材料测试方法提纲

1材料测试方法第一章晶体基础知识一名词解释晶体晶面指数晶面间距晶胞晶带干涉面衍射指数晶体：是有明确衍射图案的固体，由质点（原子、分子或离子）在三维空间中按一定规律作格子状周期性重复排列而成，形成具有格子构造的固体。在整个晶体内部，各类质点都按照一定方式以一定距离有序排列，形成所谓“长程有序”结构。晶面指数：若离坐标原点最近的晶面在晶轴上的截距分别a/h,b/k,c/l为，则用（hkl）表示这组晶面，称为晶面指数或密勒指数。晶面间距：一组指数为（hkl）的晶面是以等间距排列的，称这个间距为晶面间距，用dhkl表示晶胞：点阵中取出的一个反映点阵对称性的代表性基本单元(通常取最小平行六面体)。晶带：在晶体中平行于同一晶向[uvw]的所有晶面(hkl)定义为一个晶带干涉面衍射指数二计算作图题：1某正交晶体的a=7.417nm,b=4.945nm,c=2.547nm,计算d110和d200。解：根据正交晶系晶面间距的公式)(1222222clbkahdhkl可得：d110=4.114nm,d200=3.709nm22请画出（231）和（234）晶面，并求出它们的晶带轴方向。解：（hkl）晶面在坐标轴上的截距分别为a/h,b/k,c/l,取a、b、c为单位值，则（231）的截距分别为-1/2,1/3和1，利用最小公倍数求其整数，变为-3，2，6。确定坐标轴方位，画出晶面(图1)。同理可画出（234）的晶面（图2）。图1图2由晶带定律，通过行列式计算并除公约数后，可求得上述两晶面晶带轴方向为：[231]×[234]=[320]3三简答题1、晶胞的选择原则是什么？晶胞的选择原则：•能同时反映空间点阵和周期性和对称性•在满足上述条件的基础上，有尽可能多的直角•在满足上述两条的基础上，晶胞体积最小2、用列表方式列出晶体的七大晶系，十四种布拉菲点阵及其相应的点阵参数立方晶系a=b=c,α=β=γ=90°简单立方Pa=b=c,α=β=γ=90°体心立方Ia=b=c,α=β=γ=90°面心立方F正（四）方晶系a=b≠c，α=β=γ=90°简单四（正）方Pa=b≠c，α=β=γ=90°体心四（正）方I六方晶系a=b≠c，α=β=90°，γ=120°六方P斜方（正交）晶系a≠b≠c，α=β=γ=90°简单斜方（正方）Pa≠b≠c，α=β=γ=90°体心斜方（正方）Ia≠b≠c，α=β=γ=90°面心斜方（正方）Fa≠b≠c，α=β=γ=90°底心斜方（正方）C菱（三）方晶系a=b=c,α=β=γ≠90°菱（三）方P单斜晶系a≠b≠cγ≠α=β=90°简单单斜Pa≠b≠cγ≠α=β=90°底心单斜C三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°三斜PX射线衍射分析1、X射线的本质？X射线的产生过程和机理各是什么？（产生、特征、本质）X射线本质：既是电磁波也是粒子，具有连续辐射和特征辐射的波谱特征X射线产生过程：在X射线管阴阳两极间施以高电压，从阴极产生的高速电子撞击阳极靶材，产生X射线产生机理：从量子理论解释，主要有两个物理过程、产生两类X射线(1)韧致辐射和连续辐射过程，产生连续X射线a韧致辐射：高速电子运动受阻，损失的动能以X射线光子形式辐射出来b连续辐射：大量电子击靶所辐射出的X射线光量子波长覆盖着一个很大的波长范围，也叫白色X射线(2)特征辐射或标识辐射过程，产生特征射线42、X射线照射固体物质时，产生的信号有哪些？据此产生了哪些分析方法？X射线与物质相互作用将产生：（1）相干和非相干散射（2）反冲电子、俄歇电子和光电子；（3）荧光X射线（次级标识X射线）；（4）透射X射线自身衰减；（5）热能。利用相干散射线的技术是X射线衍射技术（或答XRD）利用光电子的技术是X射线光电子能谱。（或答XPS）利用荧光X射线的技术是X射线荧光光谱（或答XRF）。（或答：利用俄歇电子的技术是俄歇电子能谱）（X射线与物质的相互作用形式，可分为散射和吸收两大类。照射固体物质时，产生热、透射X射线、散射X射线、电子、荧光X射线X射线散射，X射线吸收）3、试比较光量子、反冲电子、光电子和俄歇电子的区别。