材料分析测试技术材料X射线衍射和电子显微分析

晶体结构的X射线分析
1917 物理
巴克拉Charles Glover Barkla
元素的特征X射线
1924 物理
卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
1994 物理
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
中子谱学 中子衍射
第一章 X射线性质
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1-1 X射线的本质； 1-2 X射线的产生； 1-3 X射线谱； 1-4 X射线与物质相互作用； 1-5 X射线的探测与防护；
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1-1 X射线的本质
• 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， 因此具有波粒二 像性。
构成连续X射线谱，它 和可见光相似，亦称
• 产生机理；
多色X射线。
• 演示过程；
• 短波限；
• X射线的强度。
产生机理
• 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时， 电子失去自己的能量，其中部分以光子的 形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hγ的 光子，这样的光子流即为X射线。单位时间 内到达阳极靶面的电子数目是极大量的， 绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量 各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。
• X射线衍射将会有助于你找到获 得预想性能的途径。
1、衍射分析技术的发展
• 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
得奖者
内容
1901 物理
伦琴Wilhelm Conral Rontgen
X射线的发现
1914 物理
劳埃Max von Laue
晶体的X射线衍射
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
• 1.试计算波长0.71A（Mo-Kα）和1.54A （Cu- Kα）的X射线束，其频率和每个 量子的能量？
解答
1-2 X射线的产生
• (1)产生原理； • (2)产生条件； • (3)过程演示； • (4) X射线管； • (5)其它X射线装置。
产生原理
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。
脱氧核糖核酸DNA测定
1964 化学
Dorothy Crowfoot Hodgkin
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome KarleLeabharlann Baidu
直接法解析结构
鲁斯卡E.Ruska
电子显微镜
1986 物理
宾尼希G.Binnig
扫描隧道显微镜
罗雷尔H.Rohrer
产生条件
• 1.产生自由电子； • 2.使电子作定向的高速运动; • 3.在其运动的路径上设置一个障碍物使
电子突然减速或停止。
过程演示（回车键演示）
X射线
冷却水
电子
金 属 靶
玻璃 钨灯丝
接变压器
铍窗口
X射线 X射线管剖面示意图
金属聚灯罩
X射线管
• 1.X射线管的结构；图1-2； • 2.特殊构造的X射线管； • 3.市场上供应的种类。
• 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。
• X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动
量p之间存在如下关系：
h hc
p h


• 式中h——普朗克常数，等于6.625×103J4 .s;
c——X射线的速度，等于2.998×1010 cm/s.
相关习题：
短波限
• 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为 短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生 的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的 影响。
电子衍射
1954 化学
鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
1962
生理医学
Francis Maurice
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
• X射线波长的度量单位常用埃（Å）或晶体学单位（kX） 表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它 们 之 间 的 换 算 关 系 为 ： 1nm=10 Å = m
1kX=1.0020772±0.000053A (1973年值)。
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粒子性
• 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一 定的质量、能量和动量。
特殊构造的X射线管；
• (1)细聚焦X射线管； • (2)旋转阳极X射线管。
市场上供应的种类
• (1)密封式灯丝X射线管； • (2)可拆式灯丝X射线管.
1-3 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：
• (1)连续X射线； • (2)标识X射线。
连续X射线
• 具有连续波长的X射线，
• (1)波动性; • (2)粒子性。
波动性
• X射线的波长范围： 0.01~100 Å
• 表现形式：在晶体作衍射光栅观 察到的X射线的衍射现象，即证 明了X射线的波动性。
• 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， 可用于分析非金属的分析。
X射线衍射分析技术
材料分析测试技术
哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院
绪论
材料：你们最关心的是什么？
性能：你认为与哪些因素有关？
结构：有哪些检测分析技术？
• 物质的性质、材料的性能决定于 它们的组成和微观结构。
• 如果你有一双X射线的眼睛，就 能把物质的微观结构看个清清楚 楚明明白白！
• X射线衍射将会有助于你探究为 何成份相同的材料，其性能有时 会差异极大.
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
（105 ~ 107 mmHg ）二极管。基本组成包括：
• (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 • (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射
线的地方。
• (3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射 出的地方。
• (4)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。