現(xiàn)代材料分析方法河北工業(yè)大學材料學院孫繼兵E-mail:hbgdsjb@Tel:022-265822881材料：你們最關(guān)心的是什么？性能：你認為與哪些因素有關(guān)？結(jié)構(gòu)：有哪些檢測分析技術(shù)？第一章緒論材料學院2教師：孫繼兵材料的顯微組織結(jié)構(gòu)所涉及的內(nèi)容包括：1、顯微化學成分（不同相的成分，基體與析出相的成分，偏析等）；2、晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷（面心立方、體心立方、位錯、層錯等）；3、晶粒大小與形態(tài)（等軸晶、柱狀晶、枝晶等）；4、相的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量及分布（球、片、棒、沿晶界聚集或均勻分布等）；5、界面（表面、相界與晶界）；6、位向關(guān)系（慣習面、孿生面、新相與母相）；7、夾雜物；8、內(nèi)應力（噴丸表面，焊縫影響區(qū)等）。材料學院3教師：孫繼兵傳統(tǒng)的分析顯微組織結(jié)構(gòu)方法只能給出所測定材料的一塊試樣的平均成分（所含每種元素的平均含量），并達到很高的精度。不能給出所含元素的分布情況（如偏析，同一元素在不同相種的含量不同等）。光譜分析給出的結(jié)果也是樣品的平均成分。顯微組織結(jié)構(gòu)依靠光學顯微鏡成分分析依靠化學分析光學顯微鏡的放大倍數(shù)一般小于1000倍，只能觀察到100nm尺寸級別的組織結(jié)構(gòu)只能觀察表面形態(tài)而不能觀察材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)更不能對所觀察的顯微組織進行同位微區(qū)成分分析。材料學院4教師：孫繼兵現(xiàn)代分析方法-本課程主要內(nèi)容這門課程主要包括兩部分的內(nèi)容，即：X射線衍射和電子顯微分析。X射線衍射（XRD，X-RayDiffraction）電子顯微鏡（EM，ElectronMicroscope）透射電子顯微鏡（TEM，TransmissionElectronMicroscope）掃描電子顯微鏡（SEM,ScanningElectronMicroscope）電子探針顯微分析（EPMA，ElectronProbeMicro-Analysis）掃描透射電子顯微鏡（STEM，ScanningTransmissionElectronMicroscope）材料學院5教師：孫繼兵XRDXRD是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷(位錯等)、不同結(jié)構(gòu)相的含量及內(nèi)應力的方法。這種方法是建立在一定晶體結(jié)構(gòu)模型基礎上的間接方法，即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號的特征去分析計算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)，并可以達到很高的精度。缺點：然而由于它不是像顯微鏡那樣直觀可見的觀察，因此也無法把形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來。由于X射線聚焦的困難、所能分析樣品的最小區(qū)域(光斑)在毫米數(shù)量級，因此對微米及納米級的微觀區(qū)域進行單獨選擇性分析也是無能為力的。