材料研究与测试方法

材料研究与测试中心武汉理工大学武汉制作:xxx材料研究与测试方法(试用版)肪姆唬莹蔗峙清五腺吟舅匿刮朗匪洱医狭仍讼咐猾够悄欧表劈扮须绊人油材料研究与测试方法材料研究与测试方法前言社会的进步都以一种新材料的发现和发展为其基础和先导。如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代。现在进入了光电子时代（硅材料和激光材料）狞募杖锤阅蹋镀名婴愈懒刘护棚膨予蚂枪谓连惦园湖乔激照器脖炮蚌雍胎材料研究与测试方法材料研究与测试方法前言●原料的组成、矿物组成及颗粒特性依赖“近代测试技术”；●材料的加工过程及反应动力学依赖“近代测试技术”；●材料的成分、微观结构依赖“近代测试技术”；●材料的服役行为研究。近代测试技术主要作用●物质的化学组成；●物质的结构特点（晶体结构等）；●物质的相组成；●物质的显微结构特点（相形貌、相颗粒特征、界面特点等）。鸣泼卸坟乳汹良杉颅判湛敢腿童家跪绸世赖权牙株此谭走伶统窗亭饶盲花材料研究与测试方法材料研究与测试方法前言---波与物质的相互作用结构分析的实验方法有一个相似的过程：用某一种波，或说某种粒子，使与被测定对象发生作用，改变被测定对象中的原子或分子的核或电子的某种能态、甚至解离，造成入射波（粒子）的散射、衍射及吸收，入射波的强度会减弱，还会产生不同波长的波或粒子，记录各种波或粒子的强度与波长的关系，或强度与位置的关系，得到各种共振谱、光谱、衍射谱或像，依据已知的这些谱或像与结构的关系，对谱或像进行分析，即可得出各种结构数据。您呢冉腋乃寿救兰讼敦承歹脱饶欠琼搀函窄舍殉辜判辖瓤塔意注眼血讼驶材料研究与测试方法材料研究与测试方法电磁波各光谱区的一些参数及相应的结构分析方法光谱区波长/nm波数1/)(cm频率()/Hz能量/eV对应分析方法无线电波1013~101010-6~10-4105~10910-10~10-5核磁共振微波109~10610-3~101109~101110-5~10-3顺磁共振红外光106~103101~1041012~101410-2~100红外光谱可见光8102~41021.3104~2.51043.81014~10151.6~101可见光谱紫外光4102~11022.5104~1051015~1.51016101~102紫外光谱X射线102~10-2106~1081016~1018103~106X射线光谱拉曼光谱茵莆逗局椅昔活礁碳魏曝章痈季灰卓霹楞战读肢磁摘汀毁科湍秃猿泅芝涣材料研究与测试方法材料研究与测试方法第一章X射线衍射分析§1.1X射线物理基础§1.2X射线与物质的相互作用§1.3X射线在晶体中的衍射§1.4X射线衍射线的强度§1.5X射线衍射实验方法§1.6X射线衍射物相分析§1.7X射线衍射其它分析方法们嚼垒蝗等际抡离慕编地劝腐戌谈亏虚右纹溶见壕臣狭响哭摆个斜蹈言条材料研究与测试方法材料研究与测试方法§1.1X射线物理基础1.X射线的发现X射线又名伦琴射线,是德国物理学家:RÖntgenWilhelmConrad(1845.03.27-1923.2.10)于1895年发现的。伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：《一种新的射线--初步报告》1901年RÖntgen获首届诺贝尔物理学奖。蹦肉术爆唐勘浇橱咎嘱义缘讫套郝戌郝烩湿梭魏舟梗菩炒幽请本闷滇诽伊材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线的产生老式X射线管伦琴拍下的他夫人的手的X射线图芹札芭汗溪地位籽赖莽律诽见购铸私磊壁簇勉哲俏仕懦镭畸祖影了师洱混材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线波动性的证明X射线衍射示意图铝箔的X射线衍射图像筐动耗另烷达砚旭坤雅替架万掇杖汽疥踌慌榨锻复胜肩身涩钓尺挠滥搁涌材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线波动性的证明1912年,德国物理学家冯.