第三章-粒子(束)与材料的相互作用(第二轮)

HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis1第三章粒子（束）与材料的相互作用第一节电子束与材料的相互作用第二节离子束与材料的相互作用HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis22第一节电子束与材料的相互作用一、散射二、电子与固体作用产生的信号三、电子激发产生的其它现象HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis33入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用包括：（1）入射电子的散射；（2）入射电子对固体的激发；（3）受激发粒子在固体中的传播。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis44一、散射•当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这种现象称为（电子）散射。•有散射弹性和非弹性散射之分。•原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。对比：物质对X射线的散射HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis55瞄准距离散射角核电荷数或原子序数注意：电子经过原子核和电子时偏转方向不同!入射方向与散射方向之间的夹角电子入射方向与原子核或电子之间的距离电子衍射及成像的基础电子散射示意图与原子核作用与核外电子作用HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis661.原子核对入射电子的散射•有弹性散射和非弹性散射。•散射损失的能量•散射角（2）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。•非弹性散射损失的能量E转化为X射线，它们之间的关系是式中，h是普朗克常数，c是光速，及分别是X射线的频率与波长。此X射为连续X射线，没有特征性。电子的初始能量散射基元(原子核)的质量数(质子数与中子数之和)半散射角cEhhHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis7•当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生显著变化，这种过程称为非弹性散射。•在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量传递给原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis882.核外电子对入射电子的散射•原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射。•在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质产生各种激发现象，如原子电离、自由载流子、二次电子、俄歇电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、电子感生电导等。•因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis993.散射截面•入射电子被原子核散射时，散射角2的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）rn、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关，其关系为（3-2）rn2叫做弹性散射截面，用n表示。•当入射电子与核外电子作用时，散射角2为（3-3）re2为核外电子的非弹性散射截面，用e表示。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis1010•弹性散射截面为n•非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Ze，则n/Ze=Z•因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。对一个原子序数为Z的孤立原子HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis11•由于库伦相互作用，入射电子在固体中的散射比X射线强得多，同样固体对电子的“吸收”比X射线吸收快得多。随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体吸收（束缚）。4.电子吸收HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis1212•电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。•不同于X射线的“真吸收”。•电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。入射电子在固体中传播时的能量损失曲线（E0=1keV、3keV、5keV和8keV）（1）入射电子的能量越大，穿入深度越大。（2）电子损失的能量开始迅速增加，然后迅速减小，直至损失殆尽。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis1313二、电子与固体作用产生的信号1.电子与固体作用产生的信号2.电子非弹性散射平均自由程和信息深度3.电子能谱HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis1414入射电子与原子相互作用产生的各种信息O入射电子●原子中的核外电子或二次电子HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis15•弹性散射和非弹性散射同时发生。前者使电子偏离原来方向引起电子在固体中扩散；后者使电子的能量逐渐减小，直至被固体吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围称为电子与固体的作用区。•电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和辐射正是来自这个作用区。HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis16161.电子与固体作用产生的信号入射电子束与固体作用产生的发射现象背散射电子流IR，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。二次电子流IS，它包括（真）二次电子和特征二次电子（俄歇电子）样品吸收电流IA电子激发诱导的X射线辐射强度IX①连续的X射线②特征X射线③X射线荧光（二次特征X射线）表面元素发射的总强度IE透射电子流IT入射电子流I0哪些是入射电子？哪些是入射电子激发的信号？HuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentHuaihuaUniversityChemistryandchemicalegineeringDepartmentMaterialmodernanalysismethod2020/8/282014-029InstrumentalAnalysis17•IR为背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。被散射电子主要由两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子。•背散射电子的最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半。HuaihuaUni