材料现代分析与测试第一章 X射线衍射分析
现代分析测试技术_01X射线衍射分析原理综合练习
第一章X射线衍射分析原理（红色的为选做，有下划线的为重点名词或术语或概念）1．名词、术语、概念：晶面指数，干涉指数（衍射指数，反射指数），倒易点阵，倒易矢量，晶带，连续X射线，短波限，特征X射线，Kα射线，Kβ射线，X射线弹性散射（相干散射，经典散射，汤姆逊散射），X射线非弹性散射（非相干散射，康普顿散射，康普顿-吴有训散射，量子散射），光电效应，荧光辐射，俄歇效应，俄歇电子，吸收限，线吸收系数，质量吸收系数，选择反射，掠射角（布拉格角，半衍射角），散射角，衍射角，结构因子（结构因素），系统消光，点阵消光，结构消光，多重性因子等。
2．干涉指数是对晶面（）与晶面（）的标识，而晶面指数只标识晶面的（）。
3．晶面间距分别为d110／2，d110/3的晶面，其干涉指数分别为（）和（）。
4．倒易矢量r*HKL的基本性质：r*HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶面，其长度|r*HKL|等于(HKL)之晶面间距d HKL的（）。
5．萤石（CaF2）的（220）面的晶面间距d220=0.193nm，其倒易矢量r*220垂直于正点阵中的（220）面，长度|r*220|=（）nm-1。
6．晶体中的电子对X射线的散射包括（）与（）两种。
7．X射线激发固体中原子内层电子使原子电离，原子在发射光电子的同时内层出现空位，此时原子（实际是离子）处于激发态，将发生较外层电子向空位跃迁以降低原子能量的过程，此过程可称为退激发或去激发过程。
退激发过程有两种互相竞争的方式，即发射（）或发射（）。
8．X射线衍射波的两个基本特征是（）和（）。
9．X射线照射晶体，设入射线与反射面之夹角为θ，称为（）或（）或（），则按反射定律，反射线与反射面之夹角也应为θ；入射线延长方向与反射方向之间的夹角2θ叫（）。
10．产生衍射的必要条件是（），充分条件是（）。
11．干涉指数表示的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，即干涉指数表示的晶面上不一定有原子分布。
(完整版)材料现代分析方法第一章习题答案解析
第一章1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？答：X射线学分为三大分支：X射线透射学、X射线衍射学、X射线光谱学。
X射线透射学的研究对象有人体，工件等，用它的强透射性为人体诊断伤病、用于探测工件内部的缺陷等。
X射线衍射学是根据衍射花样，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的相关的各种问题。
X射线光谱学是根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。
2. 试计算当管电压为50 kV时，X射线管中电子击靶时的速度与动能，以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大能量是多少？解：已知条件：U=50kV电子静止质量：m0=9.1×10-31kg光速：c=2.998×108m/s电子电量：e=1.602×10-19C普朗克常数：h=6.626×10-34J.s电子从阴极飞出到达靶的过程中所获得的总动能为：E=eU=1.602×10-19C×50kV=8.01×10-18kJ由于E=1/2m0v02所以电子击靶时的速度为：v0=(2E/m0)1/2=4.2×106m/s所发射连续谱的短波限λ0的大小仅取决于加速电压：λ0（Å）＝12400/U(伏) ＝0.248Å辐射出来的光子的最大动能为：E0＝hv＝h c/λ0＝1.99×10-15J3. 说明为什么对于同一材料其λK<λKβ<λKα?答:导致光电效应的X光子能量＝将物质K电子移到原子引力范围以外所需作的功hV k = W k以kα为例:hV kα = E L– E khe = W k – W L = hV k – hV L ∴h V k > h V k α∴λk<λk α以k β 为例:h V k β = E M – E k = W k – W M =h V k – h V M ∴ h V k > h V k β∴ λk<λk βE L – E k < E M – E k ∴hV k α < h V k β∴λk β < λk α4. 如果用Cu 靶X 光管照相，错用了Fe 滤片，会产生什么现象？答：Cu 的K α1,K α2, K β线都穿过来了，没有起到过滤的作用。
材料现代分析技术整理
第一部份 X 射线衍射分析（XRD ）1. K 系特点谱线特点：由L 、M 、N 等壳层的电子跃迁到K 壳层的空位时发出的X 射线，别离称为K α、K β、K γ谱线，一起组成K 线系特点谱线。
K α特点谱线最强，比相邻谱线强90倍，是最经常使用的谱线。
2. 特点X 射线的产生：在原子内固定壳层上的电子具有特定能量，当外加能量足够大时，可将内层电子激发出去，形成一个内层空位，外壳层的电子跃迁到内层，多余的能量以X 射线形式放出。
3. X 射线的本质为电磁波。
4. 滤光片的目的和材料：用来过滤或降低X 射线光谱中的持续X 射线和K β线的金属薄片,K β大部份被吸收，K α损失较小，滤波片材料的原子表达一样比X 射线管靶材的原子序数低1。
5. CuK α的含义：以Cu 作为靶材，高速电子轰击在铜靶上，使铜K 层产生了空位，L 层电子跃迁到K 层，产生K 系特点辐射。
6. X 射线的衍射方向是依照布拉格方程理论推导出的。
7. 布拉格方程的推导：含义：线照射晶体时，只有相邻面网之间散射的X 射线光程差为波长的整数倍时，才能产生干与增强，形成衍射线，反之不能形成衍射线。
