现代材料测试课件 第一章 光学显微分析

2020/5/19
1.2 晶体光学基础
材料晶相组成直接影响到它们的结构和性质，其原料的 晶相组成及其显微结构直接影响着生产工艺过程及产品 性能。
→评价材料及其原料的性能、质量时，要考虑其化学组成 ，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。
显微结构：就是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以 及它们之间的相互关系。
为了表示晶向和晶面的空间取向（方位），采用统 一的标识，称为晶向指数和晶面指数；国际通用密勒（ ler）的标识方法，故又称为密勒指数，确定方 法见p15。
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1.2 晶体光学基础
光是键合电子在原子核外电子能级之间激发跃迁产生的 自发能量变化，导致发射或吸收辐射能的一种形态。
《材料现代测试技术》
第一章 光学显微分析
内容
1.1 概述 1.2 晶体光学基础 1.3 分析方法
1.3.1 光学显微分析方法 1.3.2 特殊显微光学分析法 1.4 光学显微分析样品的制备 1.5 光学显微分析技术的进展及在材料科学中的应用
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第一章 光学显微分析
1.1 概述 1、光学显微分析的发展 15世纪中叶，用放大镜（单式显微镜）观察蜜蜂； 1590年，荷兰詹森父子创造出最早的复式显微镜； 17世纪中叶，虎克设计出第一台性能较好的显微镜； 惠更斯目镜诞生，并成为现代光学显微镜目镜的原形； 19世纪，德国的阿贝阐明光学显微镜成像原理，并制造
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1.2 晶体光学基础——晶体结构
2、晶胞和点阵类型 晶体中原子规则排列的基本特征：周期性与对称性 晶胞（阵胞）：在点阵中选择一个由阵点连接而成的
几何图形（一般为平行六面体）作为点阵的基本单元 来表达晶体结构的周期性。 平行六面体的阵胞可由表示其形状与大小的3个矢
量a、b、c来描述，称为单位阵胞矢量（点阵基矢 或基本平移矢量）； a、b、c的长度即晶胞3个棱边的长度a、b、c称为 点阵常数，b与c、c与a及a与b的夹角分别记为α、β 、γ。 仅考虑表达点阵的周期性，所有晶体均可分别用由14 种阵胞表达的空间点阵（称为布拉菲点阵）来描述其 原子排布规则。（p13表1-5）
光学显微分析技术的作用： 进行物相分析，即研究材料和其原料的物相组成及显 微结构； 并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和产品性 能间的关系。
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1.2 晶体光学基础
1.2.1 晶体结构 1、空间点阵的概念 晶体：组成原子（或离子、分子、原
子团等，以下不需加以区别时，泛称 原子）有规则排列的固体。 空间点阵或晶体点阵，简称点阵：为 描述晶体中原子的排列规则，将每一 个原子抽象视为一个几何点（称为阵 点），从而得到一个按一定规则（即 晶体中原子排列规则）排列分布的无 数多个阵点组成的空间阵列。 晶格：将各阵点用直线联接成为空间 格子，空间点阵（晶格）如右图。
1.2.2 光的物理特性 光的波粒二象性
光学显微分析所观察到的光与物质的相互作用效应，在 特性上像波，故利用光的波动学说解决晶体光学问题。 光为横波，即光波振动与传播方向垂直
纵波
横波
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1.2 晶体光学基础——光的物理特性
电磁波谱上不同波本质完全相同，只是波长（或频率） 不同而特性不同。
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1.2 晶体光学基础
1.2.3 光与固体物质的相互作用 —— 吸 收 、 反 射 、 折 射 、 干 涉、衍射等现象
光的折射定律：
sini Vi N sinr Vr
反射
i’
式中：
Vi —光在入射介质中的速度； Vr —光在折射介质中的速度； N —折射介质对入射介质的相对折射率（或折光率）；
若入射介质为真空，则称为折射介质的绝对折射率（简
称折射率）。
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1.2 晶体光学基础——光与固体物质的相互作用
sini Vi N 光的折射特点： sinr Vr 1）介质中光传播的速度↑，该介质的折射率↓； 2）光在真空中的传播速度最大，其它固体或液体中N>1； 3）同一介质的折射率因所用光波波长而异（折射率色散）
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1.2 晶体光学基础——晶体结构
3、晶体结构与空间点阵 晶体结构= 空间点阵 + 结构基元
结构基元的划分应满足每个阵点上结构基元（物质 组成及其在基元内的分布）相同的原则。
结构基元的多样性使晶体结构有无限多种类。 晶向指数与晶面指数
晶体中由原子组成的直线和平面分别称为晶向和晶 面（相应于点阵中的阵点列和阵点面）。
微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。 物理光学显微镜：相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微
镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显 微镜等。 信息转换显微镜：荧光显微镜、显微分光光度计、图像 分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜等。 特种光学显微镜：高温显微镜、近场光学显微镜等。
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出油浸系物镜，使光学显微镜分辨本领达到了0.2微米理 论极限，制成了真正意义的现代光学显微镜。
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1.1 概述——光学显微分析的发展
罗伯特·虎克制造的显微镜（1665） 罗伯特·虎克观察到的细胞
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1.1 概述
2、光学显微镜分类（依据成像原理） 几何光学Hale Waihona Puke 微镜：生物显微镜、落射光显微镜、倒置显
，对于同一介质，光波的波长与折射率成反比（在紫光 中测定的折射率最大，红光中的值最小）。 4）晶体的折射率色散能力：即晶体在两种波长光波中的折 射率差值越大。差值越大，色散能力越强，液体的色散 能力较固体强。
为了不受色散的影响，测定折射率时宜在单色光中进 行，通常利用黄色光，即用钠光灯作光源（波长在可见 光谱的中部）。
可见光
光学显微分析使用波段：可见光波段390~770nm
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1.2 晶体光学基础——光的物理特性
自然光和偏振光 自然光：垂直于光的传播方
向振动，在垂直于光的传 播方向的平面内的任意方 向振动。
偏振光：垂直于光的传播方 向振动，且只在垂直于光的 传播方向的平面内的某一方 向振动。
偏振光的光振动方向与传播方向组成的平面称为振动面。 由此也将偏振光称为平面偏光，简称偏光。