1球差、像散和色差是怎样造成的？如何减小这些像差？哪些是可消除的像差？
答：1.球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定规律而造成的。一个物点散射的电子束经过具有球差的电磁透镜后并不聚在一点，所以像平面上得到一个弥散圆斑，在某一位置可获得最小的弥散圆斑，成为弥散圆。还原到物平面上，则半径为r s=1/4 C sα3r s为半径，Cs为透镜的球差系数，α为透镜的孔径半角。所以见效透镜的孔径半角可减少球差（决定分辨率的像差因素）。
2，色差是由于入射电子的波长（能量）的非单一性所造成的。一个物点散射的具有不同波长的电子，进入透镜磁场后将沿各自的轨道运动，结果不能聚焦在一个像点上，而分别交在一定的轴向范围内，形成最小色差弥散圆斑，半径为r c=C c α|△E/E|,C c为透镜色差系数，α为透镜孔径半角，△E/E为成像电子束能量变化率。所以减小△E/E(稳定加速电压)、α 可减小色差。
3,像散是由于透镜磁场的非旋转对称而引起的(极靴内孔不圆、上下极靴不同轴、材质磁性不均及污染)。消像散器。
48. 影响电磁透镜景深和焦长的主要因素是什么？
答：把透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深，影响它的因素有电磁透镜分辨率、孔径半角，电磁透镜孔径半角越小，景深越大，如果允许较差的像分辨率（取决于样品），那么透镜的景深就更大了；把透镜像平面允许的轴向偏差定义为透镜的焦长，影响它的因素有分辨率、像点所张的孔径半角、透镜放大倍数，当电磁透镜放大倍数和分辨率一定时，透镜焦长随孔径半角的减小而增大。
倒易点阵：在倒易空间内与某一正点阵相对应的另一个点阵。正点阵和倒易点阵是正倒两个空间内相互对应的统一体，它们互为倒易而共存。
13倒易空间：某一倒易矢量垂直于正点阵中和自己异名的二基本矢量组成的平面。
性质：正倒点阵异名基本矢量点乘为0，同名点乘为1；倒易矢量ghkl=ha’+kb’+lc’,hkl为正点阵中的晶面指数，表明倒易矢量垂直于正点阵中相应的（hkl）晶面，倒易点阵中一个点代表的是正点阵中的一组晶面；倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数；在立方点阵中，晶面法向和同指数的晶向是平行的，即倒易矢量与相应指数的晶向[hkl]平行
某种晶面的等同晶面数为影响衍射强度的多重性因数，用 P 来表示
由于试样本身对X射线的吸收，使衍射强度实测值与计算值不符，为修正这一影响，引入吸收因数A（θ）温度因数：在温度T下的衍射线强度I T与热力学温度为0K下的衍射强度I之比。
定性分析：世界上不存在衍射花样完全相同的两种物质，因此可利用衍射花样与标准物质衍射卡片对照进行物相鉴定衍射线条的位置由2θ决定，而θ取决于波长λ及晶面间距d,其中d是晶体结构决定的基本量。
应用时，将待测花样和标准花样d及I系列对照，即可确定物相
物相定量分析的依据是各相衍射线的相对强度
14用爱瓦尔德图解法证明布拉格定律。
在倒易空间中画出衍射晶体的倒易点阵，以倒易原点为端点作入射波的波矢量，该矢量平行于入射方向，长度等于波长的倒数。在入射线上，以倒易原点为端点，圆心在入射线上为O，以1/λ为半径作一球，即爱瓦尔德球。此时，若有倒易阵点G正好落在球面上，则相应的晶面组与入射束的方向必满足布拉格条件，而衍射束的方向就是OG，或写出波矢量k’，其长度也等于1/λ。O’G=g。得K’-K=g 由O向O’G做垂线，垂足为D，因为g平行于（hkl）的法向Nhkl，所以OD就是正空间中（hkl）晶面的方位，若它与入射束方向夹角为θ，则有O’D=ODsinθ，即g/2=ksinθ 由于g=1/d,k=1/λ,故有2dsinθ=λ爱瓦尔德球内的三个矢量K，K’和g清楚的描绘了入射束、衍射束和衍射晶面之间的相对关系。在作图过程中，首先规定球的半径为1/λ,又因g=1/d，使得球本身已置于倒易空间中了。
2. R2比值法（未知结构）
对立方系各类结构根据消光条件产生衍射的指数：简单立方100，110，111，200，210，211，220，221；体心立方110，200，112，220，310，222，321，…；面心立方111，200，220，311，222，400，…金刚石111，220，311，400，331，422，…
产生衍射的N值序列比（或R2序列比）为：简单立方1：2：3：4：5：6：8：9：10：…；体心立方2：4：6：8：10：12：14：16：18…；面心立方3：4：8：11：12：16：19：20：24…；金刚石3：8：11：16：19：24：27…
由近及远测定各个斑点的R值；2.计算R12值，根据R12 ，R22 ，R32…=N1 ，N2 ，N3…关系，确定是否是某个立方晶体。3.由N求对应的{hkl}。4.测定各衍射斑之间的?角5.决定透射斑最近的两个斑点
的指数（hkl）6.根据夹角公式，验算夹角是否与实测的吻合，若不，则更换（hkl）7.两个斑点决定之后，第三个斑点为R3=R1+R2。8.由g1×g2求晶带轴指数。
33电子束和固体样品作用时会产生哪些信号？它们各具有什么特点？具有高能量的入射电子束与固体样品表面的原子核以及核外电子作用
1：背散射电子：被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子（数千至数万ev）和非弹性背散射电子（数十ev至数千ev）。弹性BE是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90°的那些入射电子，其能量基本上没有变化。非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。背散射电子的产生范围在数百nm深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。