λθn d hkl =sin 2讨论：（1） 当λ必然，d 相同的晶面，必然在θ相同的情形下才能取得反射。
（2） 当λ必然，d 减小，θ就要增大，这说明间距小的晶面，其掠过角必需是较大的，不然它们的反射线无法增强，在考察多晶体衍射时，这点由为重要。
（3） 在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：d 2≤λ，但波长太短致使衍射角过小，使衍射现象难以观测，经常使用X 射线的波长范围是0.25~0.05nm 。
（4） 波长一按时，只有2/λ≥d 的晶面才能发生衍射—衍射的极限条件。
8. X 射线的强度（严格概念）单位时刻内通过衍射方向垂直单位面积上X 射线光量子数量。
表示方式：衍射峰高度或衍射峰积分面积。
理论计算)(2θφPF I =（P-多重性因数，F-结构因子，)(θφ-因数）。
材料现代分析测试方法习题答案
hc 1.24 10 3 与某物质的吸收 eV V
hc 1.24 ห้องสมุดไป่ตู้0 3 有何不同（V 和 VK 以 kv 为单位）？ eVk Vk
10. Ⅹ射线与物质有哪些相互作用？规律如何？对 x 射线分析有何影响？反冲电子、光电子 和俄歇电子有何不同？ 11. 试计算当管压为 50kv 时，Ⅹ射线管中电子击靶时的速度和动能，以及所发射的连续谱 的短波限和光子的最大能量是多少？ 12. 为什么会出现吸收限？K 吸收限为什么只有一个而 L 吸收限有三个？当激发 X 系荧光Ⅹ 射线时，能否伴生 L 系？当 L 系激发时能否伴生 K 系？ 13. 已知钼的λKα＝0.71Å，铁的λKα＝1.93Å 及钴的λKα＝1.79Å，试求光子的频率和能量。 试计算钼的 K 激发电压，已知钼的λK＝0.619Å。已知钴的 K 激发电压 VK＝7.71kv，试求 其λK。 14. X 射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为 lmm，试计算这种铅屏对 CuKα、MoKα辐射的 透射系数各为多少？ 15. 如果用 1mm 厚的铅作防护屏，试求 CrKα和 MoKα的穿透系数。 16. 厚度为 1mm 的铝片能把某单色Ⅹ射线束的强度降低为原来的 23.9％， 试求这种Ⅹ射线的 波长。 试计算含 Wc＝0.8％，Wcr＝4％，Ww＝18％的高速钢对 MoKα辐射的质量吸收系数。 17. 欲使钼靶Ⅹ射线管发射的Ⅹ射线能激发放置在光束中的铜样品发射 K 系荧光辐射，问需 加的最低的管压值是多少？所发射的荧光辐射波长是多少？ 18. 什么厚度的镍滤波片可将 CuKα辐射的强度降低至入射时的 70％？如果入射 X 射线束中 K 2 2 1， 滤波后的强度比是多少？已知μmα＝49.03cm ／g， μmβ＝290cm α和 Kβ强度之比是 5： ／g。 2 19. 如果 Co 的 Kα、Kβ辐射的强度比为 5：1，当通过涂有 15mg／cm 的 Fe2O3 滤波片后，强度 3 2 比是多少？已知 Fe2O3 的ρ=5.24g／cm ，铁对 CoKα的μm＝371cm ／g，氧对 CoKβ的μm
材料分析测试技术 第1章 X射线物理学基础-1
7
2d sin q = nl (n = 1, 2,3,)
5、莫塞菜定律
8
1913年，英国物理学家莫塞莱（1887～1915 ）在研究X射线光 谱时发现：特征X射线频率ν或波长λ只取决于阳极靶物质 的原子能级结构（原子序数），此规律称莫塞莱定律。
K (Z )
或
1
K (Z )
M→L Lα谱线 (跨越 1个能级 )
N→L Lβ谱线 (跨越 2个能级 )
依次类推还有M线系…… 。
N 激发态
K
L
L
M
M 激发态
EM
K
EL
K
L 激发态 Balmer线系，即n = 2 时称为巴耳末线 K 激发态
EK
原子能级示意图
产生机理的分析
29
Kα线比Kβ线 波长长而强度高5倍左右（近邻机会大） 能级间能量差也不均布，愈靠近原子 核的相邻能级间的能量差愈大。
一张X射线衍射照片
CuSO4· 2O衍射照片世界上第 5H
马克斯 • 冯 • 劳埃 (1879-1960)
4.布拉格定律
1912年，英国布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg） 进行了劳埃实 验后得出以下成果: 1.衍射斑点的产生是射线受到类似镜面“反射”的结果; 2.从劳埃方程式导出布拉格方程; 3.推算出KCl及NaCl原子排列方式; 4.并真正测量了X射线波长。
15
3. X射线的性质 1895～1897年间，搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性：
(1) 与物质作用特性:虽人眼看不见，但能使某些物质发出荧光。 使照相底片感光，使气体、原子电离。 (2) 传播及场作用特性:沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。 (3) 物质穿透性:有很强穿透力，通过物质可被吸收而强度衰减。 (4) 与生物体作用特性:还能杀伤生物细胞„„等特性。
现代分析测试技术_01X射线衍射分析原理综合练习
现代分析测试技术_01X射线衍射分析原理综合练习第⼀章X射线衍射分析原理（红⾊的为选做，有下划线的为重点名词或术语或概念）1．名词、术语、概念：晶⾯指数，⼲涉指数（衍射指数，反射指数），倒易点阵，倒易⽮量，晶带，连续X射线，短波限，特征X射线，Kα射线，Kβ射线，X射线弹性散射（相⼲散射，经典散射，汤姆逊散射），X射线⾮弹性散射（⾮相⼲散射，康普顿散射，康普顿-吴有训散射，量⼦散射），光电效应，荧光辐射，俄歇效应，俄歇电⼦，吸收限，线吸收系数，质量吸收系数，选择反射，掠射⾓（布拉格⾓，半衍射⾓），散射⾓，衍射⾓，结构因⼦（结构因素），系统消光，点阵消光，结构消光，多重性因⼦等。