材料學院6教師：孫繼兵電子顯微鏡（1）透射電子顯微鏡：是采用透過薄膜樣品的電子束成像來顯示樣品內(nèi)部組織形態(tài)與結(jié)構(gòu)的同時，對所觀察的區(qū)域進行晶體結(jié)構(gòu)鑒定（同位分析）。其分辨率可達0.1nm,放大倍數(shù)可達106（一百萬）倍。掃描電子顯微鏡：是利用電子束在樣品表面掃描激發(fā)出來代表樣品表面特征的信號成像的。最常用來：1）觀察樣品微觀組織表面形貌（斷口等）。分辨率可達到1nm，放大倍數(shù)可達2×105（20萬）倍。2）還可以觀察樣品表面的成分分布情況。材料學院7教師：孫繼兵電子顯微鏡（2）電子探針顯微分析：是利用聚焦得很細的電子束打在樣品的微觀區(qū)域，激發(fā)出樣品該區(qū)域的特征X射線，分析其X射線的波長或能量和強度來確定樣品微觀區(qū)域的化學成分。將掃描電鏡與電子探針結(jié)合起來，則可以在觀察微觀形貌的同時對該微觀區(qū)域進行化學成分同位分析。掃描透射電子顯微鏡：是同時具有SEM和TEM的雙重功能，如配上電子探針附件（分析電鏡），則可實現(xiàn)對微觀區(qū)域的組織形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)鑒定及化學成分測試三位一體的同位分析。材料學院8教師：孫繼兵參考書1、周玉主編．材料分析方法.北京：機械工業(yè)出版社，2000(27元）2、周玉，武高輝.材料分析測試技術(shù)—材料X射線衍射與電子顯微分析.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社,1998.(19.8元）3、范雄.X射線金屬學.機械工業(yè)出版社，1980.(3.05元）4、左演聲,陳文哲,梁偉.材料現(xiàn)代分析方法.北京工業(yè)大學出版社,2000.(28元)5、談育煦.金屬電子顯微分析.機械工業(yè)出版社，1987(3.20元）6、劉文西，黃孝瑛，等.材料結(jié)構(gòu)電子顯微分析.天津大學出版社，1989。(4.4元)—研究生用。7、黃孝瑛.透射電子顯微學.上海：上?？茖W技術(shù)出版社,1987.(4.85元)—研究生用。材料學院9教師：孫繼兵第一篇X射線衍射第一章X射線的物理學基礎第二章X射線衍射方向第三章X射線衍射強度第四章多晶體分析方法第五章X射線物相分析材料學院10教師：孫繼兵第一章X射線的物理學基礎第一節(jié)X射線線的介紹第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線管第三節(jié)X射線譜第四節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用第五節(jié)X射線的探測與防護本章思考與作業(yè)題材料學院11教師：孫繼兵第一節(jié)X射線線的介紹一、X射線的應用1895年，德國物理學家倫琴（W.K.Rontgen），在研究真空管中的高壓放電現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)了一種不可見的射線，這種射線的穿透力很強，能穿透木塊、玻璃甚至金屬，因為對它了解還甚少，故命名為X射線。后人為了紀念發(fā)現(xiàn)者，也稱它為“倫琴射線”。材料學院12教師：孫繼兵衍射分析技術(shù)的發(fā)展

