斜方 I I底心斜方底心斜方C C 面心斜方面心斜方 E E 000000 000000，000000，000000，1224菱方晶系菱方晶系 rhombohedralrhombohedral a=b=ca=b=c=90=900 0 简单菱方简单菱方 P P 000 000 1六方晶系六方晶系 hexagonalhexagonal a=bca=bc =90=900 0
43、 1201200 0 简单六方简单六方 P P 000000 1单斜晶系单斜晶系 monoclinicmonoclinic abcabc =90=900 0 简单单斜简单单斜 P P 底心单斜底心单斜 C C 000000000000，12三斜晶系三斜晶系 triclinictriclinic abcabc 90900 0简单三斜简单三斜 P P 00000011.2.41.2.4晶系和布拉菲点阵晶系和布拉菲点阵521.2.5 1.2.5 多重性因子与晶面族多重性因子与晶面族 在一个单胞中，有若干组以对称性相联系的在一个单胞中，有若干组以对称性相联系的等效晶面，叫等效晶面，叫晶面族晶面族。如立
44、方晶系中。如立方晶系中（100100）、（）、（010010）、（）、（001001）、（）、（ 100 100）、）、（ 0 100 10）、）、 （00 100 1）六个晶面均为等效晶）六个晶面均为等效晶面，用面，用100100来代表，表示上述六个晶面同来代表，表示上述六个晶面同属于属于100100晶面族。晶面族。 把属于某一晶面族的等效晶面的数目叫做把属于某一晶面族的等效晶面的数目叫做多重性因子多重性因子。用字母。用字母P P表示。表示。531.2.61.2.6点阵中的晶向和晶面间距点阵中的晶向和晶面间距点阵中的晶向通过原点的直线作代表，点阵中的晶向通过原点的直线作代表，用该直线上的任意
45、一个节点的坐标用该直线上的任意一个节点的坐标uvwuvw（叫晶向指数）来表示。（叫晶向指数）来表示。 一组指数为（一组指数为（hklhkl）的晶面是以等间距排）的晶面是以等间距排列的，称这个间距为晶面间距，用列的，称这个间距为晶面间距，用d dhklhkl简简写为写为d d表示。表示。P17P17表表1-31-3给出了各个晶系计给出了各个晶系计算晶面间距算晶面间距d dhklhkl的公式。的公式。54二、晶面间距和晶面夹角的计算二、晶面间距和晶面夹角的计算利用倒易点阵与正格子间的关系导出利用倒易点阵与正格子间的关系导出晶晶面间距和晶面夹角。面间距和晶面夹角。 d dh1h2h3h1h2h3=2
46、=2 / |k/ |kh1h2h3h1h2h3| | 两边开平方，两边开平方， 将将k kh1h2h3h1h2h3 =h =h1 1b b1 1+h+h2 2b b2 2+h+h3 3b b3 3及及P P1414（126126）到（）到（131131）代入，经过）代入，经过数学运算，得到数学运算，得到P P1717表表1313的面间距公式的面间距公式晶面夹角晶面夹角 ： k k1 1 k k2 2 = = k1 k2 COS COS 55三、晶带三、晶带定义：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的定义：晶体中平行于同一晶向的所有晶面的总体称为晶带。总体称为晶带。56第三节、第三节、 X X射线的衍
47、射方向射线的衍射方向 在讨论了在讨论了X X射线的物理学基础和晶体学基射线的物理学基础和晶体学基础之后，现在研究础之后，现在研究X X射线照射到晶体上产生射线照射到晶体上产生的问题。的问题。 X X射线照射到晶体上产生的衍射花样，除射线照射到晶体上产生的衍射花样，除与与X X射线有关外，主要受晶体结构的影响。射线有关外，主要受晶体结构的影响。晶体结构与衍射花样之间有一定的内在联系，晶体结构与衍射花样之间有一定的内在联系，通过对衍射花样的分析，就能测定晶体结构通过对衍射花样的分析，就能测定晶体结构和研究与结构相关的一系列问题。和研究与结构相关的一系列问题。57 X X射线衍射理论能将晶体与衍射花
48、样有射线衍射理论能将晶体与衍射花样有机地联系起来，它包括衍射线束的方向、机地联系起来，它包括衍射线束的方向、强度和形状。强度和形状。 衍射线束的方向由晶胞的形状大小决定，衍射线束的方向由晶胞的形状大小决定，衍射线束的强度由晶胞中原子的位置和种衍射线束的强度由晶胞中原子的位置和种类决定，而衍射线束的形状大小与晶体的类决定，而衍射线束的形状大小与晶体的形状大小相关。形状大小相关。 在讨论一个小晶体的衍射强度时，可以在讨论一个小晶体的衍射强度时，可以引出衍射线束的方向和形状，即这三者是引出衍射线束的方向和形状，即这三者是一个有机的整体。为了便于理解和掌握，一个有机的整体。为了便于理解和掌握，先讨论衍
49、射线束的方向。先讨论衍射线束的方向。58 1 1、LaueLaue方程方程 2 2、BraggBragg方程方程条件：条件：X X射线源、观测点与晶体的距离都比晶体的线射线源、观测点与晶体的距离都比晶体的线度大的多，入射线和衍射线可看成平行光线；度大的多，入射线和衍射线可看成平行光线；散射前后的波长不变散射前后的波长不变, ,且为单色。且为单色。 59 CO= -R CO= -Rl l S S0 0 OD= R OD= Rl l S S 衍射加强条件：衍射加强条件： R Rl l （ S SS S0 0 ）= = 有有：k ko o=(2=(2 / / ) ) S S0 0 k=(2 k=(2
50、 / / ) ) S S 得得：R Rl l （ k kk k0 0 ）= 2= 2 1 1、LaueLaue方程方程C CR Rl lD D衍射线单位基矢衍射线单位基矢S S O OA A入射线单位基矢入射线单位基矢S S0 0602. Bragg2. Bragg方程方程 BraggBragg方程的推导方程的推导 三点假设：三点假设：（1 1）、由于晶体的周期性，可将晶体）、由于晶体的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距视为由许多相互平行且晶面间距d d相等的原子面组成；相等的原子面组成；（2 2）、由于）、由于X X射线具有穿透性，认为射线具有穿透性，认为X X射线可照射射线可照射