2：二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子。来自表面5-10nm的区域，能量一般不超过50ev，大部分几ev。对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于发自表面层，入射电子还没有较多次散射，因此产生SE的面积与入射电子的照射面积没多大区别。所以分辨率较高，一般可达到50-100 ?。SEM的分辨率通常就是SE分辨率。二次电子产额随原子序数的变化不明显，它主要决定于表面形貌。3．吸收电子：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后被样品吸收，此即为吸收电子。入射电子束射入一含有多元素的样品时，由于二次电子产额不受原子序数影响，则产生背散射电子较多的部位其吸收电子的数量就较少。因此，吸收电流像可以反映原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。
4．透射电子：如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。其中有些待征能量损失DE的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。
5．特性X射线：是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。发射的X射线波长具有特征值，波长和原子序数之间服从莫塞莱定律。因此，原子序数和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以进行成分分析。如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。
6．俄歇电子：如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量DE不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因为每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在50-1500 eV范围之内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的（1-2nm），俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。
信号二次电子背散射电
子吸收电子特征x射
线
俄歇电子
分辨率5-10 50-200 100-1000 100-1000 0.5-2
一、背散射电子
被样品原子散射，散射角大于而散射到样品表面以外的一部分入射电子称为背散射电子，包括弹性背散射电子和非弹性散射背散射电子
产生于样品表层几百纳米的深度范围
能量范围较宽，从几十到几万电子伏特
产额随样品平均原子序数增大而增大，所以背散射电子像的衬度可反映对应样品位置的平均原子序数
背散射电子像主要用于定性分析材料的成分分布和显示相的形状和分布
二、二次电子
在入射电子作用下，使样品原子的外层价电子或自由电子被击出样品表面，称为二次电子
产生于样品表层5~10nm的深度范围
能量较低，一般不超过 50eV，大多数均小于10eV
其产额对样品表面形貌非常敏感，因此二次电子像可提供表面形貌衬度
二次电子像主要用于断口分析、显微组织分析和原始表面形貌观察等
三、吸收电子
入射电子进入样品后，经多次非弹性散射使其能量消耗殆尽，最后被样品吸收，这部分入射电子称吸收电子
产生于样品表层约1微米的深度范围
产额随样品平均原子序数增大而减小。因为，在入射电子束强度一定的情况下，对应背散射电子产额大的区域吸收电子就少，所以吸收电子像也可提供原子序数衬度
吸收电子像主要也用于定性分析材料的成分分布和显示相的形状和分布
四、特征X射线
如前(第一章)所述，当入射电子能量足以使样品原子的内层电子击出时，原子处于能量较高的激发态，外层电子将向内层跃迁填补内层空位，发射特征X射线释放多余的能量
产生于样品表层约nm的深度范围
其能量或波长与样品中元素的原子序数有对应关系
其强度随对应元素含量增多而增大
特征X射线主要用于材料微区成分定性和定量分析
五、透射电子
若入射电子能量很高，且样品很薄，则会有一部分电子穿过样品，这部分入射电子称透射电子
透射电子中除了能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还有不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些电子的能量损失具有特征值，称为特征能量损失电子
特征能量损失电子的能量与样品中元素的原子序数有对应关系，其强度随对应元素的含量增大而增大
利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失电子信号，可进行微区成分的定性和定量分析
六、俄歇电子
处于能量较高的激发态原子，外层电子将向内层跃迁填补内层空位时，不以发射特征X射线的形式释放多余的能量，而是向外发射外层的另一个电子，称为俄歇电子
产生于样品表层约1nm的深度范围
其能量与样品中元素的原子序数存在对应关系，能量较低，一般在 50~1500eV 范围内
其强度随对应元素含量增多而增大
俄歇电子主要用于材料极表层的成分定性和定量分析
8 终结简单点阵、体心点阵、面心点阵衍射线的系统消光规律
简单点阵：该种点阵其结构因数与hkl无关，即hkl为任意整数时均能产生衍射
体心点阵：当h+k+l=奇数时，F=0，即该晶面的散射强度为0，这些晶面的衍射不可能出现。当h+k+l=偶数时，F=2f即体心点阵只有指数之和为偶数的晶面可产生衍射
