1、材料分析测试方法期末复习要点0909273 版权所有2012.6.10第一部分 X 射线衍射分析1、X 射 线的发 展历史：1895 年，德国物理学家伦琴发现 X 射线；1912 年，德国物理学家劳埃发现 X 射线在晶体中的衍射现象，X 射线晶体学诞生。2、X 射 线的本 质X 射线本质上是一种电磁波，波长在 10-8cm 作用，具有波粒二象性，遵循爱因斯坦关系式 =h=hc/ ， p=h/3、X 射 线产生条件（1）产生自由电子；（2）使自由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。4、X 射 线谱： X 射线强度与波长的关系曲线，称之为 X 射线谱。分为连续 X
2、 射线谱和特征 X 射线谱。5、对连续 X 射线谱的解释（1）根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续 X 射线谱。（2）量子力学概念，当能量为 eV 的电子与靶的原子整体碰撞时， 电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为 h 的光子，即“韧致辐射” 。大量的电子到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。6、短波限的
3、概念短波限的定义：极限情况下，能量为 eV 的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限 0。强度的最大值在 0 的 1.5 倍处。即 eV = h max = hc/0短波限与激发电压的关系 0 = 1.24/V （nm）7、特征谱的几个概念K 激发、L 激发：如果靶物质原子的 K 层电子被击出 K 层，称 K 激发，L 层电子被击出 L 层，称 L 激发。K 、K ：当 K 电子被打出 K 层时，L 层电子来填充 K 空位时，则产生 K辐射。同样当 K 空位被 M 层电子填充时，则产生 K辐射。K强度大，K 能量高。原因：M 能级与 K 能级之差大
4、于 L 能级与 K 能级之差，故一个 K光子的能量大于一个 K光子的能量；但因 LK 层跃迁的几率比 MK 跃迁几率大，故 K辐射强度比 K辐射强度大。8、连续谱和特征谱谱线的区别当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，但连续谱的波长减小，位置左移；而特征谱对应的波长保持不变，即位置不变。9、一束 X 射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。10、X 射线散射分为相干散射和不相干散射（康普顿散射或康普顿一吴有训散射） 。11、吸收的作用（1）滤波片的选择： Z 靶40 时，Z 滤Z 靶-1；Z 靶40 时，Z 滤Z 靶-2。获得单色光的方法之
5、一是在 X 射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将 K和连续谱衰减到可以忽略的程度，只剩下 K辐射。（2）阳极靶材料的选择：Z 靶Z 样+1。12、布拉格定律的推导（1）波合成原理：两个波的波程不一样就会产生相位差。随着相位差的变化，其结合振幅也变化：位相一致，则合成波振幅相互叠加，两个波相互加强；波峰波谷相重叠，则合成波振幅为零，两个波相互抵消。（2）平面镜反射原理设一束平行的 X 射线（波长 ）以 角入射到晶体各原子面上，晶体面间距为 d，各原子面产生反射。任选两相邻面（A1 与 A2） ，反射线光程差为ML+LN=2dsin如果光程差 2dsin 为波长的整数倍，即2dsin
6、=n（n=0,1,2,3,）时散射波位相完全相同，所以互相加强。上式就是布拉格定律。13、选择反射：原子面对 X 射线的反射并不是任意的，只有在满足布拉格定律时才能发生反射，所以把 X 射线的这种反射称为选择反射。14、X 射 线衍射 仪的构造（ 测量动作）测角仪构造：(1)样品台；(2)X 射线源；(3)光路布置；(4)测角仪台面；(5)测量动作。测量动作：样品台和测角仪台可以绕轴转动，也可机械连动，机械连动时样品台转过 角时计数管转 2 角，这样设计的目的是使 X 射线在板状试样表面的入射角等于反射角，常称这一动作为 2 连动。15、物相的定性分析基本原理（1）在一定波长的 X 射线照射下