與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單

材料學院13教師：孫繼兵X射線技術(shù)目前在工業(yè)和科學技術(shù)中的應用主要分三方面：1、X射線照相術(shù).即通過X射線的透射情況來研究人體或物體的內(nèi)部情況，這方面包括在醫(yī)學上的診斷和工業(yè)X射線探傷；2、X射線晶體學?！癤射線晶體學”或稱“X射線結(jié)構(gòu)分析”，是目前應用最廣的一個方面，它根據(jù)X射線照射晶體后所產(chǎn)生的衍射線方向和強度來確定晶體的結(jié)構(gòu)。除了用它來研究晶體中的原子排列以外，目前又發(fā)展了多種實用科學，廣泛應用于冶金、機械、化工、地質(zhì)、紡織、食品等部門?！癤射線金屬學”只是其中一個分支，是這方面的一個應用。3、X射線光譜學通過研究X射線光譜，可以研究物質(zhì)的原子構(gòu)造，如電子能級分布、電子云狀態(tài)等，又通過研究物質(zhì)發(fā)射的X射線波長可確定物質(zhì)的元素成分，這方面應用的例子是X射線熒光光譜分析及電子探針。材料學院14教師：孫繼兵“X射線金屬學”的主要應用1、物相分析:

定性分析與定量分析。2、固溶體分析：它可以確定固溶體的類型、測定固溶體中溶質(zhì)組元的含量（如馬氏體中的含碳量），又可以繪制相圖，以及研究不平衡狀態(tài)的固溶體（如研究鋼的淬火回火等熱處理過程）等。3、晶粒大小的測定可以測定粗晶粒的平均大小，微晶粒的平均晶粒度及微晶粒大小的分布情況。當然也可以測定金屬材料的嵌鑲塊結(jié)構(gòu)，例如金屬材料經(jīng)受塑性變形或固溶體時效時其嵌鑲塊大小的變化等等。4、應力測定可以測定材料的宏觀、顯微與超顯微的內(nèi)應力以及離子間的結(jié)合力。5、晶體取向的測定半導體材料、磁性材料、激光材料的單晶體，其取向可用X射線法測定。在金屬學中，可通過晶體取向研究材料的滑移、孿生過程，亦可以測定沉淀相從集體析出時的慣習面。用X射線法可以獲得有關(guān)知識的最完全的知識。X射線法優(yōu)點：屬于無損檢驗，試樣用量少，準確度較高；材料學院15教師：孫繼兵二、X射線的性質(zhì)（1）1、波長：

X射線的波長很短，大約在10-8-10-12m間，約與晶體的晶格常數(shù)為同一數(shù)量級。在電磁波譜中，它與紫外線及射線相搭接。2、分類硬X射線：波長短的為硬X射線，比如，用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線波長一般為0.25-0.05nm。金屬部件的無損探傷希望用更短的波長，一般為0.1-0.005nm。波長長的為軟X射線.比如，用于醫(yī)學透視上的X射線。軟X射線硬軟程度表示它的穿透能力的強弱。材料學院16教師：孫繼兵二、X射線的性質(zhì)（2）3、單位:

常用的是埃，以符號?表示。國際單位制（即SI）長度單位為m，波長單位改用nm，以取代埃?；蚓w學單位（kX）表示；它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?=10-9m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)。4、波粒二象性：與可見光、紅外線、紫外線以及宇宙射線完全相同，X射線的本質(zhì)屬于電磁波或電磁輻射，同時具有波動性和粒子性（波粒二象性）特征，只不過彼此占據(jù)不同的波長范圍而已。波粒二象性是X射線的客觀屬性。只不過在某些場合（比如X射線與X射線間相互作用）主要表現(xiàn)出波動的屬性（X射線的波動性反映在物質(zhì)運動的連續(xù)性和在傳播過程中發(fā)生的干涉、衍射過程中；）；在另外一些場合（比如X射線與電子、原子間的相互作用）主要表現(xiàn)出粒子的特性（當X射線與物質(zhì)原子或電子相互作用時，光子只能整個地被原子或電子吸收或輻射）。材料學院17教師：孫繼兵4、X射線的波動性與粒子性X射線的波動性主要表現(xiàn)為以一定的頻率和波長在空間傳播。它的粒子性主要表現(xiàn)為它是由大量的不連續(xù)粒子流構(gòu)成的，這些粒子流稱為光子。X射線以光子的形式輻射和吸收時具有質(zhì)量、能量和動量。在與物質(zhì)相互作用時交換能量。如光電效應；二次電子等。描述粒子性的參量：能量、動量p描述X射線的波動性的參量：頻率、波長關(guān)系：h-普朗克常數(shù)，=6.62510-34J.s

材料學院18教師：孫繼兵5、X射線的強度波動性的觀點：單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向單位截面上的能量的大小，強度與波振幅的平方成正比。粒子性觀點：單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。絕對強度的單位：J/(m2?s)通常用相對強度。返回目錄材料學院19教師：孫繼兵第二節(jié)X射線的產(chǎn)生及X射線管一、產(chǎn)生原理；二、產(chǎn)生條件；

三、過程演示；

四、X射線管；

五、X射線產(chǎn)生機理分析材料學院20教師：孫繼兵一、產(chǎn)生原理

高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。二、產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運動;3.在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突然減速或停止。材料學院21教師：孫繼兵接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖三、過程演示材料學院22教師：孫繼兵四、X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)；2.特殊構(gòu)造的X射線管；

