材料分析方法第一章-X射线的性质
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阳极：亦称靶，是使电子突然减速并发射X射线。 通常的靶材有: Cu、Mo、Co 等 良好的循环水冷却，防止靶熔化
窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。通常用金属铍，
§ 1-４ X射线谱
X射线谱定义:X射线的强度--波长的关系曲线
X射线管发射出来的X射线 分为两种类型：
一．连续X射线谱
二．特征X射线谱
X射线的本质: 波长很短的电磁波
●波长很短的电磁波 0.01~100Å 用于晶体分析的 λ= 0.5~2.5Å
●具有波粒二象性(实际上任何物质具波粒二象性） 波动性:以一定频率、波长在空间传播; 微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的
质量、能量和动量。
能量E h hc
其中：h为普朗克常数， h 6.6261034 J s
§１－１ 引言
１．1895年，伦琴发现了一种穿透力很强的射线——
Ｘ射线
电子束
伦琴 W. K. Rontgen
第一张X光照片
伦琴于1901年获首届诺贝尔物理奖
２. 1912年劳厄（M.von Laue）发现通过晶体时产生衍
射现象, 证实了X射线的波动性
准直缝 晶体 X射线
劳厄斑
····
劳厄
§１－２ X射线的本质
绪论
材料内部的成份、结构直接决定着材料的性 能和应用。
如何判定材料的成份和结构是材料学领域的关 键问题。
问题1: 假如你有一块黄橙橙的矿石，你能判断是否
含有黄金吗？ 阿基米德方法？
问题2:你能区分不同结构的相同成分物质？
锅烟灰---C60
炭纳米管
金刚石
碳结构的变化
在本次课程学习的主要材料分析方法:
行
物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相
分
析
单晶体衍射花样
TEM:
(1) 可形成衍射花样, 进行物相分析, 图c
(2) 可成像 图a, b
2nm
50 nm
扫描电微镜（SEM）
苍蝇的复眼扫 描电镜图像
第一部分 材料X射线衍射分析
X-ray Diffraction
常用来分析 物相、晶格参数，应力等
第一章 X射线的性质
本章要点:
1. X射线的本质:为电磁波，具有波粒子二象性 2. X射线管的主要构造 3. X射线连续谱的特征和 产生原因（及应用） 4. X射线特征谱产生过程、条件(难点) 、命名、莫塞莱定律（应用） 5. X射线与物质相互作用: 散射(相干与非相干)+
(4)波长分散谱仪—波谱仪WDS, Wavelength Dispersive Spectrometer
能量分散谱仪—能谱仪 EDS, Energy Dispersive Spectrometer
WDS, EDS—利用特征射线进行成分分析,
[spekˈtrɒmɪtə(r)]
EDS可作为两电镜的附件, 用于微区成份分析
(1) X射线衍射仪（XRD， X-Ray diffraction） 用于物相(或说结构）分析 及其他 [ dɪ'frækʃn]
• 透射电镜（TEM， Transmission Electron Microscope）
物相分析，和微观形貌
[ˈmaɪkrəskəʊp]
(3) 扫描电镜 （SEM， Scanning Electron Microscope） 表面形貌
• 撞向阳极的电子目数很多，时间、条件不同，或多次 碰撞逐步减少其能量。
• 动能转换为x-ray的能量有多有少，射出x-ray的频率有 大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
连续谱
I
短波极限波长λmin
a.对应着极少数电子只经过一 次碰撞，并且将全部能量eU 转化为一个光量子。
不同阳极
强度 （任意单位）
特 征 射 线 连续X射线
X
波长（Å）
35 KV的管压下，钼靶的X射线
一．连续X射线谱
●特点: ① 波长连续变化。 ② 有一个波长极限——短波限λmin。
●产生原因:高速运动的电子受阻而减速时产生的电磁辐射， 也叫轫致辐射。
• 电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转化为热能，一 部分以x-ray释放。
§ 1-３ X射线的产生及X 射线管
