X射线材料表征PPT课件

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X射线 X--ray
劳厄斑 晶体 Laue spots
crystal
晶体的三维光栅 Three-dimensional “diffraction grating”
晶体的晶格常数约
与 X 射线波长接近
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4
在电磁波谱中，X射线的波长范围约为 0.005 nm 到 10 nm，相当于可见光波长的 10万分之一 到 50 分之一 。
❖ 衍射花样由衍射斑点组成，有规律分布。
❖ 此方法能够反映出晶体的取向和对称性。
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转晶法：
底片
入射 X射线
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转晶法：
❖ 单色x-ray（K系）照射转动的单晶体试 样的衍射方法。（θ变）
❖ 以样品转动轴为轴的圆环形底片记录衍 射花样。
❖ 此法用于测定试样的晶胞常数，根据衍 射花样能准确测定晶体的衍射方向和强 度。
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X射线束的形状
灯丝
：
X-RAY
阳极
窗口
◆由长焦斑结窗口（6°）得到
0.1×10mm2的有效投射线焦点射线束，
由短焦斑得到1×1mm2的有效投射点焦
点射线束
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两种焦斑
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X射线谱
◆由： X射线管发射出来的X射线可以分为两 种类型：
●连续X射线 ●标识X射线
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X射线谱
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连续谱产生机理
❖ 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；
2
1.1895年伦琴发现X射线后，认为是一种波， 但无法证明。
2.当时晶体学家对晶体构造（周期性）也没有 得到证明。
1914年获诺贝尔 物理学奖
1912年劳厄将X射线用于CuSO4晶 体衍射同时证明了这两个问题,从此 诞生了X射线晶体衍射学
❖ 用长条形底片卷成圆环状，衍射圆锥与底片相交构成一系列 对称弧线，每对弧线间的距离相当于对应的圆锥顶角4θ对应 的弧长。
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X射线衍射仪法
X射线衍射仪是采用衍射光子探测器和测角仪来记录衍 射线位置及强度的分析仪器。
首先，接收X射线方面衍射仪用辐射探测器；其次衍射 仪试样是平板状，第三，衍射仪法中辐射探测器沿测角 仪圆转动，逐一接收衍射。
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相 对 强 度
35kV 25 20
波长，×0.1nm
钼阳极管发射的X射线谱
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特征谱产生机理
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特征谱产生机理
能量
n=3 (M 层 )
K1
K1
K2
K系
LⅠ LⅡ LⅢ
L系
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n=2 (L层 )
n=1 (K层 )
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靶子材料的特征波长及滤色片的选用
靶子 （原子序数） 铬 Cr（24） 铁 Fe（26） 镍 Ni（28） 铜 Cu（29） 钼 Mo（42） 银 Ag（47）
222
420
600,442
311
400 331
422 511,333
440 531
20 30
40
50
60
70 80
90
100
110
2
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x射线衍射图分析
衍射花样：
❖ 衍射花样千变万化，3个基本要素：
① 衍射线的峰位
② 线形
③ 强度
➢X射衍射方法
➢X射线衍射分析的应用
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X射线产生
❖固体靶源 ❖同步辐射
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◆X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。基本组成包括 ●阴极：阴极是发射电子的地方
●阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方 ●窗口：：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方 ●焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射 出X射线
：
Wl
原子
的能 量
Wm
Wn
0 电子冲击阳级靶
L态（击走L电子）
M态（击走M电子）
N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子
连续X射线产生过程
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特征（标识）X射线谱
当管电压超过某临界值时， 会在连续谱的某个波长处 出现强度峰，峰窄而尖锐。 因这种强度峰反映了物质 的原子序数特征，所以叫 特征X射线，由特征X射线 构成的X射线谱叫特征X射 线谱，该临界电压称激发 电压（即产生特征X射线 的最低电压）。
X-radiation
可见光
g-radiation
Microwaves 微波
UV
IR
无线电波
Radio waves
10-6
10-3
1
103
106
Wavelength(nm)
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109
1012
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X射线的应用
❖ 硬X射线： 波长较短（0.01nm ~ 0.1nm）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。
又称布喇格条件。
2dsink(k1.2.3)
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X射线
原子或离子中的电子— —受迫振动。
振动着的电子 成为次生X射 线的波源，向 外辐射与入射 X 射线同频率 的电磁波，称 为散射波。
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（1）.布喇格方程的导出
▲ 同一晶面上各个格点之间的干涉—点间干涉。
入射 X射线
入射角
平面法线
掠射角