面心点阵：当hkl全为奇数或全为偶数时，F=4f当hkl为奇偶混杂时F=0
四、内应力的衍射效应
1) 第Ⅰ类内应力又称宏观应力或残余应力，其衍射效应使衍射线位移。压应力—>高角度偏移见下页解释
2) 第Ⅱ类内应力又称微观应力。其衍射效应主要引起衍射线线形变化。w= 4tanθ *?d/d =4tanθ * ε
3) 第Ⅲ类内应力又称晶格畸变应力或超微观应力等，名称尚未同一，其衍射效应使衍射强度降低
4) 第Ⅱ类内应力是十分重要的中间环节，通过它才能将第Ⅰ类内应力和第Ⅲ类内应力联系起来，构成一个完整的内应力系统
1. 通过测定弹性应变量推算应力（σ=Eε 一维应力情况）。
2．通过晶面间距的变化来表征应变
（σ=Eε=E △d/d0）
3．晶面间距的变化与衍射角2θ的变化有关。 根据2dsinθ=λ → △d/d=-cotθ·△θ
4． 因此，只要知道试样表面上某个衍射方向上某个晶面的衍射线位移量△θ，即可计算出晶面间距的变化量△d/d ，进一步通过胡克定律计算出该方向上的应力数值。 σ= -E · cotθ·△θ 材料结构定性解释：
受拉应力(正值)，晶面间距d 变大，θ要减小，向低角度偏移; 压应力(负值)，向高角度偏移。 微观应变对X 射线的影响
微观应力是在金属内部一个晶粒或几个晶粒范围内平衡的力，在微观应力的作用下，某些区域内晶粒的某一{HKL}面族的晶面间距可能被拉长，而另一些区域内同一{HKL}面族的晶面间距可能被压缩，这是因为各个区域的微观应力数值和符号都不相同。
因此，各晶粒同一面族的晶面间距，分布在以d0为中心的d1～d2范围内，对应的衍射线分布在以θ0为中心的θ1～θ2范围内，即衍射线发生宽化。
如果用w(S)代表微观应力引起的衍射线的半高宽， w (S) =4Δθ。由布拉格方程微分得： ＝
求微分:Δλ=2sinθΔd+2dcosθΔθ (2) (2)/(1):
θθλ
λ
?+?=
?cot d
d
θ
θλ?-=?cot d d
的误差，则：如果不考虑波长
w = 4t a n θ *?d /d =4t a n θ * ε
晶粒尺寸大小和微观应力都会引起衍射线宽化，但两者遵循的规律不同 晶粒细化引起的宽化与λ和1/cosθ成正比 微观应力引起的宽化与tanθ成正比。
用多种波长的的X 射线进行衍射，就能鉴别引起宽化的原因。
1. 如果衍射线的宽化w 随波长改变而变化，则表示宽化是由晶粒细化所引起；
2. 如波长改变但w 不变，则表明宽化是由冷加工等产生的微观应力造成。
测定每一θ角对应的w ，然后作w - 1/cosθ和β-tanθ曲线，如果前者为直线关系，则宽化由晶粒细化造成；如后者为直线关系，则宽化由微观应力产生。假如两种宽化因素都存在，则应将两者分开，然后分别进
? 习题：有一晶体的晶面间距是0.2nm ，用波长λ=0.2nm 的X 光照射该晶面，掠射角是多少度时能发
生一级衍射？如用相同的X 光照射晶面间距为0.3nm 的晶面，或改变X 光的波长，情况怎么变化？布拉格公式： 2d sin θ = n λ，
式中，λ为X 射线的波长，λ=1.54056 ?， 衍射的级数n 为任何正整数。
温度升高，对于一般的晶体而言，大都是热胀冷缩的。升高温度使晶体膨胀，晶面间距d 增大。测试用X 射线波长λ不变。衍射角2θ应该减小。
测试用X 射线源改变，X 光波长λ改变。同样的被测试晶体，晶面间距d 值一定，λ增大，θ和衍射角2θ也随之增大；波长λ减小，θ和衍射角2θ也随之减小。
m 为单位面积厚度为 t 的体积中物质的质量。因此 ，μm 的物理意义是X 射线通过单位面积单位质量物质的强度衰减量
11. X 射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为lmm ，试计算这种铅屏对CuK α、MoK α辐射的透射系数各为多少？
解：穿透系数I H /I O =e -μm ρH ，
其中μm ：质量吸收系数/cm 2 g -1，ρ：密度/g cm -3 H ：厚度/cm ，本题ρPb =11.34g cm -3，H=0.1cm 对Cr K α，查表得μm=585cm 2 g -1，
其穿透系数I H /I O =e -μm ρH =e -585×11.34×0.1=7.82×e -289= 1.13×10-7 对Mo K α，查表得μm=141cm 2 g -1，
其穿透系数I H /I O =e -μm ρH =e -141×11.34×0.1=3.62×e -70= 1.352×10-12
Z 靶
≤Z 样
+ 1或 Z 靶
>> Z
样
式中，I 0为入射线强度；I e 为一个电子的相干散射强度；R 为电子到空间一点P 的距离；2θ为散射角； 电子散射因数 f e 2 =7.94?10-30m 2，说明一个电子的相干散射强度很小；(1+cos 2 2θ)/2 称偏振因数，表明相干散射线是偏振的，强度随2θ而变化
12. 厚度为1mm 的铝片能把某单色Ⅹ射线束的强度降低为原来的23.9％，试求这种Ⅹ射线的波长。试计算含Wc ＝0.8％，Wcr ＝4％，Ww ＝18％的高速钢对MoK α辐射的质量吸收系数。
解：I H ＝I O e-(μ/ρ) ρH ＝I O e -μm ρH 式中μm ＝μ/ρ称质量衷减系数， 其单位为cm 2/g ，ρ为密度，H 为厚度。
今查表Al 的密度为2.70g/cm -3. H=1mm ，I H =23.9% I O 带入计算得μm ＝5.30查表得：λ＝0.07107nm （MoK α）
μm =ω1μm1+ω2μm2+…ωi μmi
ω1, ω2 … ωi 为吸收体中的质量分数，而μm1，μm2 … μmi 各组元在一定X 射线衰减系数 μm =0.8％×0.70+4％×30.4+18％×105.4+（1-0.8％-4％-18％）×38.3=49.7612（cm 2/g ）
