无机非金属材料检测方法

• (2）非相干散射 • 当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子 的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲 电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量 减少，从而使随后的散射波波长发生改变，成为非相 干散射。
2 吸收
• 除了被散射和透射掉一部分外，X射线能量主要将 被物质吸收，这种能量转换包括光电效应和俄歇效应。 • (1)光电效应 • 当入射X光子的能量足够大时，还可以将原子内层 电子击出使其成为光电子，同时辐射出波长严格一定 的特征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射， 由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧 光辐射。(荧光光谱分析原理是光电效应)
。
如果所有光波的频率相同（即波长一致），就之为单色的， 反之为多色的。灯泡是多色的，激光是单色的。
1.2 X-Ray 的发生
由于 X-rays是高能电磁波，必由高能过程产生。
1) 电子在高压电场中轰击金属靶 2) 加速电子或质子，用磁体突然改变其路径 3) 在导体中突然改变电子的运动方向 4) 电子在TV或VCD装置中减速
第一章 X射线粉晶衍射分析
第一节 X射线的发生与性质
Baidu Nhomakorabea
伦琴在担任德国维尔茨 堡大学校长的就职演说时 说：“大学是科学研究和 思想教育的培养园地， 是 师生陶冶理想的地方， 大 学在这方面的重大意义大 大超过了它的实际价值。”
―X射线”是德国物理学家
伦琴（Roentgen)于1895年 11月8日发现，并很快以 “论一种新射线”为题发表 论文公之于世。李鸿章在X
Energy
High-energy Characteristic stimulus peaks La Kb Continuous radiation Ka
很窄的电压范围出现，
也很窄。称为特征 X
射 线 (characteristic peaks)
Low-energy stimulus Wavelength swl Short wavelength limit
Energy High-energy Characteristic stimulus peaks La Kb Continuous radiation Ka
radiation)。
swl
Low-energy stimulus
Wavelength
Short wavelength limit
发生管中的总光子数(即白色X射线的强度)与:
光被发现后仅7个月就体验
了此种新技术，成为拍X光 片检查枪伤的第一个中国人。
1.1 什么是X光
X-radiation
可见光
Microwaves 微波 g-radiation
无线电波
UV
IR
Radio waves
10-6
10-3
1
103
106
109
1012
Wavelength(nm)
1895年，W.C.Roentgen 在研究阴 极射线管时发现X射线。－X射线透视 技术。
1 阴极原子数Z成正比;
2与灯丝电流i成正比;
3与电压V二次方成正比: I白色 i Z V2
可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子
序数和管电压的增加而增大
随电压增加， X 谱线 上出现尖峰。尖峰在 产生 X 光的波长范围
Intensity of emitted radiation
特征X射线
Copper铜
这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为 Kα辐射，同理还有Kβ辐射，Kγ辐射。 离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越 小，所以由K系到L系到M系辐射的强度也将 越来越小。
特征（标识）X射线产生的根本原因是原 子内层电子的跃迁。 • （1）不同Z，有不同特征X射线，Kα、Kβ 也不同。 • （2）若V低于激发电压Vk，则无Kα、Kβ 产生。
称吸收限(Absorb limit)。
质量吸收系数
L1 200
100
L2 L3
K K=0.158Ǻ
0.5 1.0 波长
• 由图可见，整个曲线并非像上式那样随 的减小而单调下降。当波长减小到某几 个值时， m会突然增加，于是出现若干 个跳跃台阶。 m突增的原因是在这几个 波长时产生了光电效应，使X射线被大量 吸收，这个相应的波长称为吸收限 k 。 • 利用这一原理，可以合理地选用滤波 材料，使Ka和Kb两条特征谱线中去掉一 条，实现单色的特征辐射。
线性吸收： DI = -I0D x 为线性吸收系数, x 为线性距离
I0
Ix
x
吸收量取决于入射强度 I0, 而I0在每个吸收微元 中连续变化，对整个样 品积分：
I0
Ix
x
x dI I0 I 0 0 dx Ix
I x I 0 exp( x)
Ix Ix ln x , exp( x) (Beer-Lambert Law) I0 I0
推荐教材和实验参考书 杨南如， 无机非金属材料测试方法。武
汉工业大学出版社,1999。 杨南如等编, 无机非金属材料图谱手册 。
武汉工业大学出版社, 2000。
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章
X射线粉晶衍射分析 电子显微分析 热分析 振动光谱 光电子能谱分析 穆斯堡尔效应