2．⼲涉指数是对晶⾯（）与晶⾯（）的标识，⽽晶⾯指数只标识晶⾯的（）。
3．晶⾯间距分别为d110／2，d110/3的晶⾯，其⼲涉指数分别为（）和（）。
4．倒易⽮量r*HKL的基本性质：r*HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶⾯，其长度|r*HKL|等于(HKL)之晶⾯间距d HKL的（）。
5．萤⽯（CaF2）的（220）⾯的晶⾯间距d220=0.193nm，其倒易⽮量r*220垂直于正点阵中的（220）⾯，长度|r*220|=（）nm-1。
6．晶体中的电⼦对X射线的散射包括（）与（）两种。
7．X射线激发固体中原⼦内层电⼦使原⼦电离，原⼦在发射光电⼦的同时内层出现空位，此时原⼦（实际是离⼦）处于激发态，将发⽣较外层电⼦向空位跃迁以降低原⼦能量的过程，此过程可称为退激发或去激发过程。
退激发过程有两种互相竞争的⽅式，即发射（）或发射（）。
8．X射线衍射波的两个基本特征是（）和（）。
9．X射线照射晶体，设⼊射线与反射⾯之夹⾓为θ，称为（）或（）或（），则按反射定律，反射线与反射⾯之夹⾓也应为θ；⼊射线延长⽅向与反射⽅向之间的夹⾓2θ叫（）。
10．产⽣衍射的必要条件是（），充分条件是（）。
11．⼲涉指数表⽰的晶⾯并不⼀定是晶体中的真实原⼦⾯，即⼲涉指数表⽰的晶⾯上不⼀定有原⼦分布。
现代材料测试技术作业
现代材料测试技术作业第一章X射线衍射分析一、填空题1、X射线从本质上说，和无线电波、可见光、γ射线一样，也是一种。
2、尽管衍射花样可以千变万化，但是它们的基本要素只有三个：即、、。
3、在X射线衍射仪法中，对X射线光源要有一个基本的要求，简单地说，对光源的基本要求是、、。
4、利用吸收限两边相差十分悬殊的特点，可制作滤波片。
5、测量X射线衍射线峰位的方法有七种，它们分别是、、、、、、。
6、X射线衍射定性分析中主要的检索索引的方法有三种，它们分别是、、。
7、特征X射线产生的根本原因是。
8、X射线衍射定性分析中主要的检索索引的方法有三种，它们分别是、和字顺索引。
9、X射线衍射仪探测器的扫描方式可分、、三种。
10、实验证明，X射线管阳极靶发射出的X射线谱可分为两类：和11、当X射线穿过物质时，由于受到散射，光电效应等的影响，强度会减弱，这种现象称为。
12、用于X射线衍射仪的探测器主要有、、、，其中和应用较为普遍。
13、X射线在近代科学和工艺上的应用主要有、、三个方面14、X射线管阳极靶发射出的X射线谱分为两类、。
15、当X射线照射到物体上时，一部分光子由于和原子碰撞而改变了前进的方向，造成散射线；另一部分光子可能被原子吸收，产生；再有部分光子的能量可能在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为。
二、名词解释X-射线的吸收、连续x射线谱、特征x射线谱、相干散射、非相干散射、荧光辐射、光电效应、俄歇电子、质量吸收系数、吸收限、三、问答与计算1、某晶体粉末样品的XRD数据如下，请按Hanawalt法和Fink法分别列出其所有可能的检索组。
2、产生特征X射线的根本原因是什么？3、简述特征X-射线谱的特点。
4、推导布拉格公式，画出示意图。
5、回答X射线连续光谱产生的机理。
6、简述以阴极射线的方式获得X射线所必须具备的条件。
7、简述连续X射线谱的特征8. x射线衍射仪对x光源的要求、光源单色化的方法9. 测角仪的调整要求？10. 测角仪的工作原理以及各狭缝作用？11. 哈纳瓦特与芬克索引的规则？12. 定性物相分析的注意事项？电子显微分析部分（第2、3、4章）一、填空题1、电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的、和。
实验一X射线衍射物相分析
《现代材料微观分析方法》
实验一：X射线衍射物相分析
一、实验目的：
1. 熟悉PDF卡片和三种索引。
2．根据衍射图谱或数据，学会单物相鉴定的方法。
二、实验原理：
物相分析的原理：X射线衍射及其衍射花样
三、实验步骤：
七步法进行单物相分析
四、实验结果与分析
根据衍射图谱，进行相应的计算，得到相关的数据，然后进行标定，得到最终的标定结果（物相、卡片号、干涉面指数）。
五、实验小结
总结实验中的一些注意事项和心得体会。
X射线源为CuKα: 波长λ=0.15406 nm
α
α
α
α
α
X射线源为CuKα: 波长λ=0.15406 nm
X射线源为CuKα: 波长λ=0.15406 nm。
现代材料检测 第一章 X射线物理学基础
• 单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的
能量大小，与A2成正比（波动性观点描述）
23
2.2 短波限的出现
对X射线管施加不同电压时，在X射
线的强度I 随波长λ变化的关系曲线中， 在各种管压下的连续谱都存在一个最
短的波长值λ0，称为短波限。
40
• 一个电子将X射线散射后，在距电子为R处P 2 2 点的强度Ie可表示为： 1 cos 2 re I I
e 0
R
2
汤姆孙公式的分析：
电子对X射线的散射特点：
• 与入射波频率无关
• 强度与到电子的距离的平方成反比，散射线强度很
弱，是大量电子散射波干涉结果
2
本课程内容及要求
1. 内容：X－射线衍射分析的基本原理、实验
方法及应用；透射电镜、扫描电镜等电子 显微分析技术的基本原理与方法及应用； 高聚物材料等分析测试技术基本原理及应 用。
2. 课时分配：16+2；18+4；14+2
3
4
2. 目的：掌握基本原理、过程、装备及应用， 掌握基本知识、技能、必要的基础理论。
概论
• 材料分析测试技术：是关于材料成分、物