15. 什么厚度的镍滤波片可将CuK α辐射的强度降低至入射时的70％？如果入射X 射线束中K α和K β强度之比是5：1，滤波后的强度比是多少？已知μm α=49.03cm 2/g ，μm β=290cm 2/g 。
解：有公式I=I 0e
-umm
=I 0e
-u ρt
查表得：ρ=8.90g/cm 3
u m α=49.03cm 2
/g 因为 I=I 0*70%
-u m αρt=㏑0.7 解得 t=0.008mm
所以滤波片的厚度为0.008mm 又因为： I α=5Ι
e
-μm αρt
Ιβ
=Ι0e -μm βρt
带入数据解得I α /Ιβ
=28.8
滤波之后的强度之比为29：1
m
t m m e I e I I μρμ--==0022cos 122cos 1π422202222020θθμ+=+???
? ????? ??=e e f R I mc e R I I
16. 如果Co 的K α、K β辐射的强度比为5：1，当通过涂有15mg/cm 2的Fe 2O 3滤波片后，强度比是多少？已知Fe 2O 3的ρ=5.24g/cm 3，铁对CoK β的μm ＝371cm 2/g ，氧对CoK β的μm ＝15cm 2/g 。
解：设滤波片的厚度为t t=15×10-3/5.24=0.00286cm
由公式I=I o e -Um ρt 得：I α =5I o e -UmaFet ，I β=I o e -Um ρot
；
查表得铁对CoK α的 μm ＝59.5，氧对CoK α的μm ＝20.2； μm （K α）=0.7×59.5+0.3×20.2=47.71； μm （K β）=0.7×371+0.3×15=264.2
I α/I β=5e -Um αρt /e -Um βρt =5×exp(-μmFe2O3K α×5.24×0.00286)/ exp(-μmFe2O3K β×5.24 ×0.00286)= 5×exp(-47.71×5.24×0.00286)/ exp(-264.2×5.24 ×0.00286)=5×exp（3.24）=128
答：滤波后的强度比为128：1。
20. 为使CuK α线的强度衰减1/2，需要多厚的Ni 滤波片？（Ni 的密度为8.90g/cm 3）。CuK α1和CuK α2
的强度比在入射时为2：1，利用算得的Ni 滤波片之后其比值会有什么变化？
解：设滤波片的厚度为t
根据公式I/ I o =e -Um ρt ；查表得铁对CuK α的μm ＝49.3（cm 2/g ）,有：1/2=exp(-μm ρt) 即t=-(ln0.5)/ μm ρ=0.00158cm
根据公式：μm =K λ3Z 3，CuK α1和CuK α2的波长分别为：0.154051和0.154433nm ， 所以μm =K λ3Z 3，分别为：49.18（cm 2/g ），49.56（cm 2/g ）
I α1/I α2=2e -Um αρt /e -Um βρt =2×exp(-49.18×8.9×0.00158)/ exp(-49.56×8.9×0.00158)=2.01 答：滤波后的强度比约为2：1。
21. 铝为面心立方点阵，a=0.409nm 。今用CrK α（ =0.209nm ）摄照周转晶体相，X 射线垂直于[001]。试用厄瓦尔德图解法原理判断下列晶面有无可能参与衍射：（111），（200）,（220），（311），（331），（420）。
答：有题可知以上六个晶面都满足了 h k l 全齐全偶的条件。根据厄瓦尔德图解法在周转晶体法中只要满足 sin?<1就有可能发生衍射。由：
Sin 2?=λ2(h 2+k 2+l 2)/4a 2 把（h k l ）为以上六点的数代入可的： sin 2?=0.195842624 ------------------------------(1 1 1); sin 2?=0.261121498-------------------------------(2 0 0); sin 2?=0.522246997-------------------------------(2 2 0); sin 2?=0.718089621-------------------------------(3 1 1); sin 2?=1.240376619-------------------------------(3 3 1); sin 2?=1.305617494-------------------------------(4 2 0). 有以上可知晶面（3 3 1），（4 2 0）的sin?>1 。所以着两个晶面不能发生衍射其他的都有可能。 37. 一块淬火+低温回火的碳钢，经金相检验证明其中不含碳化物，后在衍射仪上用FeK α照射，分析出γ相含1%碳，α相含碳极低，又测得γ220线条的累积强度为5.40，α211线条的累积强度为51.2，如果测试时室温为31℃，问钢中所含奥氏体的体积百分数为多少？
解:设钢中所含奥氏体的体积百分数为f γ,α相的体积百分数为f α,又已知碳的百分含量fc=1％，由f γ+f α+fc=1得 f γ+f α=99％ (Ⅰ)
又知I γ/I α=C γ/C α·f γ/f α （Ⅱ）其中I γ=5.40，I α=51.2，
C γ=1/V 02|F 220|2·P 220·∮(θ)e
-2M
, 奥氏体为面心立方结构，H+K+L=4为偶数，故|F 220|2=16f 2,f 为原子散射因子，查表可知多重性因子 P 220=12, C α=1/V 02|F 211|2·P 211·∮(θ)e -2M ，α相为体心立方结构，H+K+L=4为偶数，故 |F 211|2=4f 2，查表得P 211=48.
∴C γ/C α=|F 220|2·P 220/|F 211|2·P 211=1. 将上述数据代入，由(Ⅰ)、（Ⅱ）得 f γ=9.4％ ∴钢中所含奥氏体的体积百分数为9.4％.