（1）光量子即X射线光子，具有一定的能量和波长。（2）反冲电子：非相干散射中，X射线光子与原子中受核束缚力弱的电子（如原子外层电子）发生碰撞时，电子被撞离原子并带走光子的一部分能量，成为反冲电子。（3）光电子：X射线吸收时，当入射X射线光量子能量足够大时，可以将原子内层电子击出，产生光电效应，被击出的电子称为光电子。（2）俄歇电子：入射X射线光量子将原子中K层电子击出后，产生光电效应，L层电子向K层跃迁，所释放的能量（Ek-El）被其他L层电子所吸收，L层电子受激发，逃逸出原子而成为自由电子。这样一个K层空位被两个L层空位所取代的过程，逸出的自由电子称为俄歇电子。4、X射线谱的种类有哪两种？各自的特征？两种X射线谱：连续X射线谱和特征X射线谱连续X射线谱的波长是连续变化的，它与靶材无关。特征X射线谱由若干特定波长的谱线组成，这种谱线的波长与靶材有关，与原子序数的平方近似成反比关系。连续X射线：指X射线管中发出的一部分包含各种波长的光的光谱。从管中释放的电子与阳极碰撞的时间和条件各不相同，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。5特征X射线谱：也称标识X射线谱。它是由若干特定波长而强度很大的谱线构成。这种谱线只有当管压超过一定程度（激发电压）时才能产生，而这种谱线的波长与X射线管的管电压、管电流等工作条件无关，只取决于阳极材料，不同元素制成的阳极将发出不同波长的谱线，成为特征X射线谱。在某些特定波长位置出现强度很高、宽度很窄的谱线，它们叠加在连续谱强度分布线上。改变管压或管流，谱线强度改变，但波长位置固定不变。5、什么叫K系和L系辐射？靶原子内L层电子向K层跃迁时发射何种射线，M层电子向K层跃迁时发射何种射线？K系辐射指K层电子被击出后，处于K激发态的原子，当不同外层的电子（L、M、N…层）向K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。（L、M、N等向K层跃迁，为K系辐射）L系辐射指L层电子被击出后，处于L激发态的原子，当不同外层的电子（M、N…层）向L层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为L系辐射。（M、N、O等向L层跃迁，为L系辐射）靶原子内L层电子向K层跃迁时发射Kα射线（L3跃迁到K层，为Kα1，L2跃迁到K层，为Kα2，L1不能跃迁），M层电子向K层跃迁时发射Kβ射线。6、莫塞来定律7、什么叫X射线的衍射？衍射的方向？布拉格方程的表达式？意义？作用？(1)当X射线以掠射角θ入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合布拉格方程的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线，称为X射线的衍射。（X射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量原子散射波互相干涉的结果。）决定衍射线方向的形式简单、使用方便的公式，即布拉格方程。布拉格方程的基础：晶体可以看成由平等的原子面组成，晶体衍射线是原子面的衍射叠加效应，也可视为原子面对X射线的反射6衍射方向：相邻波源所散射的X射线光程差等于X射线波长的整数倍的方向。(2)布拉格方程的表达形式：（1）普通形式：2dsinθ=nλ（2）标准形式：2dhklsinθ=λd为晶面间距，（HKL）为衍射指数，θ为入射线（或反射线）与晶面之间的夹角，称为掠射角，或布拉格角、半衍射角，n为整数，称为衍射（或反射）级数，λ为X射线波长反射级数：布拉格公式中的n为反射级数。一般地，把(hkl)晶面的n级反射，看作是n(hkl)晶面的一级反射，若(hkl)的晶面间距是d，则n(hkl)的晶面间距是d/n，于是布拉格方程可以写成如下形式2dsinθ=λ即(100)面的二级反射相当于(200)面的一级反射(3)布拉格方程阐明的问题：仅当射向相邻原子面上的入射光程差为波长λ的整数倍时，相邻晶面的反射波才能干涉加强形成衍射线，产生衍射（4）极限条件：（2个）2dsinθ=nλsinθ=nλ/(2d)≤1n≤2d/λ①当入射线的波长和衍射面选定以后，d和λ的值都定了，可能有的衍射级数n也就确定了，所以一组晶面只能在有限的几个方向上“反射”X射线。