（1） X射线管的作用: 以高能电子打在靶材上产生X射线
（２）X射线管产生Ｘ射线的３条件: 1） 产生自由电子; 2） 电子作定向高速运动; 3）使电子止住或突然减速的 障碍物
（3）X射线管的结构:
阴极:发射电子。由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由电子， 奔向阳极 。
W Ag Mo
b. 短波限只与管电压有关， 不受其它因素影响。
λmin hc eV
（了解）推导:设管电压为V，电子电量e ，电场力做功，则电 子获得动能为eV，当这一能量完全转化为光子的能量时
h m ax
h
c m in
eV
得:
min hc 1240 (nm) 为连续谱的短波极限波长
eV eV
c为X射线的速度， c 2.998108 m / s
例:求200 nm 的一个光子所具有的能量
c E h
6.626 1034 2.998108 9.930 1019 (J )
200 109
（了解）附:电磁波谱
无线电波→微波→红外光→可见光→紫外光→X 射线→γ射线
能量 γ射线 核能级跃迁 X射线 原子内层电子的能级跃迁 紫外光 原子或分子外层电子的能级跃迁 可见光 原子或分子外层电子的能级跃迁 红外光 分子振动和转动能级的跃迁 微波 无线电波
+真吸收( 光电子，俄歇效应，荧光X 射线) + 透射
6. X射线透过的强度公式，质量吸收系数
7. 二次特征辐射、吸收限(或称激发限) 、及质量吸收系数曲线 8.吸收限在结构分析时的应用: 1) (了解）滤波：Z滤= Z靶－1 （Z靶＜40);Z滤= Z靶－2 （Z靶＞=40）
2)选靶材一般方法是:Z靶≤Z样+1
连续X射线谱的强度----两种计算方法:
1）光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光 子数n和每个光子的能量
I nhν
2）或者:I- 曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。 I连续＝ I () d 0
高能电子束与固体样品作用时产生的信号和6大材料分析手段
高能电子
EDS/W DS
入射
样
衍射
品2
XRD
特征
扫描 二次电子
电镜
SE
背散射
M
电子
X射
样
线
品2
光电
XP
子
S
X射线
样
品2
荧光（二次特
样品1
征X射线
透射电子
（TEM）
X射线 荧光谱 分析
X射线衍射仪 (XRD)
透射电镜（TEM）
可
进
多晶体衍射花样
窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。通常用金属铍，
§ 1-４ X射线谱
X射线谱定义:X射线的强度--波长的关系曲线
X射线管发射出来的X射线 分为两种类型：
一．连续X射线谱
二．特征X射线谱
X射线的本质: 波长很短的电磁波
●波长很短的电磁波 0.01~100Å 用于晶体分析的 λ= 0.5~2.5Å
●具有波粒二象性(实际上任何物质具波粒二象性） 波动性:以一定频率、波长在空间传播; 微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的
质量、能量和动量。
能量E h hc
其中：h为普朗克常数， h 6.6261034 J s
§１－１ 引言
１．1895年，伦琴发现了一种穿透力很强的射线——
Ｘ射线
电子束
伦琴 W. K. Rontgen
第一张X光照片
伦琴于1901年获首届诺贝尔物理奖
２. 1912年劳厄（M.von Laue）发现通过晶体时产生衍
射现象, 证实了X射线的波动性
准直缝 晶体 X射线
劳厄斑
····
劳厄
§１－２ X射线的本质
绪论
材料内部的成份、结构直接决定着材料的性 能和应用。
如何判定材料的成份和结构是材料学领域的关 键问题。
问题1: 假如你有一块黄橙橙的矿石，你能判断是否
含有黄金吗？ 阿基米德方法？
问题2:你能区分不同结构的相同成分物质？
锅烟灰---C60
炭纳米管
金刚石
碳结构的变化
在本次课程学习的主要材料分析方法:
行
物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
相
分
析
单晶体衍射花样
TEM:
(1) 可形成衍射花样, 进行物相分析, 图c
(2) 可成像 图a, b
2nm
50 nm
扫描电微镜（SEM）
苍蝇的复眼扫 描电镜图像