掠射角θ 极限范围是0~90?，但过大和过小均会造成衍射观测的困难。由于|sin θ |≤1，使得反射级数n 或干涉面间距d 受到限制
因d sin θ =λ / 2，故 d ≥λ/2，说明只有间距大于或等于X 射线半波长的干涉面才能参与反射，采用短波长的X 射线照射时，参与反射的干涉面将会增多－－判断衍射线数目
● λ≤2d，发生衍射的波长要求。如果波长过小，难观察到衍射
● 单晶体的倒易点阵是由三维空间规则排列的阵点所构成，它与相应正点阵属于相同晶系 ● 多晶体由无数取向不同的晶粒组成，其倒易点阵是由一系列不同半径的同心球面而构成 ● 多晶体同族{hkl}晶面的倒易矢量在三维空间任意分布，其端点的倒易阵点将落在以O *为球心、以 1/d hkl (g hkl )为半径的球面上—倒易球
对布拉格公式微分得 ?d /d = -?θ cot θ (5-13)
说明， 当?θ 一定时，采用高θ 角衍射线测量，误差将减小，当θ 趋近90?时，误差将趋于零。点阵参数测定应选择 θ 角尽可能高的衍射线测量
j i n j j HKL e f F φ∑
==1)
(21j j j LZ KY HX i n j j e f ++=∑
=π21212)(2sin )(2cos ??
??
??????+++??????????++=?=∑∑==*
n j j j j j n j j j j j HKL HKL HKL LZ KY HX f LZ KY HX f F F F ππ
材料研究方法复习 X射线,SEM（扫描电子显微镜）,TA,DTA,DSC,TG,红外,拉曼 1．X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？ 本质是一种波长很短的电磁波，其波长介于0.01-1000A。1895年由德国物理学家伦琴首先发现了X射线，1912年由德国物理学家laue揭示了X射线本质。 2．试计算波长0.071nm（Mo-Kα）和0.154A（Cu-Kα）的X射线束，其频率和每个量子的能量？ E=hν=hc/λ 3．试述连续X射线谱与特征X射线谱产生的机理 连续X射线谱:从阴极发出的电子经高压加速到达阳极靶材时，由于单位时间内到达的电子数目极大，而且达到靶材的时间和条件各不相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因而出现连续变化的波长谱。 特征X射线谱: 从阴极发出的电子在高压加速后，如果电子的能量足够大而将阳极靶原子中内层电子击出留下空位，原子中其他层电子就会跃迁以填补该空位，同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来，结果得到具有固定能量，频率或固定波长的特征X射线。 4. 连续X射线谱强度随管电压、管电流和阳极材料原子序数的变化规律？ 发生管中的总光子数(即连续X射线的强度)与: 1 阳极原子数Z成正比; 2 与灯丝电流i成正比; 3 与电压V二次方成正比: I 正比于i Z V2 可见，连续X射线的总能量随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大 5. Kα线和Kβ线相比，谁的波长短？谁的强度高？
Kβ线比Kα线的波长短，强度弱 6．实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？ 实验中选择X射线管要避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管。 其选择原则是： Z靶≤Z样品+1 应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大2－6（尤其是2）的材料作靶材。 滤波片材料选择规律是： Z靶＜40时： Z滤＝Z靶－1 Z靶＞40时： Z滤＝Z靶－2 例如: 铁为主的样品，选用Co或Fe靶,不选用Ni或Cu靶；对应滤波片选择Mn 7. X射线与物质的如何相互作用的，产生那些物理现象？ X射线与物质的作用是通过X射线光子与物质的电子相互碰撞而实现的。 与物质作用后会产生X射线的散射（弹性散射和非弹性散射），X射线的吸收，光电效应与荧光辐射等现象 8. X射线强度衰减规律是什么？质量吸收系数的计算？ X射线通过整个物质厚度的衰减规律： I/I0 = exp(-μx) 式中I/I0称为X射线穿透系数，I/I0 ＜1。I/I0愈小,表示x射线被衰减的程度愈大。μ为线性吸收系数 μm表示，μm＝μ/ρ 如果材料中含多种元素，则μm＝Σμmi w i其中w i为质量分数 9．下列哪些晶面属于[111]晶带？ （111）、（3 21）、（231）、（211）、（101）、（101）、（133），（-1-10），（1-12）， （1- 32），（0-11），（212），为什么？
材料分析方法课后练习题参考答案 2015-1-4 BY：二专业の学渣 材料科学与工程学院