3.市場上供應的種類。

材料學院23教師：孫繼兵1、X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空(10-2-10-4Pa)二極管?；窘M成包括：(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。W絲(TungstenFilament)。(2)陽極：亦稱靶(Target)，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。常用的靶材主要有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，在軟X射線裝置中常用Al靶。材料學院24教師：孫繼兵(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。2個或4個，鈹窗口（Berylliumwindow)，或由硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。(4)聚焦罩(Focusingcup)：使電子束集中。燈絲與聚集罩間保持100-400V電位差。(5)1%能量轉(zhuǎn)化為X射線，99%熱能。(6)焦點(Focalspot)：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

25線焦與點焦焦點的形狀取決于燈絲的形狀，用螺線形燈絲則產(chǎn)生長方形焦點。較小的焦點：可以提高分辨本領。較強的X射線強度：可以縮短暴光時間。焦點本來的形狀是1mm10mm的長方形。在與靶面成一定角度（3~6度角）的方向上接受X射線。點焦：對著短邊的窗口發(fā)射出的X射線的表觀焦點形狀為正方形，其強度較高。線焦：對著長邊的表觀焦點形狀為線狀，它的強度很弱。262、特殊構(gòu)造的X射線管（了解）

(1)細聚焦X射線管；

(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管。

材料學院27教師：孫繼兵3、市場上供應的種類（了解）

(1)密封式燈絲X射線管；

(2)可拆式燈絲X射線管.返回本節(jié)目錄材料學院28教師：孫繼兵五、X射線產(chǎn)生機理分析(1)1）陰極射出的高速電子與靶材原子碰撞，運動受阻而減速，其損失的動能，便以X射線光子的形式輻射出來，因此這種輻射稱之為韌致輻射。關(guān)于高速電子擊靶產(chǎn)生X射線的機理，按量子理論的觀點，源于兩個物理過程，陰極電子束發(fā)射出的電子數(shù)目極大，1mA管電流每秒鐘射到陽極上的電子數(shù)可達6.24×1015個。可以想象，電子到達陽極時的碰撞過程和條件肯定是千變?nèi)f化的，比如可以碰撞一次，也可以碰撞多次，而每次碰撞損失的動能也可以不相等。因此，大量電子擊靶所輻射出的X射線光量子的波長必然是按統(tǒng)計規(guī)律連續(xù)分布，覆蓋著一個很大的波長范圍，故這種輻射稱之為連續(xù)輻射（或稱之為白色X射線）。1庫=1A·S，若管電流強度i=1mA,因此每秒的電流為0.001庫。電子的電荷絕對值e=1.60210-19庫，則1秒內(nèi)射到陽極上的電子數(shù)目為：n=i/e=0.001/(1.60210-19)=6.241015材料學院29教師：孫繼兵五、X射線產(chǎn)生機理分析(2)2）陰極射來的電子，若其動能足夠大（取決于加速電壓），（除一部分仍按上述物理過程與靶材原子碰撞外，另一些電子，）可以將靶材原子的某個內(nèi)層電子擊出其原屬的電子殼層，擊到電子未填滿的外層，或者擊出該原子系統(tǒng)而使原子電離。此時原子處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)，各外層電子便爭相向內(nèi)層躍遷，填補被擊出電子的空位，以使原子系統(tǒng)能量降低，轉(zhuǎn)回穩(wěn)定態(tài)。這種外層電子向內(nèi)層躍遷過程所降低的能量，便轉(zhuǎn)而輻射出一個X射線光量子。輻射出的光量子波長（頻率），由電子躍遷所跨越的兩個能級的能量差來決定：內(nèi)層電子躍遷所輻射出的X射線的波長是若干個特定的值，這些波長值能反映（標識）出該原子的原子序數(shù)特征，而與原子所處的物理、化學狀態(tài)基本無關(guān)，故爾，稱這種輻射為特征輻射或標識輻射。返回本節(jié)材料學院30教師：孫繼兵第三節(jié)X射線譜