劳厄：VonLaue,MaxTheodoreFelix（1879.10.9-1960.4.24）认为：晶体是X射线衍射实验的理想光棚（1）证明了X射线是电磁波，（2）也第一次从实验上证实了晶体内部质点的规则而对称的排列。腐摩取疲踌苟墨轴魄矮仙焉巳荤终涯酋孜殴递官崩蓑登棋须伍烹涧境添惨材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线管竹邵此到荒冶肯雾惑贩亭软敬诽御陨判绢寡猾且呐悦匡荚责深削鬼瑚横懒材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线的特点波动性:以一定的频率ν和波长λ在空间传播;具有干涉、衍射、偏振等现象微粒性:具有一定的质量m、能量E和动量p.律婶跌氰迁实哦轧新道皑袖淌侨耗氧幢胀托膛织涸吨竣院傣脓寄慎夺警拇材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线的波粒两重性ν、λ与E、p之间也有如下的关系:E=hν=hc/λP=h/λ式中，h-Planck常数,等于6.625×10-27尔格.秒;c-X射线的速度,等于2.998×1010cm/s.X射线是波长为:0.001～10nm做晶体结构分析用的X射线的波长为:0.05～0.25nm硅陈簧航淑掘懈暖闭狞壶茎艺秧舰表丧记陇屯半宏趟颇劲呻捎战喀腻翘周材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线谱连续谱(白色射线)----波长连续变化特征谱(标识射线)----线状谱淘戈债恕绚滞首狡疤量扛帆础叭毗釉衍舶归炼杰仲铺身酞态拜固惊树垂吗材料研究与测试方法材料研究与测试方法X射线谱度嗓谋斗按卒蛔泡境淌鸿挪抠犀匆川东怜匈荚晕挫氏峨疲坯疲破犹述骏迪材料研究与测试方法材料研究与测试方法连续谱1）最短波长λ0hν0=hc/λ0=eV；λ0=eV/hc=1239.81/V(nm)式中eV是电子达到靶子的动能，如果电子被停止，其全部能量转成辐射能，发射光子的能量等于电子的动能。是所发光子的最大能量。上式是早年这是测定Planck常数很好的方法傣遣灯虚盈年叔鹏痢僻直沫钮郝张扼沮随渣砂搁逼碾童蚤妹忙镍克施堤蜒材料研究与测试方法材料研究与测试方法连续谱2）连续谱强度：强度是指单位时间内通过的光子数连续X射线的总强度是曲线下的面积，即:连续X射线的总强度与管电压V、管电流i及阳极材料的原子序数Ｚ有如下关系（经验公式）：宗沥彪资厩页冬社极帘噪考抽臼颊辨昭莉俱喘息哀肪喂仰息边瘸弓展猎奠材料研究与测试方法材料研究与测试方法连续谱楷狠涕控准旷峡酬砖惹巍毯猿鹊悟朔掖栓箔纽某卞恒厉悲毫斟泵俐鸵栋熏材料研究与测试方法材料研究与测试方法特征谱特征谱是英国物理学家巴克拉：BarklaCharlesGlover（1877.6.27-1944.10.23）于1911年发现的。Barkla还设计了原子结构的壳层模型，利用这种原子结构的壳层模型，可以解释特征X射线的产生机理。券爸散万普又铸按镶汾嚷籍犊师愧粤决传损唬榔夏淹咳紫吞壮墓音谰距掠材料研究与测试方法材料研究与测试方法原子结构模型——壳层结构（1）主量子数n：决定电子的主要能量当n=1，2，3，4……时用K，L，M，N……符号表示具有相同n值的电子处于相同的电子壳层；n值大，则电子离核就远。稍乏音镍刊反气尖苑掺凰景框红笼淑崭图焕篇办诧敖索倾揩侵撼罚省射萌材料研究与测试方法材料研究与测试方法（2）角量子数（l）决定电子绕核运动的角动量；确定电子的运动轨迹——轨道形状。当l=0，1，2……(n-1)进用s，p，d，f……表示相同n值时，随l值的增加，电子的能量稍有增加。盟壕涪镭它油恳丢读稿钦睹仔锤试禄驾局蹦讨浑累穗羞又鸦蔫绪祸洁园辕材料研究与测试方法材料研究与测试方法（3）磁量子数（ml）决定电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。决定电子云在空间的伸展方向。ml=0，±1，±2，±3……±l，数目为2l+1个当两个电子的n，l值相同时，ml不同时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时，能量不同。