材料分析常铁军考试复习重点Word文档格式.docx

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②特征X射线谱：

具有一定波长的若干特强的X射线叠加在强度连续光滑变化的连续X射线谱上。

K系激发：

K层电子被激出的过程；

K系辐射：

外层电子跃迁到K层上所辐射出的特征X射线。

K、K谱线：

电子由LK，MK所引起的K系辐射

产生：

①按量子理论原子是由原子核及绕核运动的电子组成的，电子分布在不同能级的壳层（轨道）上，即，K、L、M、N、O、P等层，能量逐渐增高。

两相邻层间的能量差依K、L、M、N……的次序减小。

当具有足够能量的电子（大于或等于壳层电子的结合能）轰击阳极靶时，会将阳极靶物质中原子K层电子撞出，在K壳层中形成空位，使原子电离而处于激发态，按能量最低原理，L、M、N…层中的电子会跃入K层空位，为保持体系能量的平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多余的能量以X射线光子的形式辐射出来，结果得到具有固定能量、固定频率或固定波长的X射线。

对于从L、M、N…壳层中的电子跃入K壳层空位时所释放出的X射线分别称为K，K…谱线，共同构成K系特征X射线。

K波长强度大于K

特征X射线产生存在一个临界激发电压；

WK：

K层电子的逸出功；

VK：

阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压

2.散射波

定义：

当入射X射线的光子与原子的内层电子相遇，电子在入射X射线电场作用下，产生强迫振动，每个受迫振动的电子成为新的电磁波源向空间各个方向辐射与入射波同频率的电磁波。

3.相干散射（Thomson散射）

散射波的波长与频率与入射波相同，新的散射波之间可以发生干涉作用。

特征：

相干散射不损失X射线的能量，但改变了传播方向。

4.非相干散射（Compton散射,吴有训散射）

X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时，光子离开原来的方向，且能量减小，波长增加

电子获得一部分动能成为反冲电子。

散射波之间无明确的相位关系,不能采用叠加原理,只提供衍射图形背底。

5.X射线的衰减

X射线穿透厚度为X的物质时的射线强度

比例系数l：

线吸收系数，质量吸收系数m=l/[cm2/g]；

：

物质密度；

m物理意义：

单位重量物质对X射线的衰减量。

K：

常数；

Z：

原子序数。

6.X射线的吸收

X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量---光电效应、俄歇效应。

原因：

吸收主要由原子内部的电子跃迁引起。

7.光电效应

当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到物质的原子时，也可以击出原子内层（如K层）的电子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生特征X射线。

这种以X射线光子激发物质原子所发生的激发和辐射的过程称为光电效应。

被击出的电子被称为X射线光电子，所辐射的特征X射线称为次级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。

产生条件：

产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk。

当X光子激发K系（电子）产生光电效应时，光子的能量必须大于击出一个K层电子所做的功（临界值）。

从激发光电效应角度讲，称lK为激发限波长，即只有波长小于λk的X光子才能激发K系产生X光电效应而使X射线的能量被吸收。

8.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EL-EK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。

俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。

故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。

9.吸收限的应用

选择滤波片：

当Z靶<

40，Z片=Z靶-1；

当Z靶³

40，Z片=Z靶-2。

选择阳极靶：

Z靶Z试样+1

第二章晶体学基本理论

1.晶体

原子或原子团在三维空间呈规则的周期性排列所构成的固体。

2.空间点阵

用于描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称点阵或晶格

用许多平行的直线将各结点连接起来，构成一个三维的空间格架，每个结点的周围环境都相同。

构成要素：

①结点（阵点）：

将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子或原子团）忽略而抽象成为纯粹的几何点；

②行列：

结点在直线上的排列，相当于晶体上的晶棱或晶向；

③面网：

结点在平面上的排列，相当于晶体的镜面；

④单位点阵：

空间点阵的最小重复单元，相当于晶体结构中的单位晶胞⑤点阵参数或晶体常数

单位晶胞：

从晶格（点阵）中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元

晶胞参数：

晶胞大小和形状用晶胞的棱边长a、b、c及夹角α,βandγ表示。

点阵常数：

a，b，c；

棱边夹角：

，，；

点阵矢量：

3.晶系

布拉菲点阵：

按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，布拉菲（BravaisA）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种空间点阵称----布拉菲点阵。