相结构、微观形貌和晶体缺陷等的现代分 析、检测技术及其有关理论知识的科学。
1
• 材料显微组织结构和成分？---以控制材料性能？
显微组织结构（相成分及分布、晶体结构、 晶体缺陷、晶粒大小和形貌、界面、内应力等） ----性能（力学、物理）
概论
• 采用现代检测分析技术：三个部分
11
1.2
X－射线的产生：
材料现代分析与测试第一章 X射线衍射分析汇总
第一章X射线衍射分析一、教学目的理解掌握标识X射线、X射线与物质的相互作用、布拉格方程等X射线衍射分析的基本理论，掌握X射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法，掌握X射线衍射分析在无机非金属材料中的应用，了解X射线衍射研究晶体的方法和X射线衍射仪的结构，了解晶胞参数测定方法。
二、重点、难点重点：标识X射线、布拉格方程、衍射仪法和X射线衍射物相分析。
难点：厄瓦尔德图解、物相分析。
引言1.发展过程：1895．德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen）——发现X射线1912．德国物理学家劳厄（LaveVonM..）——X射线在晶体中的衍射现象1912．英国物理学家布拉格文子（BzaggHW..）和苏联物理学家乌利夫——用X射线测定Nacl晶体结构及布拉格方程2. X射线衍射分析的应用：①物相分析：已知：化学组成→物质性质结构：C：石墨：层状结构、C轴键长、弱2SiO：七种变体结论：组成+结构→性质②结构分析：③单晶：对称性、晶面取向—加工、粗晶④测定相图、固溶度⑤测定晶粒大小、应力、应变等情况第一节 X射线物理基础一、X射线的性质1、电磁波：100001.0A-vc=λ2、波粒二象性：波：λ、v、振幅E0、H0粒子（光子）：E 、P 能量：λchhv E ==动量：→=k h P λ1=→k3.有能量：可使荧光屏发光、底片感光、气体电离；检测强度→与强度有关经典物理： 208E c I π=二、X 射线的获得X 射线机——实验室中 同步辐射X 射线源电动力学：带电粒子作加速运动时，会辐射光波。
高能电子：在强大磁偏转力作用下 作轨道运动时，会发射出一种极强的光辐射，称为同步辐射。
放射性同位素 X 射线源 （一）X 射线机 ● X 射线管 ● 高压变压器● 电压、电流的调节与稳定系统 1. X 射线的产生：高能电子轰击→内层电子电离→外层电子跃迁→下来填充→释放能量→X 射线 2. X 射线管（1）结构：热阴极灯丝→高压→电场、阳极靶、聚焦罩 （2）工作原理：阴极灯丝通电加热→热电子mAKV35105035--→撞击阳极靶→X 射线功率密度：2/100mm w （3）X 射线强度：()i f I .ν=（4）焦点：点焦点：1.0×1.0mm 粉末照片、劳厄照片 线焦点：10×0.1mm 衍射仪 （二）同步辐射X 射线源特点：强度高——比X 射线管高510倍三、单色X 射线许多X 射线工作都要用单色X 射线 1.标识X 射线X 射线谱：连续X 射线谱（白色X 射线）、标识—布拉格发现 ① 标识射线产生： a 、玻尔原子模型；核外电子分布在不同壳层上：K 、L 、M 、N能量为：2⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-v z Rhc E n b 、标识X 射线谱当管电压超达一值时()k V ，则电子的动能就足以将阳极靶中物质原子中K 层电子撞击出来，于是在K 层中形成电子空穴()k V —K 层激发电压L 、M 、N 层电压跃入的空位，释放能量，其频率为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛-=-=-→22212211121n n v z Rhc E E hv n n n n （1-10）对K 层：n=1、 L 层 ：n=2 、M 层：n=-3、N 层n=4 由（1-10）式可分别计算并确定的λ同样当L 、M 电子被激发时，就会产生L 、M 系标识X 射线。
现代材料测试技术(陶文宏)-第一章-x射线衍射分析
晶粒尺寸
通过X射线衍射数据计算陶瓷 材料中晶粒的平均尺寸。
残余应力
分析陶瓷材料中的残余应力， 评估其性能和使用寿命。
高分子材料
结晶度
测量高分子材料的结晶度，了解其物理和化 学性能。
取向研究
研究高分子材料中分子的取向情况，了解其 力学性能和加工性能。
晶体结构
分析高分子材料中晶体的结构类型和晶格常 数。
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晶体结构
分析金属材料的晶体结 构类型，如面心立方、
体心立方等。
晶格常数
内应力
测量金属材料的晶格常 数，了解晶体中原子的
排列情况。
通过分析X射线衍射数据， 计算金属材料中的内应
力大小和分布。
陶瓷材料
01
02
03
04
晶体结构
确定陶瓷材料的晶体结构，包 括氧化物、硅酸盐等。
相变研究
研究陶瓷材料在加热或冷却过 程中的相变行为。
热稳定性
通过X射线衍射分析高分子材料的热稳定性， 评估其在高温下的性能。
复合材料
界面研究
分析复合材料中不同组分之间的界面 结构和相互作用。
相分析
确定复合材料的相组成和各相的含量。
取向研究
研究复合材料中各组分的取向情况， 了解其力学性能和加工性能。
残余应力
分析复合材料中的残余应力，评估其 性能和使用寿命。
特点。
02 03
布拉格方程
当X射线照射到晶体时，会被晶体中的原子散射，形成特定的衍射图案。 布拉格方程是描述X射线衍射条件的基本公式，即nλ=2dsinθ，其中n 为整数，λ为X射线的波长，d为晶面间距，θ为入射角。
衍射峰的形成
当满足布拉格方程时，X射线会在特定角度上发生衍射，形成衍射峰。 衍射峰的位置、强度和形状与晶体的结构密切相关。