1912年，M.Von Laue 以晶体为光 栅，发现了X射线的衍射现象，确定了 X射线的电磁波性质。X射线是种电磁 辐射，波长比可见光短，介于紫外与γ 射线之间, l=0.01-100A。 1913年，Bragg父子测定了第一个 晶体结构NaCl，提出Bragg方程。
X射线具有波粒二象性。解释它的 干涉与衍射时，把它看成波，而 考虑它与其他物质相互作用时， 则将它看成粒子流，这种微粒子 通常称为光子。
X光与可见光的区别
i) 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。 ii) X光无反射。
I R ns 1 R I 0 ns 1
2
iii) X光可为重元素所吸收，故可用于医学造影。
关于电磁波的三个术语
如果所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为相干的 coherent. 非coherent的光波相互干扰，导致强度的减弱. 在同一方向的射线称为准直的（平行的）collimated beam. 电灯泡的光线是发散的, 射向地球的太阳光基本是 collimated
5) 核爆炸或宇宙射线的作用
• X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成，两 者之间作用有高电压，并置于玻璃金 属管壳内。阴极是电子发射装置，受 热后激发出热电子；阳极是产生X射线 的部位，当高速运动的热电子碰撞到 阳极靶上突然动能消失时，电子动能 将转化成X射线。
封闭式X射线管
铜 冷却水
真空 X射线
钨丝
吸收常用质量吸收系数m表示，
m＝ /
不同元素的m不同 H 0.435 Si 60.6
C
N
4.60
7.52
S
Cl
89.1
106
O
F
11.5
16.4
Br
I
99.6
294
如果材料中含多种元素，则 m＝ miWi 其中Wi为质量分数
吸收系数的变化是不连续的。波长（能量）变化到一 定值，吸收的性质发生变化，m发生突变，突变波长
玻璃
管座（接变压器）
靶（阳极）
铍窗
X射线
聚焦罩
电子束
高功率旋转阳极
X射线
Planck‗s law : Energy/photon ＝ h 波长越短，能量越高。
能够转化为X光的最大能量为
hc/ o = eV
因此产生的X光的最短波长受能量的限制
最短波长为swl（短波限:shirt wavelength limit)
LK，产生Ka MK，产生Kb
Ka = 0.154nm DE = 1.29 10-15J
M
L
K
Kb = 0.139nm DE = 0.15 10-15J La = 1.336nm DE = 1.43 10-15J where K = 1s2 level L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level
X-ray的强度与振幅相关： E Intensity（强度） = |A|2 强度无方向

A
X-ray的能量与频率或波长相关，Planck‗s 定律: Energy/photon （能量/光子）= h = hc/ h = 6.6310-34 J· s 强度与能量的的区别：强度指光子数的多少 能量指每个光子所携带的能量
特征X射线波长与靶材料原子序数有关
靶材料 特征X射线波长
元素 序数
Cr Fe Ni Cu W 24 26 28 29 74
Ka
2.2907 1.9373 1.6592 1.5418
Kb
2.0849 1.7566 1.5001 1.3922
Mo 42
0.7107
0.2106
0.6323
0.1844
原子序数越大，核对内层电子引力上升，下降
无机非金属材料测试方法
• Inorganic Nonmetal Testing Methods
主讲：材料学院 刘羽 liuyu@mail.wit.edu.cn 62866139; 87195640
绪论
课程目的; 学习内容; 学习方法; 学时安排; 几点注意; 参考文献.
参考文献
1. X-射线衍射分析, 杨子兴 等,上海交大出版社, 1994, O72/4719 2.材料工艺中的现代物理技术, T.马维等,科学出版社，1984, O739/8530 3. 物相衍射分析, 杨传铮 等,冶金出版社,1989,TB3021/4728
• (2)俄歇效应 • 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层 跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子 的形式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个 电子受激发而逸出原子成为自由电子-----俄歇 电子(Auger electrons)。这种现象叫做俄歇效应。 •
3 透射与衰减
• X射线的能量衰减符合指数规律，即
• 当一个外来电子将K层的一个电子击出成为 自由电子（二次电子），这是原子就处于高 能的不稳定状态，必然自发地向稳态过渡。 此时位于较外层较高能量的L层电子可以跃 迁到K层。这个能量差ΔE=EL-EK=hν将以电 磁波的形式放射出去，其波长λ＝h/ΔE必然 是个仅仅取决于原子序数的常数。
特征X射线
I=I0e-µmρx
其中， I-----透射束的强度，I0------入射束的强度， µm-----质量吸收系数，表示单位时间内单位体 积物质对X射线的吸收量，ρ为物质密度，x-----物质的厚度
• 质量吸收系数µ m与波长 和原子序数Z存在如 3 3 下关系：µ m=K Z • 这表明，当吸收物质一定时，X射线的波 长越长越容易被吸收; X射线的波长固定时,吸 收体的原子序数越高，X射线越容易被吸收。
swl = hc/KE = hc/eV = 12400/V
由于产生热的限制，对管的能量（千瓦）输入
有个限度。 旋转阳极的典型参数是40kV 和 100mA ，功率 为 4kW。
Intensity of emitted radiation
X射线谱
白色(连续)X射线
不同性质的碰撞产 生连续谱，称为白 色 X 光 (braking
1. 3 X射线与物质的相互作用
• X射线与物质的作用分为散射、吸收、透射。
• 1、 散射
• X射线被物质散射时可以产生两种散射现 象，即相干散射和非相干散射。 • （1）相干散射 • 入射光子与电子刚性碰撞，其辐射出电磁波的 波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之 间将可以发生相互干涉-----相干散射。
能量服从
Mosley‘s Law
1 K (Z )
1 2
：波长; K：与主量子数、电子质量和电子电荷有 关的常数; Z ：靶材原子序数; ：屏蔽常数
能量对 Z2 的依赖性因为该过程涉及两个电子，一个被激发，
另一个跌落。
同步辐射X射线源
• 在电子同步加速器或电子储存环中，高能电子 在强大的磁偏转力的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，其 波长范围在0.1—400Ǻ左右的连续的各个波长 的X射线。 • 其特点是强度高，比通常的X射线管所发出的X 射线约大105倍左右。
4. X光衍射技术基础, 王英华,原子能出版社,1987, O71/1042
5. “材料结构分析基础”，余琨等，科学出版社，北京，2000, TB303/8096
6. 热分析及其应用,陈镜泓等,科学出版社,1985,O65.798/7483
7. 材料现代分析方法,左演声等,北工大出版社,2000, TB302/4034 8. 扫描电子显微分析技术,杜学礼,化工出版社,1986,O65735/4493