由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：一、連續(xù)X射線

二、特征X射線

返回本章X射線強度隨波長而變化的關(guān)系曲線，即X射線譜。鉬陽極管發(fā)射的X射線譜材料學院31教師：孫繼兵一、連續(xù)X射線譜具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。特點：(1)從某一短波限開始(2)波長可達無窮大(3)所有管壓下均存在(4)呈丘包狀產(chǎn)生機理；

演示過程；

短波限；

X射線的強度。

返回本節(jié)材料學院32教師：孫繼兵1、產(chǎn)生機理

能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hn的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內(nèi)到達陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，極大數(shù)量的電子射到陽極靶上的條件和時間不可能是一樣的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。材料學院33教師：孫繼兵K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽級靶X射線射出2、演示過程材料學院34教師：孫繼兵3、短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限l0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e—電子電荷，等于1.60210-19C;U—電子通過兩極時的電壓降；h—普朗克常數(shù)，等于6.62610-34J·Sc—X射線傳播速度，等于2.9981010m·S-1材料學院35教師：孫繼兵計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？U千伏20304050l0埃0.620.410.310.25連續(xù)短波限只與管電壓有關(guān).當固定管壓、增加管流或增大陽極靶材原子序數(shù)時，l0不變，僅使各波長X射線強度增高。材料學院36教師：孫繼兵4、連續(xù)X射線的強度與效率(1)

X射線的強度是指在單位時間內(nèi)垂直于X射線傳播方向的單位面積上所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強度I是由光子能量hn和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhn。連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0，而不在λ0處。材料學院37教師：孫繼兵連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。4、連續(xù)X射線的強度效率(2)X射線管的效率為:實驗證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：W陽極Z為陽極靶的原子序數(shù)，i為管電流（毫安），U為管電壓（千伏），a=1.1~1.510-6，m=2.。

W陽極Z=74，若U=100kV,則h=1.5×10-6×74×100=0.01材料學院38教師：孫繼兵二、特征X射線譜

是疊加在連續(xù)譜的上的若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。

1、標識X射線的特征2.產(chǎn)生機理

;3.過程演示

;4.K系激發(fā)機理

;5.莫塞萊定律；

6.標識X射線的強度特征。

7、小結(jié)-靶材的選擇原則返回本節(jié)材料學院39教師：孫繼兵1、標識X射線的特征

當電壓達到臨界電壓時，標識譜線的波長不再變，強度隨電壓增加。如鉬靶K系標識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71?和0.63?.最低管電壓，稱為激發(fā)電壓U激。不同的陽極靶，U激不同；產(chǎn)生的特征X射線譜的波長也不同繼續(xù)提高管電壓時，圖中各特征X射線的強度不斷提高，但其波長不變。材料學院40教師：孫繼兵2、產(chǎn)生機理

標識X射線譜的產(chǎn)生相理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標識X射線譜。材料學院41教師：孫繼兵K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標識X射線產(chǎn)生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射Kb輻射La輻射3、過程演示材料學院42教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（1）