3.讨论下列各组概念的关系 答案之一 (1）同一物质的吸收谱和发射谱； 答：λk吸收〈λkβ发射〈λkα发射 (2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 答：λkβ发射（靶）〈λk吸收(滤波片)〈λkα发射（靶）。任何材料对X射线的吸收都有一个Kα线和Kβ线。如Ni 的吸收限为0.14869 nm。也就是说它对0.14869nm波长及稍短波长的X射线有强烈的吸收。而对比0.14869稍长的X射线吸收很小。Cu靶X射线:Kα=0.15418nm Kβ=0.13922nm。 (3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 答：Z靶≤Z样品+1 或Z靶>>Z样品 X射线管靶材的发射谱稍大于被照射试样的吸收谱，或X射线管靶材的发射谱大大小于被照射试样的吸收谱。在进行衍射分析时，总希望试样对X射线应尽可能少被吸收，获得高的衍射强度和低的背底。 答案之二 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 答：当构成物质的分子或原子受到激发而发光，产生的光谱称为发射光谱，发射光谱的谱线与组成物质的元素及其外围电子的结构有关。吸收光谱是指光通过物质被吸收后的光谱，吸收光谱则决定于物质的化学结构，与分子中的双键有关。 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 答：可以选择λK刚好位于辐射源的Kα和Kβ之间的金属薄片作为滤光片，放在X射线源和试样之间。这时滤光片对Kβ射线强烈吸收，而对Kα吸收却少。 6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？ 答：eVk=hc/λ Vk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv) λ0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm) 其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34 e为电子电荷，等于1.602×10-19c 故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。 7、名词解释：相干散射、非相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应 答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。 ⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
Ｘ射线：波长很短的电磁波 特征Ｘ射线：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。 连续Ｘ射线：是具有连续变化波长的X射线，也称多色X射线。 荧光Ｘ射线：当入射的X射线光量子的能量足够大时，可以将原子内层电子击出，被打掉了内层的受激原子将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出波长严格一定的特征X射线 二次特征辐射：利用X射线激发作用而产生的新的特征谱线 Ka辐射：电子由L层向K层跃迁辐射出的K系特征谱线 相干辐射：X射线通过物质时在入射电场的作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，称为相干散射 非相干辐射：散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，故这种散射是不相干的 俄歇电子：原子中一个K层电子被激发出以后，L层的一个电子跃迁入K层填补空白，剩下的能量不是以辐射 原子散射因子：为评价原子散射本领引入系数f (f≤E)，称系数f为原子散射因子。他是考虑了各个电子散射波的位相差之后原子中所有电子散射波合成的结果 结构因子：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响多重性因素：同一晶面族{ hkl}中的等同晶面数 系统消光：原子在晶体中位置不同或种类不同引起某些方向上衍射线消失的现象 吸收限 1 x射线的定义性质连续X射线和特征X射线的产生 X射线是一种波长很短的电磁波 X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。对动物有机体能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。 连续X射线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。 特征X射线处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。 2 x 射线方向理论布拉格方程和艾瓦尔德图解 3 试述解决X射线衍射方向问题常用方法有哪些并进行比较 4 简述材料研究X射线试验方法在材料研究中的主要应用 精确测定晶体的点阵常数物相分析宏观应力测定测定单晶体位相测定多晶的织够问题 5 试推导布拉格方程，解释方程中各符号的意义并说明布拉格方程的应用 假设： 1）晶体视为许多相互平行且d相等的原子面 2）X射线可照射各原子面 3）入射线、反射线均视为平行光 一束波长为λ的平行X射线以θ照射晶体中晶面指数为(hkl)的各原子面，各原子面产生反射。 当Ⅹ射线照射到晶体上时，考虑一层原子面上散射Ⅹ射线的干涉。 当Ⅹ射线以θ角入射到原子面并以θ角散射时，相距为a的两原子散射x射的光程差为： 即是说，当入射角与散射角相等时，一层原子面上所有散射波干涉将会加强。与可见光的反射定律相类似，Ⅹ射线从一层原子面呈镜面反射的方向，就是散射线干涉加强的方向，因此，常将这种散射称