7、，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样（衍射线的位置和强度） 。每种物质和它的衍射花样都是一一对应的。（2）在定性相分析时，通常用 d（晶面间距 d 表征衍射线位置）和 I（衍射线相对强度）的数据组代表衍射花样。也就是说，用 d-I 数据组作为定性相分析的基本判据。（2）定性相分析的方法，是将由试样测得的 d-I 数据组（即衍射花样）与已知结构物质的标准 d-I 数据组（即标准衍射花样）进行对比，从而鉴定出试样中存在的物相。16、物相的定性分析基本步骤（1）制备待分析物质样品，用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样；（2）确定各衍射线条众值及相对强度 II1 值(I1 为最强线强度)；（3）检索
8、PDF 卡片物相均为未知时，使用数值索引；（4）核对 PDP 卡片与物相判定；（5）多相物质分析。17、PDF 卡片识别参照课本 39-41 页。18、高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息二次电子、背散射电子、吸收电子、特征 X 射线、俄歇电子、阴极发光、透射电子等。第二部分 透射电子显微分析1、透射电镜的结构(1)电子光学部分1）照明系统： 电子枪阴极、阳极、栅极（控制极） （作用：会聚电子束；控制电子束电流大小，调节像的亮度） 聚光镜第一聚光镜（短焦距强激磁透镜）第二聚光镜（长焦距磁透镜）2）样品室3）成像系统:由物镜、中间镜和投影镜组成。4）图像观察和记录系统（2）真空系统（3）供电
9、控制系统2、透射电镜成像原理分为两个过程：第一个过程是平行电子束遭到物的散射作用而分裂成为各级衍射谱，即由物变换到衍射的过程；第二个过程是各级衍射谱经过干涉重新在像平面上会聚成诸像点，即由衍射重新变换到物（像是放大了的物）的过程。物镜产生的一次放大像还要经过中间镜和投影镜的放大作用而得到最终的三次放大像。两个基本操作：中间镜的物平面与物镜的像平面重合，中间镜的物平面与物镜的背焦面重合。3、电子衍射几何关系的推导由 O1OG O1O2G1 可得O1O ：O 1O2= GO ：O 2G1即: 1/：L = 1/d ：O 2G1 所以 L= dO2G1而 O2G2= Ltg2 及 O2G1= 2Ls
10、in由于电子波长很短,衍射角 一般小于 3,所以 tg2= 2, sin= ,因此, O 2G2L2,所以 O2G2= R O2G1于是有：L= dR4、单晶、多晶、非晶 电子衍射谱的特点单晶：大量衍射斑点多晶：一系列同心的圆环非晶：漫散射的光晕5、透射电镜观察的样品尺寸（厚度）：100-200nm6、塑料-碳二级复型技术的具体制备方法（1） 在样品表面滴一滴丙酮，然后贴上一片稍大于样品的 AC 纸（6%醋酸纤维素丙酮溶液制成的薄膜） ，注意不可留下气泡或皱折。待 AC 纸干透后小心揭下。反复贴几次，将最后一片 AC 纸留下，作为塑料一级复型。（2） 将得到样品浮雕的 AC 纸复型面朝上平整地
11、贴在衬有在纸片的胶带纸上。（3） 上述复型放入真空镀膜机内进行投影重金属，最后在垂直方向上喷镀一层碳，从而得到醋酸纤维素-碳的复合复型。（4） 将复合复型剪成小于 3mm 小片投入丙酮溶液中，待醋酸纤维素溶解后，用铜网将碳膜捞起。（5） 将捞起的碳膜连同铜网一起放到滤纸上吸干水分，经干燥后即可入电镜进行观察。 第三部分 扫描电子显微分析1、基本原理由电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调
12、制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面某种信息图。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。2、基本结构(1)电子光学系统（镜筒） ；(2)扫描系统；(3)信号收集系统；(4)图像显示和记录系统；(5)真空系统；(6)电源系统。3、扫描电镜的特殊部件，由扫描发生器和扫描线圈组成。扫描发生器的作用：（1)使入射电子束在样品表面
