实践]第1章绪论 X射线物理学基础
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材料科学研究方法
主讲 李伟洲 wzli@gxu.edu.cn 广西大学材料学院
教 材 材料分析方法
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
但SWL和m保持不变
15
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
I连 = K1iZU2
(1-4)
式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射
产生两种谱线：连续和特征X射 线
13
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
短波限 SWL
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响
a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响
14
第二节 X射线的产生及X射线谱
能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱
习题：计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度
• X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、 精细结构研究和晶体取向测定等；
• X射线学三大分支：透射学，衍射学，光谱学。 6
比较一下各图的差别
2θ Ke V
7
课题讨论
• 你所了解的材料表征方法与技术，优 缺点
8
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
9
第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生及X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
10
第一节 X射线的性质
X射线是一种波长很短的电磁波
X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm
X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
连续X射线和特征X射线 图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
5
• 1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中 的衍射现象，为物质结构研究提供了一种崭新的 方法，后来发展成为X射线衍射学
• 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反 射”X射线的概念，推导出至今被广泛应用的布 拉格方程
• 1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有 定量的对应关系，这一原理应用于材料成分检测
2ห้องสมุดไป่ตู้
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
3
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
一、连续X射线谱
由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存
在最小值SWL，其强度在m处有最大值
当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极
(Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时
大部分能量消耗使靶发热
16
第二节 X射线的产生及X射线谱
为什么连续X射线谱存在短波限SWL？
用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部
X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
图1-1 电磁波谱
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
分辨率与波长的关系 11
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
12
第二节 X射线的产生及X射线谱
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题
4
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
李鸿章在X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。
主讲 李伟洲 wzli@gxu.edu.cn 广西大学材料学院
教 材 材料分析方法
1
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
但SWL和m保持不变
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
I连 = K1iZU2
(1-4)
式中，K1 是常数。 X射线管仅产生连续谱时的效率
= I连 / iU = K1ZU
可见， X 射线管的管电压越高、阳极靶原子序数越大，X 射
产生两种谱线：连续和特征X射 线
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱，见图1-3
短波限 SWL
图1-3 管电压、管电流和阳极靶原子序数对连续谱的影响
a) 管电压的影响 b) 管电流的影响 c)阳极靶原子序数的影响
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第二节 X射线的产生及X射线谱
能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL，
eU = hmax = hc /SWL
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱
习题：计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度
• X射线衍射分析研究内容很广，主要包括相分析、 精细结构研究和晶体取向测定等；
• X射线学三大分支：透射学，衍射学，光谱学。 6
比较一下各图的差别
2θ Ke V
7
课题讨论
• 你所了解的材料表征方法与技术，优 缺点
8
第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
9
第一章 X射线物理学基础
本章主要内容 第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生及X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
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第一节 X射线的性质
X射线是一种波长很短的电磁波
X射线的波长范围为0.01~10nm， 用于衍射分析的X射线波长为 0.05~0.25nm
X射线一种横波，由交替变化的 电场和磁场组成
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
本课程的意义在于：通过材料微观组织结构和微区成分分 析，揭示材料组织结构与性能的关系，即组织是性能的内 在根据，性能是组织的对外表现；确定材料加工工艺和组 织结构的关系，以实现微观组织结构控制
连续X射线和特征X射线 图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成
阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏)
阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
5
• 1912年德国物理学家劳埃发现了X射线在晶体中 的衍射现象，为物质结构研究提供了一种崭新的 方法，后来发展成为X射线衍射学
• 1912年英国物理学家布拉格提出了晶面“反 射”X射线的概念，推导出至今被广泛应用的布 拉格方程
• 1914年莫塞来发现特征X射线波长和原子序数有 定量的对应关系，这一原理应用于材料成分检测
2ห้องสมุดไป่ตู้
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十三章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
3
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
一、连续X射线谱
由图1-3可见，连续 X 射线谱的特点是，X 射线的波长存
在最小值SWL，其强度在m处有最大值
当管电压U 升高时，各波长X射线的强度均提高，短波限
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
线管的效率越高。因 K1 约(1.1~1.4)10-9，即使采用钨阳极
(Z = 74)、管电压100kV， 1%，效率很低。电子击靶时
大部分能量消耗使靶发热
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第二节 X射线的产生及X射线谱
为什么连续X射线谱存在短波限SWL？
用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部
X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
图1-1 电磁波谱
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
分辨率与波长的关系 11
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
X射线的穿透能力大，能穿透对可见光不透明的材料，特 别是波长在0.1nm以下的硬X射线
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
12
第二节 X射线的产生及X射线谱
本课程的基本要求：了解常用的现代分析仪器的基本结构 和工作原理；掌握常用的实验分析方法；能正确选用合适 的分析方法解决实际工作中的问题
4
第一篇 材料X射线衍射分析
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
李鸿章在X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。