《材料分析测试方法》第一章 X射线的性质
• 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年 份 学 科 1901 物理 1914 物理 1915 1917 1924 1937 1954 1962 1962 1964 1985 1986 1994 得奖者 伦琴Wilhelm Conral Rontgen 劳埃Max von Laue 亨利.布拉格Henry Bragg 物理 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn 戴维森Clinton Joseph Davisson 物理 汤姆孙George Paget Thomson 化学 鲍林Linus Carl Panling 肯德鲁John Charles Kendrew 化学 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 生理医学 Maurice h.f.Wilkins 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 霍普特曼Herbert Hauptman 化学 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 物理 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 物理 沙尔 C.G.Shull 内 容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定 脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 中子谱学 中子衍射
材料分析方法
第一部分 材料X射线衍射分析 材料X
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一章 X射线的物理基础 射线的物理基础
材料现代分析技术课件-X射线衍射分析1
§1. X射线的物理学基础
材 料 现 代 分 析 技 术
[12] 1964年，霍奇金因在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的重大成 果获诺贝尔化学奖。 [13] 1969年，哈塞尔与巴顿因提出“构象分析”的原理和方法，并应用在有机化学研究而同获 诺贝尔化学奖（他们用X射线衍射分析法开展研究）。 [14] 1973年，威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。 [15] 1976年，利普斯科姆因用低温X射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及成键规 律的重大贡献获得诺贝尔化学奖。 [16] 1979年，诺贝尔生理.医学奖破例地授给了对X射线断层成像仪（CT）作出特殊贡献的豪 斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。 [17] 1980年，桑格借助于X射线分析法与吉尔伯特、· 伯格因确定了胰岛素分子结构和DNA核 苷酸顺序以及基因结构而共获诺贝尔化学奖。 [18] 1981年，凯.西格班由于在电子能谱学方面的开创性工作获得了诺贝尔物理学奖的一半。 [19] 1982年，克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。 [20] 1985年，豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法，为探索新的分子结构和化学反应 作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。 [21] 1988年，戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔因用X射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应 的反应中心复合物的立体结构，共享了诺贝尔化学奖。 [22] 1997年，斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的X射线，在人体细胞内离子传输酶方面 的研究成就而共获诺贝尔化学奖。 [23] 2002年，贾科尼因发现宇宙X射线源，与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理学奖。 [24] 2003年，阿格雷和麦金农因发现细胞膜水通道，以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作 出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖（他们的成果用Ｘ射线晶体成像技术获得）。 [25] 2006年，科恩伯格被授予诺贝尔化学奖，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作 出的贡献（他将X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究）。
答案习题集-材料现代分析与测试
第一章 X射线衍射分析1.什么是X射线？什么是特征X射线（标识X射线）谱？特征X射线可用于对材料进行哪两方面的分析？.答：X射线：电磁波：0.001 —100 nm （0.01—1000Å）特征X射线谱（标识X射线谱）：在X射线谱中，有若干条特定波长的谱线，这些谱线只有当管电压超过一定的数值时才会产生，而这种谱线的波长与管电压、管电流等工作条件无关，只决定于阳极材料，不同元素制成的阳极材料发出不同波长的谱线，因此称之为特征X射线谱或标识X射线谱。