第一部分 材料X射线衍射分析
X-ray Diffraction
常用来分析 物相、晶格参数，应力等
第一章 X射线的性质
本章要点:
1. X射线的本质:为电磁波，具有波粒子二象性 2. X射线管的主要构造 3. X射线连续谱的特征和 产生原因（及应用） 4. X射线特征谱产生过程、条件(难点) 、命名、莫塞莱定律（应用） 5. X射线与物质相互作用: 散射(相干与非相干)+
(4)波长分散谱仪—波谱仪WDS, Wavelength Dispersive Spectrometer
能量分散谱仪—能谱仪 EDS, Energy Dispersive Spectrometer
WDS, EDS—利用特征射线进行成分分析,
[spekˈtrɒmɪtə(r)]
EDS可作为两电镜的附件, 用于微区成份分析
(1) X射线衍射仪（XRD， X-Ray diffraction） 用于物相(或说结构）分析 及其他 [ dɪ'frækʃn]
• 透射电镜（TEM， Transmission Electron Microscope）
物相分析，和微观形貌
[ˈmaɪkrəskəʊp]
(3) 扫描电镜 （SEM， Scanning Electron Microscope） 表面形貌
• 撞向阳极的电子目数很多，时间、条件不同，或多次 碰撞逐步减少其能量。
• 动能转换为x-ray的能量有多有少，射出x-ray的频率有 大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
连续谱
I
短波极限波长λmin
a.对应着极少数电子只经过一 次碰撞，并且将全部能量eU 转化为一个光量子。
不同阳极
强度 （任意单位）
特 征 射 线 连续X射线
X
波长（Å）
35 KV的管压下，钼靶的X射线
一．连续X射线谱
●特点: ① 波长连续变化。 ② 有一个波长极限——短波限λmin。
●产生原因:高速运动的电子受阻而减速时产生的电磁辐射， 也叫轫致辐射。
• 电子加速后撞向阳极靶，大部分动能转化为热能，一 部分以x-ray释放。
§ 1-３ X射线的产生及X 射线管
（1） X射线管的作用: 以高能电子打在靶材上产生X射线
（２）X射线管产生Ｘ射线的３条件: 1） 产生自由电子; 2） 电子作定向高速运动; 3）使电子止住或突然减速的 障碍物
（3）X射线管的结构:
阴极:发射电子。由钨丝制成，通电后，钨丝发热释放自由电子， 奔向阳极 。
W Ag Mo
b. 短波限只与管电压有关， 不受其它因素影响。
λmin hc eV
（了解）推导:设管电压为V，电子电量e ，电场力做功，则电 子获得动能为eV，当这一能量完全转化为光子的能量时
h m ax
h
c m in
eV
得:
min hc 1240 (nm) 为连续谱的短波极限波长
eV eV
c为X射线的速度， c 2.998108 m / s
例:求200 nm 的一个光子所具有的能量
c E h
6.626 1034 2.998108 9.930 1019 (J )
200 109
（了解）附:电磁波谱
无线电波→微波→红外光→可见光→紫外光→X 射线→γ射线
能量 γ射线 核能级跃迁 X射线 原子内层电子的能级跃迁 紫外光 原子或分子外层电子的能级跃迁 可见光 原子或分子外层电子的能级跃迁 红外光 分子振动和转动能级的跃迁 微波 无线电波
+真吸收( 光电子，俄歇效应，荧光X 射线) + 透射
6. X射线透过的强度公式，质量吸收系数
7. 二次特征辐射、吸收限(或称激发限) 、及质量吸收系数曲线 8.吸收限在结构分析时的应用: 1) (了解）滤波：Z滤= Z靶－1 （Z靶＜40);Z滤= Z靶－2 （Z靶＞=40）
2)选靶材一般方法是:Z靶≤Z样+1
连续X射线谱的强度----两种计算方法:
1）光的强度决定于单位时间内通过单位面积的光 子数n和每个光子的能量
I nhν
2）或者:I- 曲线下的面积表示连续x-ray的总强度。 I连续＝ I () d 0
高能电子束与固体样品作用时产生的信号和6大材料分析手段
高能电子
EDS/W DS
入射
样
衍射
品2
XRD
特征
扫描 二次电子
电镜
SE
背散射
M
电子
X射
样
线
品2
光电
XP
子
S
X射线
样
品2
荧光（二次特
样品1
征X射线
透射电子
（TEM）
X射线 荧光谱 分析
X射线衍射仪 (XRD)
透射电镜（TEM）
可
进
多晶体衍射花样