第一章 一、选择题 1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是（） A.X射线透射学； B.X射线衍射学； C.X射线光谱学； D.其它 2. M层电子回迁到K层后，多余的能量放出的特征X射线称（） A.Kα； B. Kβ； C. Kγ； D. Lα。 3. 当X射线发生装置是Cu靶，滤波片应选（） A．Cu；B. Fe；C. Ni；D. Mo。 4. 当电子把所有能量都转换为X射线时，该X射线波长称（） A.短波限λ0； B. 激发限λk； C. 吸收限； D. 特征X射线 5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生（）（多选题） A.光电子； B. 二次荧光； C. 俄歇电子； D. （A+C） 二、正误题 1. 随X射线管的电压升高，λ0和λk都随之减小。（） 2. 激发限与吸收限是一回事，只是从不同角度看问题。（） 3. 经滤波后的X射线是相对的单色光。（） 4. 产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外，原子处于激发状态。（） 5. 选择滤波片只要根据吸收曲线选择材料，而不需要考虑厚度。（） 三、填空题 1. 当X射线管电压超过临界电压就可以产生X射线和X射线。 2. X射线与物质相互作用可以产生、、、、 、、、。 3. 经过厚度为H的物质后，X射线的强度为。 4. X射线的本质既是也是，具有性。 5. 短波长的X射线称，常用于；长波长的X射线称 ，常用于。 习题 1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？ 2.分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射； （3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 3.什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效应”、“发射谱
材料分析测试技术部分课后答案 太原理工大学材料物理0901 除夕月 1-1 计算0.071nm(MoKα)和0.154nm(CuKα)的X-射线的振动频率和能量。 ν=c/λ=3*108/(0.071*10-9)=4.23*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*4.23*1018=2.8*10-15 J ν=c/λ=3*108/(0. 154*10-9)=1.95*1018S-1 E=hν=6.63*10-34*2.8*1018=1.29*10-15 J 1-2 计算当管电压为50kV时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能. E=eV=1.602*10-19*50*103=8.01*10-15 J λ=1.24/50=0.0248 nm E=8.01*10-15 J(全部转化为光子的能量) V=(2eV/m)1/2=(2*8.01*10-15/9.1*10-31)1/2=1.32*108m/s 1-3分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射；
（3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。 答：根据经典原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，他们有一定的能量。最内层能量最低，向外能量依次增加。 根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以K?的能量大于Ka 的能量，Ka能量大于La的能量。 因此在不考虑能量损失的情况下： CuKa能激发CuKa荧光辐射；（能量相同） CuK?能激发CuKa荧光辐射；（K?>Ka） CuKa能激发CuLa荧光辐射；（Ka>la） 1-4 以铅为吸收体，利用MoKα、RhKα、AgKαX射线画图，用图解法证明式（1-16）的正确性。（铅对于上述Ⅹ射线的质量吸收系数分别为122.8，84.13，66.14 cm2／g）。再由曲线求出铅对应于管电压为30 kv条件下所发出的最短波长时质量吸收系数。 解：查表得 以铅为吸收体即Z=82 Kαλ3 λ3Z3 μm Mo 0.714 0.364 200698 122.8 Rh 0.615 0.233 128469 84.13 Ag 0.567 0.182 100349 66.14 画以μm为纵坐标，以λ3Z3为横坐标曲线得K≈8.49×10-4，可见下图 铅发射最短波长λ0＝1.24×103/V＝0.0413nm λ3Z3＝38.844×103 μm = 33 cm3/g 1-5. 计算空气对CrKα的质量吸收系数和线吸收系数（假设空气中只有质量分数80％的氮和质量分数20％的氧，空气的密度为1.29×10-3g／cm3）。 解：μm=0.8×27.7＋0.2×40.1=22.16+8.02=30.18（cm2/g） μ=μm×ρ=30.18×1.29×10-3=3.89×10-2 cm-1 1-6. 为使CuKα线的强度衰减1／2，需要多厚的Ni滤波片？（Ni的密度为8.90g／cm3）。1-7. CuKα1和CuKα2的强度比在入射时为2：1，利用算得的Ni滤波片之后其比值会有什么变化？ 解：设滤波片的厚度为t 根据公式I/ I0=e-Umρt；查表得铁对CuKα的μm＝49.3（cm2/g）,有：1/2=exp(-μmρt) 即t=-(ln0.5)/ μmρ=0.00158cm 根据公式：μm=Kλ3Z3，CuKα1和CuKα2的波长分别为：0.154051和0.154433nm ，所以μm=K