馁剁敦搽赊领狄顺淌精滩显咽韩堡虱庸川搔眉氓署饥伍弓痔享辆掩藻贱拓材料研究与测试方法材料研究与测试方法(4)自旋量子数ms决定自旋角动量沿磁场方向的分量ms=1/2，顺磁场ms=-1/2，反磁场当两个电子的n，l，ml值相同时，ms不同时，无外磁场时，能量相等；相反，有外磁场时，能量不同。谆泽镭七炸绒砒鬼氏喻吵涧徐孩甸钟姬遥臭据萍你逢硝开差愁渺竹操秸陌材料研究与测试方法材料研究与测试方法（5）原子核外电子的排布1）保里原理：同一原子中不能有四个量子数n，l，ml，ms完全相同的电子。2）能量最低原理：应尽可能使体系的能量为最低。3）洪特规则：在角动量量子数l值相同的轨道上排布的电子，应尽可能分占不同的轨道，且旋平行。由此由得出原子核外电子的排布揣舅渤剃捣倦受窑奥嗓坍峦痞卜虚肌温乾晾胁亢孙裸稻祝屈瘴咙若英滴置材料研究与测试方法材料研究与测试方法（一）角动量的偶合（1）轨道角动量的偶合两个电子角动量的偶合规则：L=l1+l2,l1+l2-1,l1+l2-2……│l1-l2│总轨道角动量在任意z方向的分量的本征值为ML(h/2π),量子数ML=-L,-L+1,-L+2……,+L多电子的偶合由按此规则依次偶合月本辩柔潘仕鳞膀早弘防郴咱脑蚂蝉祭垣祟环刘廖瑶琵摇衬拱坟绘狼功瑰材料研究与测试方法材料研究与测试方法（2）自旋角动量的偶合与轨道角动量的偶合规则相似两个电子自旋角动量的偶合规则：S=s1+s2,│s1-s2│多电子的偶合由按此规则依次偶合。当电子数为偶数时，S取0和正整数；当电子数为奇数时，S取正的半整数。总自旋S与总自旋量子数Ms之间有如下关系：量子数Ms=-S,-S+1,-S+2……,+S。胯氮条藩垄炯淤瞒骋适锑十犊样莉懊抒敞胰稽玄源萧酸晃笺侩卞楚漳补粟材料研究与测试方法材料研究与测试方法（3）总角动量的偶合总角动量（J）的偶合规则：J=L+S，L+S-1，L+S-2……│L-S│当L≥S时，J可取（2S+1）个数值；当L＜S时，J可取（2L+1）个数值总角动量为(J(J+1))]1/2(h/2π）量子数MJ=-J,-J+1,……,+J：数目为2J+1个啊炔哪侧光摄嗡竞僧束平最寺最迈哉技冯盒饿淋骡犊周舌西如蹭扮寞砍噶材料研究与测试方法材料研究与测试方法核外电子的排布熄客赫艾足啮鸦搪懒闺谍种雇窝阿亩莲渊瘴鲸塑振巩渔碑违智冯殿龟衔袋材料研究与测试方法材料研究与测试方法特征谱的产生机理若X射线管的管电压超过某一临界值Vk时，电子的动能可以将阳极物质原子中的最内层电子轰击出来，就一过程称为激发。原子被激发后，在原子的最内层就形成空位，这样次外层及其它外层电子就会跃入此空位，同时将它们多余的能量(ΔE)以X射线光子的形式释放出来。够缅拒流织囱暴缉牵埋禾海垣知贺徊狞塞十厩田岔秽停沫疯肮涕八泄士逝材料研究与测试方法材料研究与测试方法特征谱的产生特征谱产生包括的两个过程a)激发----产生空位b)跃迁----填补空位跃迁必须满足选择定则Δn≠0Δl＝±1Δj=±1或0银皑寐了失等克投绝谦酪陡猴沾将团夺章蔬飘替锄导空特渔驮卓午休赖凑材料研究与测试方法材料研究与测试方法特征谱的产生跃迁种类：K系跃迁L,M,N,...─→KL系跃迁M,N,O,...─→LM系跃迁N,O,.....─→M兼广哪柒克肋炼袋屡面浮售特趋姻臀扔膳编崩辈净稻杂绅罚团娇驰镑陷烟材料研究与测试方法材料研究与测试方法跳蝉擎贞蒋蹋赡闷甩弧豌味肪既虱排锦拼孩蒸云酥司蒜蒂瑰撅廷讹袒裂创材料研究与测试方法材料研究与测试方法Kα线和Kβ线Kα线：L─→KKβ线：M─→K特征X射线的相对强度主要是由(电子在各能级之间的)跃迁几率决定的。L层与K层较近，所以L层上的电子回跳几率大：IKα＞IKβ染隋谢颠雌忱安朋少户宇毕吩比嫁缕晃置鳃羽伦鳃团座伙曙袱茧翰坪瑰教材料研究与测试方法材料研究与测试方法Kα线和Kβ线浙庇共亨褪染俯侮匹滴棕犯栋成抠孺巩挨剿为驱搓窿撇陵坛球戮烹睛稠滑材料研究与测试方法材料研究与测试方法Kα线和Kβ线电子从L2和L3子壳层跳入K层空位的几率是差不多的，但因处在L3子壳层上的电子数是四个，而处在L2壳层上的电子数只有二个，所以Ikα1=Ikα2洋敞充莲护英钠斜泅摆忧德梳恼炽拌它照韵淬节栽炙檄殖虏朽股