②对于一定波长λ的X射线而言，晶体中能产生衍射的晶面族数也是有限的。sinθ=nλ/(2d)≤1d≥λ/2也就是说晶面间距大于波长的二分之一的晶面才能产生衍射d(hkl)=d/n，说明面网间距为d(hkl)的面网的n级反射，看作是面网间距为d/n的一级衍射。？7（5）作用：①已知θ，λ，可测d——X射线晶体结构分析.如果X射线的波长已知，通过测量θ，可以得出d值，用来测量晶体的晶格常数，用X射线分析研究晶体结构、材料性质。②已知θ，d，可测λ——X射线光谱分析。通过测量θ，可以得到特征波长，确定元素，研究原子结构。8、已知α-Fe属立方晶系，点阵参数a=0.28644nm，用nmX射线照射α-Fe，问(400)面网组能产生几条衍射线?答：根据立方晶系晶面间距的公式222lkhadhkl得：d400=0.07161nm再由布拉格公式2dsinθ=nλ，sinθ≤1知，n≤2d/λ,n为整数代入波长λ和d400得，n≤0.625因为n为整数，故（400）面网组不能产生衍射线。9、使用波长0.15406nm的X射线进行物相定性分析，测得某一立方晶体（220）面网的d220=0.1920nm，请问（220）面网能产生几条衍射线？对应的面网和面网间距是多少？答：由布拉格公式2dsinθ=nλ，sinθ≤1知，n≤2d/λ,n为整数代入波长λ和d220得，n≤2.5所以n只能取1和2n=1时,面网为(220),d220=0.1920nmn=2时,面网为(440),d440=d220/2=0.0960nm一组面网产生的衍射线有多条，为什么对应的面网有多个?22909.0CrK8910、晶体使X射线产生衍射的充分条件是什么？何谓系统消光？系统消光规律如何？（1）晶体使X射线产生衍射的充分条件是满足布拉格方程。简单点阵没有点阵消光现象，而带心点阵，由于每个晶胞中原子数n1，使得某些晶面相邻原子面之间插入了一个排列有结点的平面，它引起散射波的相干干涉而造成消光。上述消光为点阵系统消光。（2）如果|F（HKL)|2=0，晶体衍射线强度为0，这种满足布拉格方程条件但衍射线强度为零的现象称为系统消光。1011、衍射强度的影响因素有哪些（5个）？X射线衍射线束的相对积分强度为I=F2Pφ（θ）e−2MA(θ)，由式知相对积分强度与结构因子F，重复因子P，角因子φ（θ），温度因子e−2M，及吸收因子A(θ)有关。X射线的绝对强度受到上面的影响因素外，还与入射X射线的强度、波长和衍射仪半径、晶胞体积等因素有关。结构因子（与原子种类和位置有关）12、试述Hanawalt和Fink索引的编排方式，并掌握之。哈那瓦特索引特点：每个物质条目列出八条衍射线的d值，按衍射线强度自大至小的次序排列各d值，下脚标是以最强线为10时的相对强度，最强线脚标为×，前三强线用黑体字印刷在d值数列的后面，给出物质的化学式及卡片编号按衍射线强度大小排列d值，重复三次，前三个d值一次调换顺序。芬克索引特点：某一物质的d值排列以d值大小为序，八根列入索引的衍射线中取四强线的d值用黑体字印刷。四条强线中每根线d值都要在首位排列一次，每种物质在索引中至少重复四次，改变首位线条d值时，整个数列的循环顺序不变按d值大小排列顺序为1、2、3、4、5、6、7、8，但是选出其中四个衍射线强度最大的2、3、4、5，排序为2.3.4.5.6.7.8.1；3.4.5.6.7.8.1.2.；4.5.6.7.8.1.2.3.；5.6.7.8.1.2.3.4.。13、X射线物相分析的基本原理是什么？若在晶体中混有较多的其它晶体，在进行这种混合物相的定性分析鉴定时，应注意哪些问题？优先考虑哪些衍射线。（1）X射线物相定性分析：是以晶体结构为基础，每种晶态物质由于化学组成和结构的不同，都有自己独特的衍射花样。通过比较晶体衍射花样来进