镜面反射方向
K 波长 （pm） 229.09 193.73 165.91 154.18
71.07 56.09
滤色材料 （原子序数）
钒 V（23） 锰 Mn（25） 钴 Co（27） 镍 Ni（28） 锆 Zr（40） 钯 Pd（46）
K 临界吸收波长 （pm） 209.6 189.6 158.4 148.8 68.9 50.9
任一平面 上的点阵
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入射 X射线
用图示法作简易证明
平面法线
Z
镜面反射方向 A’
CD
B’ C’
X AA’=BB’
光程相等
A
C
B
Y 任一平面 上的点阵
CC’=AD
＝CC’-AD＝ AC’cosθ- AC’cosθ=0
即光程差. 为零 干涉得最大光强 37
▲ 不同晶面之间的干涉—面间干涉
作截面分析
(b)可见光的反射只是物体表 1 面上的光学现象，而衍射则是 一定厚度内许多间距相同晶面 2 共同作用的结果。
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A
C
B
1’ hkl
2’ dhkl
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(2)入射线波长与面间距关系
sin /d1
2
所以要产生衍射，必须有
d > /2
这规定了X衍射分析的下限：
对于一定波长的X射线而言，晶体中能产生衍射 的晶面数是有限的。
X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、
1 CZ
C，σ为常数
X-ray 荧光分析技术的理论基础
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同步辐射
❖ 同步辐射光源被科学家称之为继电光源、X光源和
激光光源之后，第四次为人类文明带来革命性推动 的新光源，被誉为科学家的“神灯”。
定义----速度接近光速的带电粒子在磁场中做变速时 发出的电磁辐射。
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27
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28
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29
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滤色片厚度要求 （m） 15.3 15.1 12.0 15.8 3.0 41.0
选择比靶子元素低一至二个原子序数
的元素作为滤色片材料
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莫塞来定律
●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，是物质的固有特性。且
：
存在如下关系
●莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序 数Z关系为
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粉末照相法：
底片
X 射线
样品
2
可调节
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粉末照相法：
❖ 实验中晶体均匀旋转，促使更多的晶面有机会处于上述位置。 由于θ相同，结果形成“空间圆锥体”；圆锥体顶角为4θ， 母线为衍射线方向。
❖ 一个“衍射锥”代表晶体中一组特定的晶面；圆锥的数目等 于满足布拉格方程的晶面数。
❖ 底片垂直于x-ray方向安装时，衍射线在底片上构成许多同 心圆（衍射圆环）。
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高分辨衍射仪 （D8-Discovre型，Bruker公司1999年产品）
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样品托
样品制备
① 颗粒平均粒径控制在5μｍ左右（320目）
② 在加工过程中，防止由于外加物理或化学因素影响试样原有
的性质
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衍射仪法与Debey照相法的对比
衍射仪法 快0.3—1h 灵敏，弱线可分辨
衍射仪法使用更方便，自动化程度高，尤其是与计算机 结合，使得衍射仪在强度测量、花样标定和物相分析等 方面具有更好的性能。
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粉末衍射仪的主要构成及衍射几何光学布置
控制驱动装置
显示器
送水装置
水冷
X线管
高压电缆
高压 发生器
X线发生器(XG)
测角仪 样品
角度扫描
数据输出
计数管
ＨＶ
计数存储装置 (ECP)
主要内容
➢引言
➢X射线的产生及性质
➢X射线运动学衍射理论
➢X射衍射方法
➢X射线衍射分析的应用
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1
1895，德国物理学家，X射线发明者----伦琴
❖ 肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光板发光 和使气体电离；
❖ 能透过可见光不能透过的物体；
❖ 这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转，在通
过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不 引起衍射；
➢引言
➢X射线的产生及性质
➢X射线运动学衍射理论
➢X射衍射方法
➢X射线衍射分析的应用
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实验方法分类
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劳厄法：
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劳厄法： Laue
❖ 连续x-ray投射到固定的单晶体试样上产 生衍射的一种实验方法，x-ray具有较高 的强度，可在较短的时间得到清晰的衍射 花样。 （λ变）
❖ 垂直于入射线束的照相底片记录花样。
对于一定晶体而言，在不同波长的X射线下，能
产生衍射的晶面数是不同的。
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(3)布喇格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条件而非 充分条件。有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不 一定出现衍射线，即所谓系统消光。
立方晶系的系统消光规律是：
❖ 简单点阵（P）
无消光现象
❖ 体心点阵（I） h + k + l=奇数
❖ 面心点阵（F） h，k，l奇偶混杂
❖ 底心 （c） h + k＝奇数
（a） k + l=奇数
（b） . h + l=奇数
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（3）布喇格方程应用
1. 已知θ， 可测 d ——X射线晶体结构分析.