(2)兩相鄰層能量之差依K、L、M……的次序急劇地減小，K與L層間的能量差最大,DeK-L>DeL-M>DeM-N>…..(1)K、L、M、N、O、P等層能量：eK<eL<eM<eN<….。(3)每一殼層具有一定的電子數(shù)目；K層為2；L層8，M層為18，N層為32。材料學院43教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（2）(5)定義由不同外層上的電子躍遷至同一內(nèi)層上來而輻射的特征譜線屬于同一線系，并按電子躍遷所跨越的電子能級數(shù)目多少的順序，將這同一線系的譜線分別標以a、b、g等符號。(4)同一殼層上有電子并不處于同一能量狀態(tài)，而分屬于若干個亞能級。L層8個電子分屬于L1、L2、L3三個亞能級。M層的18個電子分屬于五個亞能級等。材料學院44教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（3）(6)K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位躍遷時產(chǎn)生K系輻射。LK填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；MK填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射。L系輻射：ML,產(chǎn)生Lα輻射；NL,產(chǎn)生Lβ輻射。M系輻射。。。材料學院45教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（4）(7)同一靶材的K、L、M系譜線中，K系譜線波長最短。lKa<lLa<lMa<….同一線系各譜線關(guān)系：lKa>lKb>lKg>….材料學院46教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（5）(8)由能級可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級，故K層電子殼層空缺后，其空位被L層電子占據(jù)的幾率要比被M層電子占據(jù)的幾率大4－5倍，因而Ka線的強度比Kb線的強度大4－5倍。IKa:IKb=5:1材料學院47教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（6）(9)電子在各能級間的躍遷并不是隨意的，要符合“選擇定則”。L1亞能級上的電子就不能躍遷至K層上來，所以Ka線是電子由L3K和L2K躍遷時輻射出來的Ka1，Ka2兩根譜線組成的。L3上的四個電子躍遷至K層填滿空位的幾率比L2上的二個電子躍遷至K層的幾率大一倍，所以組成的兩根線的強度比為IKa1:IKa2=2:1材料學院48教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理（7）雙線的波長相差很小，在一般情況下，它們是分辨不開的，這時統(tǒng)稱為Ka線。Ka線的波長是用雙線波長的加權(quán)平均值來表示：材料學院49教師：孫繼兵4、K系激發(fā)機理小結(jié)（8）同一線系的譜線

IKa:IKb=5:1IKa1:IKa2=2:1材料學院50教師：孫繼兵5、莫塞萊定律

標識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：材料學院51教師：孫繼兵6、標識X射線的強度特征

K系標識X射線的強度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當I標/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。n=1.5~2材料學院52教師：孫繼兵7、小結(jié)-靶材的選擇原則由于L系、M系特征譜線波長較長，容易被物質(zhì)吸收，所以在晶體衍射分析中常用K系譜線。輕元素的K系輻射由于波長值大，容易被X射線管窗口，甚至空氣所吸收而不好利用；太重元素靶材所產(chǎn)生的K系譜線，其波長又太短，且連續(xù)輻射所占比例又太大。所以，采用單色輻射的衍射實驗宜用Cr、Fe、Co、Cu、Mo等靶材的X射線管。材料學院53教師：孫繼兵幾種常用陽極靶材料的特征譜參數(shù)陽極靶元素

原子序數(shù)ZK系特征譜波長（埃）

U（kV）≈(3-5)UK

Kα1Kα2Kα＊

KβCr242.289702.293062.291002.0848720~25Fe261.9360421.9399801.9373551.7566125~30Co271.7889651.7928501.7902621.6207930Ni281.6579101.6617471.6591891.50013530~35Cu291.5405601.5443901.5418381.39221835~40Mo420.7093000.7135900.7107300.63228850~55材料學院54教師：孫繼兵第四節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生各種不同的和復雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時，可分為三部分：一部分被散射一部分被吸收一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播一、X射線的散射；二、X射線的吸收

；三、X射線的衰減規(guī)律四、吸收限的應用；

五、X射線的折射X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)返回本章材料學院55教師：孫繼兵一、X射線的散射

沿一定方向運動的X射線光子流與物質(zhì)的電子相互碰撞后，向周圍彈射開來，這便是X射線的散射。X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：1、相干散射；2、非相干散射返回本節(jié)材料學院56教師：孫繼兵1、相干散射X射線光子與受原子核束縛得很緊的電子（如原子內(nèi)層電子）相碰撞而彈射，光子的方向改變了，但能量幾乎沒有損失，于是產(chǎn)生了波長不變的散射線。物質(zhì)中的電子在X射線電場的作用下，產(chǎn)生強迫振動。這樣每個電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱為相干散射?；蛘哒f入射波將自身的能量傳給了電子，而電子又將該能量轉(zhuǎn)化為與入射線波長相同的散射X射線。又由于經(jīng)典電動力學理論可以圓滿地解釋這種電子散射現(xiàn)象及其定量關(guān)系，所以將這種散射稱為經(jīng)典散射；又由于是由湯姆遜作的解釋，又稱為湯姆遜散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎。材料學院57教師：孫繼兵2、非相干散射(1)