应用：用Kα获得单色X射线用于X射线衍射分析；特征X射线谱可以进行元素分析这是电子探针X射线显微分析的依据。
2.推导莫塞来定律？3.X射线衍射分析在无机非金属材料研究中有哪些应用？1）物相分析：定性、定量分析2）测定晶格常数3）测定晶粒大小、应力、应变等情况4）测定相图、固溶度5）单晶体：对称性、晶面取向—加工、籽晶4. X 射线管中焦点的形状分为哪两种?各适用于什么分析方法？点焦点：1.0×1.0mm 照相法线焦点：10×0.1mm 衍射仪5. 目前常用的X 射线管有哪两种？封闭式X 射线管 旋转阳极式X 射线管6. 元素对X 射线的吸收限？简述元素X 射线吸收限的形成机理。
元素的质量吸收系数m μ与X 射线波长的关系：连续曲线+突变点。
突变点处对应的波长：M L K λλλ.. ---吸收限。
吸收限的存在是因为随着入射X 射线波长的减小，光子的能量越来越大，穿透力也越来越大，即吸收系数减小。
但当波长短于某界值λk 时，则光子能量足以将对应能级Ek 上的电子打出来，这时光子就被大量吸收，造成吸收系数的增加，光子的能量转变为光电子，荧光X 射线，俄歇电子的能量，当波长继续减小时虽然他能撞出内层电子，但由于穿透力增加了，所以µm 又趋向减小。
6.单色X 射线采用的阳极靶材料的哪种特征X 射线、滤波片材料的原子序数与阳极靶材料的原子序数关系如何？滤波片吸收限λk 与阳极靶材料的特征X 射线波长是什么关系？①先取适应的材料、使其k λ正好位于所用的∂k 与βk 的波长之间。
材料现代分析与测试技术资料
X射线衍射分析（基础与应用）一?X射线的特性人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。
? X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。
? X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。
二.X射线具有波粒二相性1. X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此其同样具有波粒二象性。
波动性：? 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。
? 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。
? 三.X光与可见光的区别? 1） X光不折射，因为所有物质对X光的折光指数都接近1。
因此无X光透镜或X光显微镜。
? 2） X光无反射? 3） X光可为重元素所吸收，故可用于医学造影。
1.3 X射线的产生及X射线管X射线的产生：X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。
产生原理X射线是高速运动的粒子（一般用电子）与某种物质邙日极靶）相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（ 1 %左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99 %左右）能量转变成热能使物体温度升高。
产生X射线条件? 1•产生自由电子；? 2•使电子作定向的高速运动（阴极阳极间加高电压）；? 3•在其运动的路径上设置一个障碍物（阳极靶）使电子突然减速或停止。
? 阴极一一发射电子。
一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。
? 阳极一一靶，使电子突然减速并发出X射线。
窗口一一X射线出射通道。
既能让X射线出射，又能使管密封。
窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。
窗口与靶面常成3-6 °的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。
材料现代分析方法重点笔记
材料现代分析方法重点笔记一、材料X射线衍射分析1、X射线的性质、产生及谱线种类及机理2、X射线与物质的相互作用:几种现象及机理3、X射线衍射方向:布拉格方程及推导，X射线衍射方法4、X射线衍射强度:多晶体衍射图相的形成过程，衍射强度影响因数及积分强度公式5、多晶体分析方法:X射线衍射仪的构造及各部件的作用，实验参数的选择6、物相分析及点阵常数精确测定二、x衍射线知识点1、X射线的本质一种电磁波(波长短:0.01-10nm)2、X射线产生原理由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞击后淬然减速,且与该物质中的内层电子相作用而产生的。
3、X射线产生的几个基本条件(1)产生自由电子;(2)使电子作定向高速运动:(3)在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物4、旋转阳极(用于大功率转靶XRD仪)工作原理:因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。
目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。
5、X射线谱X射线强度与波长的关系曲线6、连续x射线谱管压很低时，例如小于20kv，X射线谱曲线是连续变化的。
7、形成连续x射线谱两种理论解释:1.经典物理学理论:一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。