研究晶体结构、材料性质。
2. 已知θ， d 可测 ——X射线光谱分析.
研究原子结构。
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主要内容
毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生
育等。
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X射线的安全防护
严格遵守安全条例，注意采取安全措施：
❖ 避免身体直接暴露在X射线下；
❖ 重金属铅可强烈吸收X射线，可以在需要屏蔽 的地方加上铅屏或铅玻璃屏，必要时可带上铅 眼镜、铅橡胶 手套等，以有效挡住X射线；
❖ 定期进行身体检查和验血。
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主要内容
➢引言
➢X射线的产生及性质
➢X射线运动学衍射理论
➢X射衍射方法
➢X射线衍射分析的应用
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布拉格定律
1912年，英国物理学家布喇格父
• 1915年布喇格父子获诺贝尔物理学奖，小布 喇格当年25岁，是历届诺贝尔奖最年轻的得 主。
子提出 X射线在晶体上衍射的一
种简明的理论解释----布喇格定律，
❖ 3.X射线波长与晶体中原子间距相当，故通过 晶体是会发生衍射现象，可用来研究晶体结 构。
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7
X射线的应用
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8
X射线的应用
NaCl晶体的三维空间点阵
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9
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10
X射线衍射图谱
強
气体
度
強
液体
度
非晶
強 度
結晶
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角度 角度 角度
11
多晶的X射线衍射
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主要内容
➢引言
➢X射线的产生及性质
➢X射线运动学衍射理论
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面1
面2
面3
…
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A
1
d
BC
2
d
掠射角
D
3
h
a’ b’
层间两反射光的光程差
B D D C 2 dsin
相长干涉得亮点的条件
2dsink(k1.2.3)
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（2） 关于Bragg方程的讨论
(1) X射线衍射与可见光反射的差异
(a)可见光在任意入射角方向均能产生反射，而X射线则 只能在有限的布喇格角方向才产生反射。就平面点阵 （h*k*l*）来说，只有入射角θ满足此方程时，才能在 相应的反射角方向上产生衍射。
X射线管两端加上高压后，从阴极发出的电子在强电场 作用下，以极高的速度飞掠阳极，受到阳极物质原子核的 静电引力而获得加速度，从而向周围辐射电磁波。由于电 子掠过原子核的距离不同，获得的加速速也不完全一致， 由它们辐射的光子频率谱也就包含各种波长的连续谱。
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连续X射线谱的产生机理
◆ Wk
K态（击走KBiblioteka 子）❖ 软X射线：波长较长（0.1nm ~ 1nm）的软X射线能 量较低，穿透性弱，可用于医学透视和 非金属分析。
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6
X射线与可见光的不同之处
❖ 1.X射线在固体表面不会发生反射，也不易用 镜面将它们聚焦或变向；
❖ 2.X射线在物体分界面只发生微小的折射，折 射率略小于1，与1只相差0.00005左右；
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X射线衍射图谱
200 220
NaCl的粉末衍射图
强度
111