长。
9
X射线与物质的相互作用
(1)X射线的吸收:X射线通过物体时其强度逐渐衰减,一部分 射线被物体吸收。
-dI /I =μdx μ：线吸收系数
μ：X射线传播方向上单位长度内X射线强度衰减程度
μm ：质量吸收系数——单位重量物质对X的吸收；
μm =μ/ρ （cm2 /ρ）
积分得：
x
即光子，以光子形式辐射时具有质量、能量和动量 X射线的强度I，单位为：J/m2.s
a、用波动性描述为：单位时间内通过垂直于传播 方向的单位截面上的能量大小；I∝A2。
b、用粒子性描述为：单位时间内通过垂直于传播 方向的单位截面上的光子的能量。I=nε
6
X射线的产生：带电粒子在加速运动过程 中，就会产生X射线。
的 位
点线面
标
数
向
缺缺缺
的
的
关
陷陷陷
关
确
系
系
定
4
主要内容
一、X射线衍射分析（３-4次课） 二、原子力显微分析（１次课） 三、扫描电镜分析（１次课） 四、透射电镜分析（2次课）
5
一、 X射线衍射分析
X射线的本质：波长极短的电磁波,λ=0.1nm左右。 X射线的波动性：以一定的波长和频率在空间传播。 X射线的粒子性：X是由大量不连续的粒子流构成，
材料结构表征技术
叶金文 材料科学与工程学院
2012年9月
1
property
composition
design
preparation/ processing
structure
performance
2
结构及表征技术
单晶结构
原子及分 子结构
多晶材料组织结构
物相及结构
固溶结构
结构取向 应力
物
物 间 置 沉 取织
Ix I0e

I emx 0
112
μm 是原子序数Z和波长λ的函数、其关系为：μm =Kλ3Z3 混合物的质量吸收系数μm 为：μm =w1μm1 +w2 μm 2+ ·······
可见：组成物体的诸化学元素的原子序数越大，吸 收越强，X射线波长越长吸收越大。
10
电离作用与光电效应 当X射线通过气体时可以引起电离，入射到光
衍射线的位置 衍射线强度
(111) Ti
衍射几何理论 衍射强度理论
晶体结构
晶胞的形状和大小(200)
Ti, C , N
原子的种类、
数量、和位置
X射线物相分析的应用
材料科学、材料工程、机器制造、地质矿产、环保、 食品工业、医药等部门及其行业，进行物质的结构及其相 关问题的研究，如物质的相组成及相变，同素异构体的区 别等。
I（hkl）=kL(θ)P(θ)A(θ)T(θ) ︱F（hkl）︳2 其中极化因子P(θ)、积分因子L(θ)、温度因
子T(θ)、吸收因子A（θ）为影响实际晶体衍射强 度的几何与物理的因素。
15
应用衍射法测得的强度I（hkl）精确值，通
过晶体结构分析软件的运算（衍射强度的统一 ，还原）可消除k、L、P、A、T的影响而得到 振幅(︱F（hkl）︳)，并以此作为晶体结构的 起始数据。
其产生的条件为： 1）产生自由电子； 2）使电子作定向高速运动； 3）在电子运动的路径上设置使其突然减 速的障碍物。
7
X射线管
1) 阴极：W丝制成，发射热电子。
2）阳极：常用靶材有Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W 。
3）窗口：金属铍制成，保持高真空，对X吸收小。
4)聚焦罩
原子散射X射线的能力和原子中所含电子数目成正比，即 原子序数大的原子散射能力强。
散射波之间的将出现干涉现象，称为相干散射，其结果 就是在不同方向上出现不同强度的散射线，也就是“衍 射现象”，X射线在晶体结构分析中应用就是晶体对X射 线的衍射效应。
12
布拉格方程
相干衍射的条件：波程差为波长的整数倍
18
定性分析的原理和思路
13
如果把具有晶体点阵结构的晶体看作是一些原子平 面族，是一组相互平行，间距相等的晶面网，并以 （hkl）表示晶面方向，相邻间距记为d（ hkl ），来自 相邻原子面衍射波相干的条件是波程差为波长的整 数倍（HKL）为衍射指标， （HKL）=（nhnknl）， 它表示的是由同一晶面产生的不同级的反射。
相
相 隙 换 淀 向构
的
的 固固 结
组
形 溶溶 构
成 及
貌 及
体体 组织
宏微介
含
分
形状
观观观
量
布
无 序
有 序
分布
位向
应应应 力力力Leabharlann 3单晶材料单晶结构
阵布 类拉 型非
点
状晶 和胞 大的 小形
原子类型及在 晶胞中的位置
X－四圆衍射仪
单晶取向
晶体缺陷
晶
孪
晶
体
生
体
学
面
与
与
贯
晶
晶晶晶
外
析
体
体体体
观 座
面 指
布拉格方程给出了晶体（d），x射线（）与衍射角 （θ）之间的定量关系。每种晶体结构都为唯一的 衍射谱线，可以利用这一关系来进行样品的鉴定。
14
晶体衍射强度与衍射空间的对称性
由大量晶胞组成的整个晶体，其特征强度(I（hkl）) 应正比于来自晶体全部晶胞中总散射波的振幅 (︱F（hkl）︳)的平方，故实际晶体衍射强度：
5）焦点1×10mm
6)表观焦点——点焦点，线焦点。
Ｘ射线管
Ｘ射线产生原理
8
Ｘ射线学
Ｘ射线透视学 Ｘ射线晶体学
Ｘ射线光谱学
利用Ｘ对人体、 利用已知波长的X
工件等的穿透 在晶体中的衍射，
能力来探测人 对晶体结构以及与
体的病变及工 结构有关的各种问
件的缺陷。
题进行研究。
利用X在已知 结构晶体中的 衍射现象来测 定X射线的波
电材料上时可以产生光电效应。用于记录X射线的 各种仪器。
感光作用 X射线射到感光材料或乳胶片上,可以使底片感
光,用于X射线照相。 荧光效应
当X射线投射到诸如硫化锌一类物质上，可以 产生荧光。用于显示X射线的径迹。
11
散射
X射线通过晶体时，按照经典电磁场理论，电磁波的周期 性扰动迫使组成晶体的原子中的电子产生受激振动---吸 收入射射线并向各个方向散发出次级X射线。以一定方向 入射到晶体上的X射线，一部分改变原来的方向向四面八 方发散而出---X射线的散射。
16
衍射方向
1、立方晶系：
sin
2

2
4a2
(h2

k2
l2)2
19
2、四方晶系：
sin 2

2
4
(
H
2 a2
K
2

L2 c2
)2 20
3、六方晶系：
sin
2

2
4
(4 3

H2

HK a2

K2

L2 c2
)
17
X射线物相分析
材料的性能与组织结构的关系
衍射花样