由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相8/同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X 射线谱。
量子力学概念:当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。
大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。
8、特征(标识)X射线谱当管电压等于或高于20KV时,则除连续X射线谱外,位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。
9、形成特征X射线谱的理论解释:原子结构的壳层模型:特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。
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第一章 X 射线衍射分析一、教学目的理解掌握标识X 射线、X 射线与物质的相互作用、布拉格方程等X 射线衍射分析的基本理论，掌握X 射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法，掌握X 射线衍射分析在无机非金属材料中的应用，了解X 射线衍射研究晶体的方法和X 射线衍射仪的结构，了解晶胞参数测定方法。
二、重点、难点重点：标识X 射线、布拉格方程、衍射仪法和X 射线衍射物相分析。
难点：厄瓦尔德图解、物相分析。
引言1. 发展过程：1895．德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen ）——发现X 射线1912．德国物理学家劳厄（Lave Von M ..）——X 射线在晶体中的衍射现象 1912．英国物理学家布拉格文子（Bzagg H W ..）和苏联物理学家乌利夫——用X 射线测定Nacl 晶体结构及布拉格方程 2. X 射线衍射分析的应用： ①物相分析：已知：化学组成→物质性质结构：C ：石墨：层状结构、C 轴键长、弱 2SiO ：七种变体 结论：组成+结构→性质 ②结构分析：③单晶：对称性、晶面取向—加工、粗晶 ④测定相图、固溶度⑤测定晶粒大小、应力、应变等情况第一节 X 射线物理基础一、X 射线的性质1、电磁波：0100001.0A - vc =λ 2、波粒二象性：波：λ、v 、振幅E 0、 H 0粒子（光子）：E 、P 能量：λchhv E ==动量：→=k h P λ1=→k3.有能量：可使荧光屏发光、底片感光、气体电离；检测强度→与强度有关经典物理： 208E c I π=二、X 射线的获得X 射线机——实验室中 同步辐射X 射线源电动力学：带电粒子作加速运动时，会辐射光波。
高能电子：在强大磁偏转力作用下 作轨道运动时，会发射出一种极强的光辐射，称为同步辐射。
放射性同位素 X 射线源 （一）X 射线机 ● X 射线管 ● 高压变压器● 电压、电流的调节与稳定系统 1. X 射线的产生：高能电子轰击→内层电子电离→外层电子跃迁→下来填充→释放能量→X 射线 2. X 射线管（1）结构：热阴极灯丝→高压→电场、阳极靶、聚焦罩 （2）工作原理：阴极灯丝通电加热→热电子mAKV35105035--→撞击阳极靶→X 射线功率密度：2/100mm w （3）X 射线强度：()i f I .ν=（4）焦点：点焦点：1.0×1.0mm 粉末照片、劳厄照片 线焦点：10×0.1mm 衍射仪 （二）同步辐射X 射线源特点：强度高——比X 射线管高510倍三、单色X 射线许多X 射线工作都要用单色X 射线 1.标识X 射线X 射线谱：连续X 射线谱（白色X 射线）、标识—布拉格发现 ① 标识射线产生： a 、玻尔原子模型；核外电子分布在不同壳层上：K 、L 、M 、N能量为：2⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-v z Rhc E n b 、标识X 射线谱当管电压超达一值时()k V ，则电子的动能就足以将阳极靶中物质原子中K 层电子撞击出来，于是在K 层中形成电子空穴()k V —K 层激发电压L 、M 、N 层电压跃入的空位，释放能量，其频率为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛-=-=-→22212211121n n v z Rhc E E hv n n n n （1-10）对K 层：n=1、 L 层 ：n=2 、M 层：n=-3、N 层n=4 由（1-10）式可分别计算并确定的λ同样当L 、M 电子被激发时，就会产生L 、M 系标识X 射线。
c. 标识X 射线波长—莫塞来定律 对2.1:21==∂n n k 代入 1—10式：2222432111⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--∂v z Rhc v z Rhc hv k对αk 波长：2134⎪⎭⎫ ⎝⎛-==-∂∂v z R v c k k λ （1-11） ∂k λ与2Z 近似成反比关系，即Z 确定，∂k λ有确定值—莫塞来定律 讨论：①标识X 射线谱：K 、L 、M 系标识X 射线共同构成 ②莫塞来定律 —λ③强度（9p 。
1-12） ()n V V Bi I K K -=（1-12） ④应用：X 射线衍射分析X 射线光谱分析—荧光X 射线光谱分析⑤衍射分析中只使用αk2、X 射线的吸收当X 射线穿过物体时，由于散射，光电效应等影响、强度减弱—称为X 射线的吸收。
