第一章绪论材料研究的四大要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使用性能、材料的合成与加工。

材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。

材料结构表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：除了传统的化学分析技术外，还包括质谱（MC）、紫外（UV）、可见光、红外（IR）光谱分析、气、液相色谱、核磁共振、电子自旋共振、二次离子色谱、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电子谱、电子探针等。

如质谱已经是鉴定未知有机化合物的基本手段；IR在高分子材料的表征上有着特殊重要地位；X射线光电子能谱（XPS）是用单色的X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。

2、结构测定：主要以衍射方法为主。

衍射方法主要有X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱等，应用最多最普遍的是X射线衍射。

在材料结构测定方法中，值得一提的是热分析技术。

3、形貌观察：光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜。

第二章X射线衍射分析1、X射线的本质是电磁辐射，具有波粒二像性。

X射线的波长范围：0.01~100 Å 或者10-8-10-12 m 1 Å=10-10m（1）波动性（在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性）；（2）粒子性（特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量）。

2、X射线的特征：①X射线对物质有很强的穿透能力，可用于无损检测等。

②X射线的波长正好与物质微观结构中的原子、离子间的距离相当，使它能被晶体衍射。

晶体衍射波的方向与强度与晶体结构有关，这是X射线衍射分析的基础。

③X射线光子的能量与原子内层电子的激发能量相当，这使物质的X射线发射谱与吸收谱在物质的成分分析中有重要的应用。

一、X射线的产生1.产生原理高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。

2.产生条件（1）产生自由电子；（2）使电子作定向的高速运动；（3）在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。

3.X射线管的结构封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。

基本组成包括：①阴极：阴极是发射电子的地方。

②阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。

③窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。

④焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。

二、X射线谱由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线；(2)标识X射线。

1、连续X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。

（1）产生机理能量为eV 的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv 的光子，这样的光子流即为X 射线。

单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，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。

（2）短波限连续X 射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0.它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X 射线。

它只与管电压有关，不受其它因素的影响。

相互关系为：max 0hceV h νλ==式中e —电子电荷，等于1.602×10-19C ；V —电子通过两极时的电压降；h —普朗克常数，等于6.625×10-34j.s 随着管电压的增加，每条曲线都有一强度最大值和一个波长极限值（此波长极限值称短波限，用λ0表示，管电压越大，λ0越小。

短波限只与管电压有关，与阳极靶材料无关 （3）X 射线的强度X 射线的强度是指行垂直X 射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。

常用的单位是J/cm 2.s.X 射线的强度I 是由光子能量hv 和它的数目n 两个因素决定的,即I=nhv.连续X 射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。

连续X 射线谱中每条曲线下的面积表示连续X 射线的总强度。

也是阳极靶发射出的X 射线的总能量。

实验证明，I 与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：1m I K iZV =连且X 射线管的效率为:211=X ==K ZV X K iZV iVη=射线功率射线管效率电子流功率2、标识X 射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X 射线。

这些谱线不随X 射线光管的工作条件而变，只决定于阳极物质。

（1）标识X 射线的特征当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。

如钼靶K 系标识X 射线有两个强度高峰为K α和K β，波长分别为0.71A 和0.63A. （2）产生机理标识X 射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。

原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。

在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。

较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X 射线谱。

（3）K 系激发机理K 层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K 激发态，高能级电子向K 层空位填充时产生K 系辐射。

L 层电子填充空位时，产生K α辐射；M 层电子填充空位时产生K β辐射。

由能级可知K β辐射的光子能量大于K α的能量，但K 层与L 层为相邻能级，故L 层电子填充几率大，所以K α的强度约为K β的5倍。

产生K 系激发要阴极电子的能量eVk 至少等于击出一个K 层电子所作的功Wk 。

Vk 就是激发电压。

（4）莫塞莱定律标识X 射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。

且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X 射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：()C Z σ-三、X 射线与物质相互作用X 射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。

就其能量转换而言，一束X 射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。

1、X 射线的散射X 射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射、非相干散射。

（1）相干散射物质中的电子在X 射线电场的作用下，产生强迫振动。

这样每个电子在各方向产生与入射X 射线同频率的电磁波。

新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。

（2）非相干散射X 射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X 射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。

非相干散射是康普顿（pton ）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。

非相干散射突出地表现出X 射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。

它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。

2、X 射线的吸收物质对X 射线的吸收指的是X 射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X 射线发生了能量损耗。

物质对X 射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。

这个过程中发生X 射线的光电效应和俄歇效应。

（1）光电效应以X 光子激发原子所发生的激发和辐射过程。

被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X 射线称为荧光X 射线。

产生光电效应，X 射线光子波长必须小于吸收限λk 。

（2）俄歇效应原子在入射X 射线光子或电子的作用下失掉K 层电子，处于K 激发态；当L 层电子填充空位时，放出EK-EL 能量，产生两种效应：①荧光X 射线；②产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子——俄歇电子。

3、X 射线的衰减规律当一束X 射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。

衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。

()H H H x xx dx x x m e I e I I dx I dI I I I ρμρρμμ--+==-==-0/0μL 为线吸收系数（cm -1），与入射X 射线束的波长及被照射物质的元素组成和状态有关。

μm 为质量衰减系数，表示单位重量物质对X 射线强度的衰减程度。

等于散射系数和吸收系数的和。

质量衰减系数与波长和原子序数Z 存在如下近似关系：33m K Z μλ≈，K 为常数。

这表明，当吸收物质一定时，X 射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，X 射线越容易被吸收。

μm 随λ的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。

其中一些突变对应于相应的波长称吸收限， 与K 层电子对应的吸收称为K 吸收限λk 。

4、吸收限的应用吸收限主要是由光电效应引起的：当X 射线的波长等于或小于λk 时光子的能量E 到击出一个K 层电子的功W ，X 射线被吸收，激发光电效应。

使μm 突变性增大。

吸收限与原子能级的精细结构对应。

如L 系有三个副层，有三个吸收限。

滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的K α和K β之间，且尽量靠近K α。

强烈吸收K β，K α吸收很小；(2)滤波片的以将K α强度降低一半最佳。

Z 靶<40时 Z 滤片=Z 靶-1；Z 靶>40时 Z 滤片=Z 靶-2。

利用这一原理，可以合理地选用滤波材料。

例如为使K α和K β两条特征谱线中去掉一条，可以选择一种合适的材料制成薄片，置于入射线束的光路中，滤片将强烈地吸收其中的某个特征谱峰，而对另外一条则很少吸收，这样就可以实现单色的特征辐射。

阳极靶的选择:在X 射线衍射实验中，阳极靶的荧光X 射线是一种不利因素，为此（1）阳极靶K 波长稍大于试样的K 吸收限；（2）试样对X 射线的吸收最小。

Z 靶≤Z 试样+1。

例如在研究纯铁时，最好选用钴钯或铁钯，而不能用镍钯，更不能用铜钯，因为铁的λk ＝0.17429nm ，钴钯的Ka 波长＝0.17902nm, 因此钴钯不能激发铁的K 系荧光辐射，同样铁钯也不能激发自身的荧光辐射。

四、晶体学基本知识衍射线的分布规律由晶胞的大小、形状和位向决定；而强度则由原子在晶胞中的位置、数量和种类决定。

晶格：这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，称为晶格。

其示意图如右图所示。

晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。

【晶胞知识要点】①晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度a,b,c 不一定相等，也不一定垂直。

②划分晶胞要遵循2个原则：一是尽可能反映 晶体内结构的对称性；二是尽可能小。

③整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间并置堆砌而成的。

晶格常数：在结晶学中规定用晶格常数来表示晶胞的形状和大小。