當X射線光子沖擊原子中束縛力弱的電子（如輕原子中的電子，原子中的外層電子）或自由電子時，電子被撞離原子并帶走光子的一部分能量而成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。材料學院58教師：孫繼兵2、非相干散射(2)非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國物理學家吳有訓等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。非相干散射不能參與晶體對X射線的衍射，但也無法防止，它分布于各個方向，強度隨sinq/l的增加而增大.它會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。材料學院59教師：孫繼兵二、X射線的吸收物質(zhì)對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個過程中發(fā)生X射線的光電效應和俄歇效應。1、光電效應；

2、俄歇效應。3、熱效應

返回本節(jié)材料學院60教師：孫繼兵1、光電效應與熒光（二次特征）輻射當X射線光子具有足夠高的能量時，將同X射線管中的高速電子一樣，可以將被照物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子打擊出來。光子擊出電子產(chǎn)生光電效應，被擊出的電子稱為光電子。被打掉了內(nèi)層電子的原子處于激發(fā)狀態(tài)，從而成為一個特征X射線的輻射源。外層電子向內(nèi)層躍遷，同時輻射出波長嚴格一定的特征X射線。為區(qū)別于電子擊靶時產(chǎn)生的特征輻射，稱由X射線激發(fā)產(chǎn)生的特征輻射為二次特征輻射。二次特征輻射本質(zhì)上屬于光致發(fā)光的熒光現(xiàn)象，故也稱為熒光輻射。輻射出的次級標識X射線稱為熒光X射線。材料學院61教師：孫繼兵產(chǎn)生光電效應條件入射的一次X射線光（量）子的能量必須大于或至少等于從原子中的K、L、M層擊出一個電子所做的功（需的能量）產(chǎn)生光電效應，X射線光子波長必須小于吸收限lk。分別為激發(fā)被照物質(zhì)K系熒光輻射，入射X射線須具有的頻率和波長的臨界值其中（埃）可求得其中為K系激發(fā)的最長波長，稱為K系特征輻射的激發(fā)限。一旦產(chǎn)生X射線熒光輻射，入射X射線的能量必定被大量吸收，所以lk也稱為被照物質(zhì)因產(chǎn)生熒光輻射而大量吸收入射X射線的吸收限。材料學院62教師：孫繼兵吸收限當入射X射線波長l從較大開始減小，光子能量增加，光子能量越高，越容易在吸收體中通過，故使吸收系數(shù)下降；當達到吸收限時，光子能量剛好擊出吸收體的電子，形成大量光電子及二次特征X射線，造成強烈的光電效應，使吸收系數(shù)突然上升；當進一步減小入射輻射波長，使其小于吸收限后，這時已超出吸收體電子逸出功范圍，使光電效應達到飽和，多余能量穿透過吸收體，而且隨波長減小，穿透性越大，吸收系數(shù)下降。材料學院63教師：孫繼兵2、俄歇效應原子K層電子被擊出，L層電子，例如L2電子，向K層躍遷，其能量差，可能不是以產(chǎn)生一個K系X射線光量子的形式釋放，而是被包括空位層在內(nèi)的鄰近電子或較外層電子（比如另一個L2電子）所吸收，使這個電子受激發(fā)而逸出原子成為自由電子，這就是俄歇效應，這個自由電子就稱為俄歇電子。材料學院64教師：孫繼兵俄歇電子顯微鏡俄歇電子能量低，一般只有幾百電子伏，因此，只有表面幾層原子所產(chǎn)生的俄歇電子才能逸出物質(zhì)表面被探測到，所以俄歇電子可帶來物質(zhì)表層化學成分信息。按此原理而研制的俄歇電子顯微鏡就是表面物理研究的重要工具之一。X射線穿透物質(zhì)時還有熱效應，其一部分能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋２牧蠈W院65教師：孫繼兵X射線的真吸收由于光電效應、俄歇效應、熱效應而消耗的那部分入射X射線能量稱為物質(zhì)對X射線的真吸收。材料學院66教師：孫繼兵三、X射線的衰減規(guī)律