如图：12p 图1-12是元素的质量吸收系数m μ与X 射线波长的关系：连续曲线+突变点吸收限—突变点处对应的波长：M L K λλλ.. 元素有标识X 射线：K 系、M 系、L 系 元素也有相应的吸收限：M L K λλλ.. 3、X 射线滤波片与单色X 射线：①先取适应的材料、使其k λ正好位于所用的∂k 与βk 的波长之间。
②滤波片材料的原子序数一般比阳极靶材料原子序数小1或2。
四、X 射线与物质的相互作用X 射线与物质的相互作用—粒子性—光子 就能量转换而言,一束X 射线通过物质时,它的能量分为三部分： 散射：改变前进方向吸收：产生光电效应 热振动能量 1.散射现象物质对X 射线的散射主要是物质中的电子与X 射线的相互作用。
电子在X 射线电场作用下，产生强迫振动，成为新的电磁波源。
X 射线被物质散射时,产生两种散射现象：相干散射 和非相干散射. ⑴.相干散射当X 射线光子与紧密束缚电子碰撞时，只改变方向，不改变波长。
可相互干涉，形成衍射。
⑵.非相干散射当X 射线光子与自由电子、非紧密束缚电子碰撞时，能量损失，波长变长。
即改变方向，又改变波长。
不能形成干涉，形成衍射图背景。
伴随反冲电子—康普顿效应。
⑶散射系数——衡量物质对X 射线的散射能力质量散射系数m σ：表示单位质量的物质对X 射线的散射Ac m Z Ne m 42438πσ=2.光电效应（或光电吸收）当X 射线的波长足够短时，X 射线光子的能量就足够大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来，X 射线光子本身被吸收，它的能量传给该电子，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。
伴随发生：荧光效应和俄歇效应 ⑴.荧光效应（荧光X 射线）外层电子填补空位将多余能量ΔE 辐射次级特征X 射线，由X 射线激发出的X 射线称为荧光X 射线。
⑵.俄歇效应俄歇效应是外层电子跃迁到空位时将多余能量ΔE 激发另一个核外电子，使之脱离原子。
五、X 射线的吸收及其应用当X 射线穿过物体时，受到散射、光电效应等影响，强度将会减弱，这种现象称为X 射线的吸收。
1.强度衰减规律μ1为线吸收系数——单位厚度物质对X 射线的吸收（X-ray 波长和吸收体一定，为常数 ）μm 为质量吸收系数，只与吸收体的 原子序数Z 及X 射线波长λ有关 。
2. X 射线滤波片原理：利用吸收限两边吸收系数相差悬殊 效果：获得单色X 射线（K α线）做法：选取适当材料，其 K 吸收限正好位于所用靶材的Kα与Kβ线之间 原则：滤波片原子序数比X 射线管靶材 小1 或 2第二节 X 射线衍射的几何条件1912年劳厄发现晶体对X 射线现象：X —电磁波、X —研究晶体10xI I e μ-=1m μμρ=⋅三点假设：1.入射线、衍射线为平面波。
2.晶胞中只有一个原子—简单晶胞。
3.原子的尺寸忽略不计（体积——，散射由原子中心点发出。
一、 劳厄方程： 波长λ 的X 射线 以1∂ 角投射：0→S 原子间距为a 的原子列 （一）劳厄方程相干衍射—光程差等于λ整数倍()()'1"1'1"1'1cos cos cos cos cos ∂-∂=∂-∂=∂=-=a OR OR PR OQ δ 衍射条件：λδH =即：()λH a =∂-∂'2"1cos cos （1-46）H —整数（H=2.1.0±±……）衍射级数 （二）衍射方向：当a S ..'1.0λ∂→确定，则： λaH+∂=∂'1"1cos cos（1-47） 以原子列为轴，"1∂为半顶角一系列圆锥（三）三维晶体：0→S 与三晶体轴→→→c b a ..的交角分别为：'3'2'1..∂∂∂ 衍射方向与三晶轴交角："3"2".1..∂∂∂若要产生衍射，必须满足方程组：()λH a =∂-∂'1"1cos cos ()λK b =∂-∂'2"2cos cosλL c =∂-∂)cos (cos '3"3 （1-48）三维劳厄方程注意："3"2".1..∂∂∂不是独立的它们是衍射线→S 与三晶轴的交角，有一定的约束关系 例如：立方晶系（→→→c b a ,,相互垂直）则有：1cos cos cos "32"22"12=∂+∂+∂ （1-49）对于一组给定的整数：H 、K 、L 变为有（1-48）（1-49）四个方程决定三个变量："3"2".1..∂∂∂，一般说来不一定有解，只有适当地选择λ，及0→S 方向（'3'2'1..∂∂∂），才能满足方程。
二、布拉格方程由结晶学知：晶体中晶面—平行、等距 设晶面指数为()hkl 、面间距hkl d(一) 布拉格方程的推导 1.对于单一原子面的反射：当散射线方向满足“光学镜面反射”条件时 其方程差为：0''=-=RBQ PAP δ可形成干涉，形成衍射光束。
2.其它原子面间反射（晶面）和布拉格方程：ϑδθδsin 2sin '''''d d AT SA ATSA PAP Q QA ===+===由衍射条件：λδn =，形成干涉、衍射线 即：λθn d =sin 2—布拉格方程布拉格定律=布拉格方程+光学反射定律要形成干涉、衍射射线，λθ..d 必须满足布拉格方程（二）布拉格方程讨论 ①布拉格角和衍射角布拉格角：θ、入射线与晶面交角 衍射角：2θ、入射线与衍射线的交角。
②衍射级数：2.1.0±±=n ……整数但：因为12sin ≤=d n λθ所以：λdn 2≤所以：当λ和衍射面选定后，λ、d 确定，n 也就确定，即，一组晶面只能在有限几个方向“反射X 射线”。
另：为了方便，可将晶面族()hkl 的n 1及衍射作为设整数的晶面族),,(nl nk nh 的一级衍射来考虑，布拉格方程为：λθ=⎪⎭⎫⎝⎛sin 2n d hkl （1-53）所以2d nh.nk.nl sinθ=λ指数：（nh ，nk ，nl ）—衍射指数，用（HKL ）晶面指数不能有公约数。