空间点阵分为：

14种类型分属七大晶系

根据阵胞中阵点位置的不同，将14种布拉菲点阵分成4类：

简单点阵（P）：

每个阵胞中只有一个阵点（结点），阵胞顶点的坐标000

底心点阵（C）：

除8个顶点上有阵点外，两个相对面上还有阵点，阵点坐标000，

体心点阵（I）：

除8个顶点上有阵点外，体心上还有一个阵点，阵点坐标000，

面心点阵（F）：

除8个顶点上有阵点外，每个面心上还有一个阵点，阵点坐标000，

0，

，

晶体结构和空间点阵的区别：

①空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型；

②晶体结构是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，实际存在的晶体结构是无限的。

4.常见的晶体结构

最常见的金属晶体结构有三种：

体心立方结构;

属于体心立方点阵,例如：

铬、钾、钨、钼、铌、α-铁等

面心立方结构：

属于面心立方点阵，例如：

银、铝、铜、金、镍、γ-铁等

密排六方结构：

由两个简单六方点阵相互穿插而成，例如：

镉、镁、锌等

5.晶面与晶向

晶面：

由一系列原子组成的平面，可以用晶面指数表示（hkl）

晶向：

晶体中任意两个原子连线所指的方向，用晶向指数表示[uvw]。

晶面符号：

描述晶面或一族互相平行面网在空间位置的符号（hkl）。

也称密勒符号。

晶面指数：

整数hkl，亦称为密勒指数。

晶格中各格点连线所代表的方向为晶向，晶体中原子在任何方向所组成的直线。

晶面:

通过各格点的平面代表了晶体中的基元平面称为晶面。

晶体中原子在任何方位所组成的平面。

晶面指数:

表示晶面在晶体中方位的符号。

晶向指数：

表示晶向在晶体中方向的符号。

晶面指数的确定方法：

①在一组互相平行的晶面中任选一个晶面，量出它在三个坐标轴上的截距并用点阵周期a、b、c为单位来度量；

②写出三个截距的倒数；

③将三个倒数分别乘以分母的最小公倍数，把它们化为简单整数即为该组平行晶面的晶面指数。

当泛指某一晶面指数时一般用（hkl），如果晶面与某坐标轴负方向相交，在相应指数上加负号表示。

1．PBEQ面：

在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，∞；

截距倒数分别是：

2，1，0；

化为最小整数后的晶面指数（210）

2．AGE面：

截距1，1，1；

倒数1，1，1，晶面指数（111）

3．DBEG面：

截距1，1，∞；

倒数1，1，0，晶面指数（110）

4．DCFG面：

截距1，∞，∞；

倒数1，0，0，晶面指数（100）

注意：

晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。

在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的位向不同，但原子排列相同。

如（100）、（010）及（001）等，这时若不必要予以区别，可把这些晶面统用晶面族{100}表示。

即：

（hkl）这类符号系指某一确定位向的晶面指数；

而晶面族{hkl}则可指所有那些位向不同、而原子排列相同的晶面指数。

晶面族：

同一晶体点阵中，若干组晶面可以通过一定的对称变换重复出现，它们的面间距和晶面上结点分布完全相同；

这些空间位向性质完全相同的晶面属于同族等同晶面，用{hkl}表示。

例如：

立方晶系中

晶向指数的确定：

①通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；

②求出该直线上任意一点的三个坐标值；

③将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式[uvw]。

如：

AB的晶向指数：

过O作一平行直线OP,其上任一点的坐标（110），这样所求AB的晶向指数即为[110]；

OB：

本身过原点不必作平行线，其上任一点的坐标（111），其晶向指数[111]；

OC：

其上任一点C的坐标（100），其晶向指数[100]。

同理：

OD晶向指数[010],OA为[001]。

　[100]代表方向相同的一组晶向,而晶向族<

100>

则代表方向不同但原子排列相同的晶向，是具有等同性能的晶向归并而成。

晶向族：

原子排列相同但空间位向不同的所有晶向，用＜uvw＞表示。

6.晶带、晶面间距、晶面夹角计算公式

晶面夹角：

两个晶面（h1k1l1）与（h2k2l2）法线之间的夹角，如立方晶系：

晶面间距：

两相邻平行晶面间的垂直距离—晶面间距，用dhkl表示。

从原点作（hkl）晶面的法线，则法线被最近的（hkl）面所交截的距离即是dhkl

晶面间距的特点：

①由晶面指数求面间距dhkl；

②低指数的面间距较大,高指数的晶面间距则较小；

③晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集；

晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。

晶带：

所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个“晶带”,此直线称为晶带轴，所有这些晶面都称为共带面。

晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）之间存在以下关系：

hu＋kv＋lw＝0—晶带定律。

凡满足此关系的晶面都属于以[uvw]为晶带轴的晶带

7.倒易点阵

在晶体点阵的基础上按照一定的对应关系建立起来的空间几何图形。

是用a*.b*和c*基矢量描述的三维空间，与a.b.c描述的正空间互为倒易。

倒易点阵满足：

a*·

b=a*·

c=b*·

a=b*·

c=c*·

a=c*·

b=0---

（1）；

a=b*·

b=c*·

c=1---

（2）

晶体中的倒易变换：

倒易点阵：

由晶体点阵（正点阵、真点阵）经过一定的转化而构成的，倒易点阵本身是一种几何构图，倒易点阵方法是一种数学方法。

倒易点阵是晶体学中极为重要的概念之一，它不仅可以简化晶体学中的某些计算问题，而且还可以形象地解释晶体的衍射几何。

倒易点阵是由许多阵点构成的虚点阵。

倒易点阵的空间称为倒易空间，其中每一个结点和原来晶体点阵中各个相应的晶面有倒易关系。

从数学上讲，所谓倒易点阵就是由正点阵派生的一种几何图象－－点阵。

正点阵是直接从晶体结构中抽象出来的，而倒易点阵是与正点阵一一对应的，是用数学方法由正点阵演算出的。

以a*、b*、c*绘制的点阵称为以a、b、c绘制的正点阵的倒易点阵

由

（1）式知：

a*同时垂直b、c所构成的平面

b*同时垂直a、c所构成的平面

c*同时垂直b、a所构成的平面

如图：

OP为a在a*方向上的投影，同时是b、c所构成的（100）晶面的面间距d100；

则：

OP=acosφ=d100。

若φ为a*与a之间的夹角，ψ为b*与b之间的夹角，ω为c*与c之间的夹角由

（2）式改写成其标量形式为：

为倒易点阵基矢量长度

在直角坐标晶系（立方、正方、斜方）中：

正点阵和倒易点阵的阵胞体积也互为倒易关系。

倒易空间点阵中的阵点－－－倒易结点

倒易矢量：

由原点O*指向任意一个倒易结点所连接的矢量gHKL；

gHKL=ha*+kb*+lc*9（h、k、l为整数）①倒易矢量的方向垂直正点阵的hkl面，或平行于晶面的法线；

②倒易矢量的长度=正点阵hkl面间距的倒数gHKL=1/dHKL

倒易点阵的几何意义：

正点阵中的一组平行晶面（hkl）相当于倒易点阵中的一个倒易点，它至倒易原点的距离为该组晶面间距的倒数。

晶带定律：

若某晶带轴的晶向指数为[uvw]，晶带中某晶面指数为（hkl）

则（hkl）的倒易矢量g必定垂直于[uvw]。

晶带轴矢量=ua+vb+wc

ghkl=ha*+kb*+lc*

晶格：

把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。

晶胞：

构成晶格的最基本单元。

由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。

晶格常数：

晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。

其大小用A来表示（1A=10-8cm）

若a=b=c，α=β=γ=90°

这种晶胞就称为简单立方晶胞。

具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。

第三章X射线运动学衍射理论

1.X射线衍射的几何原理

X射线照射晶体，晶体微观结构有周期性，散射波与入射波干涉产生衍射线。

晶体产生衍射的方向决定于晶体微观结构的类型（晶胞类型）及其基本尺寸（晶面间距，晶胞参数等）；

衍射强度决定于晶体中各组成原子的元素种类及其分布排列的坐标。

衍射：

波遇到障碍物或小孔后通过散射继续传播的现象。

衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。

如果采用单色平行光，相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。

D△A=n（n=0、1、2、3…）时，两个波的位相完全一致，此方向两个波相互加强

D△B=（n+1/2）（n=0、1、2、3…）时，合成振幅为零，此方向两个波相互减弱

结果：

两个波的波程不同产生位相差，合成振幅改变，强度改变

相长干涉：

强度相互加强的波之间的作用

相消干涉：

强度相互抵消的波之间的作用

衍射的条件：

①相干波，②光栅。

③满足布拉格方程2dsinθ＝nλ且FHKL≠0

衍射结果：

产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍射方向（角度）和强度

使光能产生明显的偏向，必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。

2.布拉格方程的意义

①选择反射：

一束可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射，而原子面对X射线的反射并不是任意的，只有当λ、θ和d三者之间满足布拉格方程时才能发生反射将X射线的这种反射称为选择反射。