設通過厚度為dt的無窮小薄層物質(zhì)時，X射線強度衰減量dI正比于入射線強度I和層厚dt，即：即為比例常數(shù)，與入射的波長及物質(zhì)有關(guān)，稱為該物質(zhì)對入射X射線的衰減系數(shù)，也稱為線衰減系數(shù)（線吸收系數(shù)（單位為cm-1）），負號表示強度的變化由強變?nèi)酢７e分得當t＝0時，I＝I0，故所以或稱為穿透系數(shù)或透射因數(shù)I0I1I1-dII0dtt材料學院67教師：孫繼兵線吸收系數(shù)ml表征沿穿越方向單位長度上，X射線強度衰減的程度。它不僅與X射線波長及吸收物質(zhì)有關(guān)ml表示的是單位時間內(nèi)單位體積（單位面積單位長度）物質(zhì)對X射線的吸收，所以還與物質(zhì)的物理狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)即線吸收系數(shù)ml的物理意義：X射線通過1立方厘米物質(zhì)時強度的相對衰減量。材料學院68教師：孫繼兵質(zhì)量衰減系數(shù)μm

μm隨λ的變化是不連續(xù)的，其間被尖銳的突變分開。突變對應的波長為吸收限。單位顯然，質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度無關(guān)。物理意義：表示單位重量物質(zhì)對X射線強度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)材料學院69教師：孫繼兵材料學院70教師：孫繼兵連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù)當連續(xù)X射線穿過物質(zhì)時，因波長并非單一，X射線衰減的情況也就變得復雜。為了實際計算，可以取各波長吸收系數(shù)的平均值，此值相當于1.3-1.4l0,即相當于一個稱為有效波長的波長值所對應的質(zhì)量吸收系數(shù)：（埃）材料學院71教師：孫繼兵復雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)X射線在復雜物質(zhì)中（化合物、固溶體或機械混合物）的衰減情況受構(gòu)成此物質(zhì)所有元素的共同影響，但因為物質(zhì)對X射線的吸收是通過單個原子進行的，無論X射線的散射還是吸收主要只由被照物質(zhì)原子本身的性質(zhì)決定，而與原子間的結(jié)合方式或物理堆積狀態(tài)無關(guān)，因此，復雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)等于組成物質(zhì)的各元素的吸收之和。r:物質(zhì)的密度Wj:j元素的重量百分比j元素的質(zhì)量吸收系數(shù)返回本節(jié)材料學院72教師：孫繼兵四、吸收限的應用

原則：Z靶≤Z試樣+1或Z靶?Z試樣。1、根據(jù)樣品化學成分選擇陽極靶材：紅-樣品，黑-靶材Z靶?Z試樣Z靶=Z試樣+1Z靶?Z試樣材料學院73教師：孫繼兵它的吸收限位于輻射源的Kα和Kβ之間，且盡量靠近Kα。強烈吸收Kβ，Kα吸收很??；Z靶<40時Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時Z濾片=Z靶-2；2、濾波片的選擇四、吸收限的應用（2）紅-濾玻片，黑-靶材材料學院74教師：孫繼兵濾波片的選擇－舉例返回本節(jié)材料學院75教師：孫繼兵五、X射線的折射(不要求)X射線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999~0.999999。返回本節(jié)材料