13、扫描，并使 CRT 电子束在荧光屏上作同步扫描；（2)改变入射束在样品表面的扫描振幅，来改变扫描像的放大倍数。4、扫描电镜应用的物理信号二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测出，其他电子信号用电子收集器收集。5、景深：取决于分辨本领和电子束入射半角 c：F=d 0 / tg c。 因为 c 很小，所以上式可写作 F= d0 / c。扫描电镜的景深比较大，成像富有立体感，所以它特别适用于粗糙样品表面的观察和分析。6、表面形貌衬度：利用与样品表面形貌比较敏感的物理信号作为显像管的调制信号，所得到的像衬度称为表面形貌衬度。7、原子序数衬度 (化学成分衬度 )：利用对样品微
14、区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度。这些信号主要有背散射电子、吸收电子和特征 X 射线等。背散射电子像与吸收电子像的衬度正好相反。第四部分 扫描探针显微分析1、扫描隧道显微镜（STM）的工作原理工作原理量子力学的隧道效应。当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就
15、能记录下来，最终构建出三维的表面图。2、STM 的工作模式有两种： 恒流模式（保持隧道电流恒定）和 恒高模式（保持针尖高度恒定） 。3、举例说明 STM 的应用。呈现原子或分子的表面特性；用于研究物质的动力学过程；检测材料的性能；通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子等。第五部分 材料表面分析1、俄歇电子能谱仪的基本原理用一定能量的电子束轰击样品，使样品原子的内层电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集和进行分析。由于俄歇电子具有特征能量，其特征能量主要由原子的种类确定，因此测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析，确定原子的种类，即样品中存在的元素；在一定的条件下，根据
16、俄歇电子信号的强度，可确定元素含量，进行半定量分析；再根据俄歇电子能量峰的位移和形状变化，获得样品表面化学态的信息。2、俄歇电子能谱仪为何无法检测 H 和 He？俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，氢原子和氦原子只有一个电子层，所以不能产生俄歇电子。3、X 射 线光电 子能谱基本原理用一定能量的光子束（X 射线）照射样品，使样品原子中的内层电子以特定几率电离产生光电子，光电子从样品表面逸出进入真空，被收集和分析。由于光电子具有特征能量，其特征能量主要由出射光子束能量及原子种类确定。因此，在一定的照射光子能量条件下，测试光电子的能量，可以进行定性分析，确定原子的种类，即样品中存在的元素；在一定
17、的条件下，根据光电子能量峰的位移和形状变化，可获得样品表面元素的化学态信息；而根据光电子信号的强度，可半定量地分析元素含量。4、电子结合能： 原子中某个电子吸收了一个光子的全部能量后，消耗一部分能量以克服原子核的束缚而到达样品的费米（Fermi）能级，这一过程消耗的能量也就是这个电子所在的 Fermi 能级。5、功函数：到达 Fermi 能级的电子虽不再受到原子核的束缚，但要继续前进还须克服样品晶格对它的引力，这一过程所消耗的能量称为样品的功函数。6、光电效应：如果入射光子的能量大于原子中电子的结合能及样品的功函数，则吸收了光子的电子可以逃逸样品表面进入真空中，且具有一定功能，这就是光电效应。
18、7、化学位移：原子因所处化学环境不同而引起的内壳层电子结合能变化，在谱图上表现为谱峰的位移，这种现象即为化学位移 。化学环境不同：与它相结合的元素种类和数量不同；原子具有不同的化学价态。第六部分 热分析1、热分析：在程序控温条件下，测量物质的物理性质随环境温度变化的函数关系的技术。2、差热分析法（DTA）：在程序控温条件下，测量试样与作为参比的基准物质之间的温度差随环境温度变化的函数关系。3、示差扫描量热法（DSC ）：在程序控温条件下，测量试样与作为参比的基准物质之间的功率补偿随环境温度变化的函数关系。4、曲线峰：吸热峰朝下，放热峰朝上。5、DTA、DSC 在高聚物研究中的应用测定高聚物的玻璃化转变温度。原理如下：DTA聚合物的玻璃态和高弹态的热容不同，在差热曲线上有一个转折，即为 Tg。DSC聚合物中某种结构的含量与用 DSC 测得的 Tg 成线性关系。题型设置：填空题、名词解释（主要考查基本概念）、简答题（主要考查基本原理）、论述题、推导题（布拉格方程、 电子衍射几何关系）耿老师权威认证祝大家考试成功！