②反射级数（n）：

为整数，若n=1,晶体的衍射称为一级衍射，n=2,则称为二级衍射，依此类推。

③产生衍射的极限条件：

方程中由于sinθ不能大于1；

即nλ<

2d。

④当X射线的波长一定时，晶体中有可能参加反射的晶面族也是有限的，它们必须满足:

d>

λ/2。

可以用这个关系来判断一定条件下所能出现的衍射数目的多少。

⑤面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的原子面,而是为了简化布拉格方程所引入的反射面----干涉面

干涉面的面指数HKL----干涉指数；

干涉指数与晶面指数的关系:

H=nh;

K=nk;

L=nl

3.衍射花样与晶体结构的关系

在入射束波长一定的情况下，衍射线方向是晶面间距d的函数：

不同晶系的晶体，或者同一晶系而晶胞大小不同的晶体，其衍射花样各不同

说明：

布拉格方程可以反映出晶体结构中晶胞大小及形状的变化

问题：

布拉格方程并未反映出晶胞中原子的品种和位置

一个三维晶体对一束平行而单色的入射X射线产生衍射的必要条件：

至少有一组晶面的取向恰好能满足布拉格方程。

单晶的衍射实验采用以下两种方法：

①用一束平行的“白色”X射线照射一颗静止的单晶，这样，对于任何一组晶面总有一个可能的波长能够满足布拉格方程；

②用一束平行的单色X射线照射一颗不断旋转的晶体，在晶体旋转的过程中各个取向的晶面都有机会通过满足布拉格方程的位置，此时晶面与入射X射线所成的角度就是衍射角。

4.X射线的衍射强度

理论上以检测点处通过单位截面积上衍射线的功率定义为衍射强度

晶胞内原子的位置发生变化或原子种类不同,将使衍射强度减小甚至消失

应用：

推断原子在晶体中的位置。

5.衍射强度分析

I0—单位截面积上入射的单色X射线强度；

|F|—结构因子，取决于晶体的结构以及晶体所含原子的性质。

K—综合因子

结构因子：

定量表征原子排布及原子种类对衍射强度影响规律的参数。

表征了晶胞内原子种类（φ不同），原子数量（N），原子位置对衍射强度的影响。

与大小无关

综合因子：

它与实验时的衍射几何条件，试样的形状、吸收性质，温度以及一些物理常数有关。

影响因素：

决定于晶体的基体性质（原子在晶胞中的位置、数目、原子本身的性质），衍射几何，温度，吸收。

系统消光：

点阵消光和结构消光。

第四章X射线物相分析

1.X射线物相分析原理

物质成分分析：

化学分析、光谱分析、X射线荧光光谱分析、能谱分析、电感偶合等离子体原子发射光谱分析等方法来确定；

物相确定只能采用X射线衍射、中子衍射和电子衍射的方法，其中最方便和最有效的方法是X射线衍射。

因为每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子（或者离子）的数目及其位置等等，而这些参数在X射线的衍射花样中均有所反映；

尽管物相的种类有成千上万种，但没有两种衍射花样完全相同的物相。

因此可以用X射线衍射花样唯一地确定物相。

2.物相定性分析一般步骤

①用衍射仪法获取衍射花样，计算晶面间距和确定衍射峰的相对强度；

②从前反射区（2θ<

90°

）中选取强度最大的三根衍射线，并使其d值按强度递减的次序排列，又将其余线条按强度递减的顺序列于三强线之后；

③在数字索引中找到与d1（最强线的晶面间距）对应的那组；

④按次强线的晶面间距d2找到接近的几列，在同一组中，各列系按d2递减的顺序排列，这一点对检索十分重要；

⑤检索这几列数据中第三个d值是否与实验值相对应；

如果某一或几列相符，再查看第4根线、第5根线直至第8根线，并从中找出最可能的物相及其卡片号；

⑥从卡片库中抽出相应的卡片，将实验所得的d值及相对强度与卡片上的数据详细对照，如果对应得很好，则物相鉴定即告完成；

如果在索引中找不到与实验结果完全匹配的条目，则应考虑如下的可能：

a、被测物质为单相，但由于择优取向等原因，使得本来应该是强度很弱的峰被选进了八强峰，b、被测物质中包含两种以上的物相。

3.定性分析过程中有需要注意

①考虑到实验数据存在一定的误差，故允许所得的晶面间距和相对强度与卡片的数据略有出入；

②晶面间距比相对强度相对重要；

③低角度线比高角度线重要；

④强线比弱线重要；

⑤要重视衍射花样中的特征线；

⑥在衍射分析以前，最好先弄清楚试样的来源和化学成分；

⑦不要过分迷信卡片上的数据，注意资料的可靠性；

⑧X射线衍射只能肯定某个物相存在，而不能确定某个相不存在。

检索PDF卡片组的方法有字母索引法和数字索引法，数字索引中哈那瓦特无机索引和芬克无机索引是较为重要的两种索引方法；

第五章材料光学显微分析

1.光学基础知识

光的色散：

复色光分解为单色光而形成光谱得到现象。

单色光：

只有一种频率或波长的光。

复色光：

包括多种频率的光（如白光）。

2.偏振光

在某个确定方向上振动的光称为偏振光。

偏振动面：

偏振光的振动方向与光波传播方向所构成的平面。

直线偏振光：

直线偏振光由于光线的振动方向都在同一个平面内，所以这偏振光又叫作平面偏振光。

正对光的传播方向看去，这种光的振动方向是一条直线，因此又叫直线偏振光或线偏振光

光轴：

各向异性晶体中，存在有某些特殊方向，在这些方向上不发生双折射，寻常光线和非常光线传播方向和传播速度相同，这些方向称为晶体的光轴。

一轴晶：

有一个光轴的晶体。

二轴晶：

有两个光轴的晶体。

对于二轴晶，双折射后的两束光线均为非常为光线。

波晶片：

如果在平行于一轴晶光轴方向上切下一薄片，这时晶片表面与光轴平持，这样制得的晶片叫波晶片，简称波片。

可用来改变或检验光的偏振情况。

当自然光沿一轴晶光轴入射时，不发生双折射现象。

如果垂直于晶体光轴入射时产生的o光和e光仍沿原入射方向传播，但传播速度和折射率不同，且传播速度相差最大。

3.显微镜的结构

物镜:

物镜是显微镜最重要的光学部件，利用光线使被检物体第一次成像，因而直接关系和影响成像的质量和各项光学技术参数，是衡量一台显微镜质量的首要标准。

物镜的主要参数:

①放大率β；

②数值孔径NA；

③机械筒长L：

在显微镜中，物镜支承面到目镜支承面之间的距离称为机械筒长。

显微镜的机械筒长是固定的。

我国规定机械筒长是160毫米；

④盖玻片厚度d；

⑤工作距离WD。

物镜的基本类型：

①按显微镜镜筒长度（以mm计）：

透射光用160镜筒，带0.17mm厚或更厚的盖玻片；

反射光用190镜筒，不带盖玻片。

②按浸法特征：

非浸式（干式）、浸式（油浸、水浸、甘油浸及其它浸法）；

③按光学装置：

透射式、反射式以及折反射式；

④按数值孔径和放大倍数：

低倍（NA≤0.2与β≤10X），中倍（NA≤0.65与β≤40X），高倍（NA＞0.65与β＞40X）；

⑤按校正像差的情况不同：

消色差物镜，半复消色差物镜，复消色差物镜，平视场消色差物镜，平视场复消色差物镜和单色物镜。

目镜：

作用：

把物镜放大的实像（中间像）再放大一级，并把物像映入观察者的眼中，实质上目镜就是一个放大镜。

已知显微镜的分辨率能力是由物镜的数值孔径所决定的，而目镜只是起放大作用。

因此，对于物镜不能分辨出的结构，目镜放的再大，也仍然不能分辨出。

聚光镜：

聚光镜装在载物台的下方。

小型的显微镜往往无聚光镜，在使用数值孔径0.40以上的物镜时，则必须具有聚光镜。

照明系统：

按其照明光束的形成，可分为“透射式照明”，和“落射式照明”两大类。

透射式照明：

适用于透明或半透明的被检物体，绝大数生物显微镜属于此类照明法；

落射式照明：

适用于非透明的被检物体，光源来自上方，又称”反射式照明“。

主要应用于金相显微镜、偏光或荧光镜检法。

在观察