材料分析方法 1．x射线是一种波长很短的电磁波，具有波粒二相性，粒子性往往表现突出，故x射线也可视为一束具有一定能量的光量子流。X射线有可见光无可比拟的穿透能力，可使荧光物质发光，可使气体或其它物质电离等。 2．相干散射：亦称经典散射，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。 3．不相干散射：亦称量子散射，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。 4．吸收限：物质原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降，但随着波长的的降低，质量吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。 5．荧光辐射：由入射X射线所激发出来的特征X射线称为荧光辐射（荧光X 射线，二次X射线）。 6．俄歇效应：由于光电效应而处于激发态的原子还有一种释放能量的方式，及俄歇效应。原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子放出，而是以另一个L层电子活的能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子。 7．光电子：当入射光量子的能量等于或大于吸收体原子某壳体层电子的结合能时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，称为光电子。原子则处于激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应。8．滤波片的作用：滤波片是利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成的，用以吸收不需要的辐射而得到基本单色的光源。 9．布拉格方程只是获得衍射的必要条件而非充分条件。 10．晶面（hkl）的n级反射面（nh nk nl），用符号（HKL）表示，称为反射面或干涉面。 11．掠射角是入射角（或反射角）与晶面的夹角，可表征衍射的方向。 12．衍射极限条件：在晶体中，干涉面的划取是无极限的，但并非所有的干涉面均能参与衍射，因存在关系dsinθ=λ/2,或d>=λ/2,说明只有间距大于或等于X 射线半波长的那些干涉面才能参与反射。 13．劳埃法：采用连续X射线照射不动的单晶体，因为X射线的波长连续可变，故可从中挑选出其波长满足布拉格关系的X射线使产生衍射。 14．周转晶体法：采用单色X射线照射转动的单晶体，并用一张以旋转轴为轴的圆筒形底片来记录。 15．粉末法：采用单色X射线照射多晶体，试样是由数量众多、取向混乱的微晶体组成。 16．吸收因数：由于试样本身对X射线的吸收，使衍射强度的实测值与计算值不符，为了修正这一影响，则在强度公式中乘以吸收因数。 17．温度因数：原子热振动使晶体点阵原子排列的周期性受到破坏，使得原来严格满足布拉格条件的相干散射产生附加的相差，从而使衍射强度减弱。为修正实验温度给衍射强度带来的影响，需要在积分强度公式中乘以温度因数。
第十四章 1、波谱仪和能谱仪各有什么优缺点 优点:1）能谱仪探测X射线的效率高。 2）在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 3）结构简单，稳定性和重现性都很好 4）不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。 缺点：1）分辨率低。 2）能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。 3）能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。 分析钢中碳化物成分可用能谱仪；分析基体中碳含量可用波谱仪。 2、举例说明电子探针的三种工作方式（点、线、面）在显微成分分析中的应用。 答：(1)、定点分析：将电子束固定在要分析的微区上用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；
用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。 (2)、线分析：将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。 (3)、面分析：电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。 3、要在观察断口形貌的同时，分析断口上粒状夹杂物的化学成分，选用什么仪器用怎样的操作方式进行具体分析 答：（1）若观察断口形貌，用扫描电子显微镜来观察：而要分析夹杂物的化学成分，得选用能谱仪来分析其化学成分。 (2)A、用扫描电镜的断口分析观察其断口形貌：
1球差、像散和色差是怎样造成的？如何减小这些像差？哪些是可消除的像差？ 答：1.球差即球面像差，是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力能力不符合预定规律而造成的。一个物点散射的电子束经过具有球差的电磁透镜后并不聚在一点，所以像平面上得到一个弥散圆斑，在某一位置可获得最小的弥散圆斑，成为弥散圆。还原到物平面上，则半径为r s=1/4 C sα3r s为半径，Cs为透镜的球差系数，α为透镜的孔径半角。所以见效透镜的孔径半角可减少球差（决定分辨率的像差因素）。2，色差是由于入射电子的波长（能量）的非单一性所造成的。一个物点散射的具有不同波长的电子，进入透镜磁场后将沿各自的轨道运动，结果不能聚焦在一个像点上，而分别交在一定的轴向范围内，形成最小色差弥散圆斑，半径为r c=C c α|△E/E|,C c为透镜色差系数，α为透镜孔径半角，△E/E为成像电子束能量变化率。所以减小△E/E(稳定加速电压)、α 可减小色差。 3,像散是由于透镜磁场的非旋转对称而引起的(极靴内孔不圆、上下极靴不同轴、材质磁性不均及污染)。消像散器。 3什么是分辨率，影响透射电子显微镜分辨率的因素是哪些？ 答：分辨率：两个物点通过透镜成像，在像平面上形成两个爱里斑，如果两个物点相距较远时，两个Airy 斑也各自分开，当两物点逐渐靠近时，两个Airy斑也相互靠近，直至发生部分重叠。根据Load Reyleigh 建议分辨两个Airy斑的判据：当两个Airy斑的中心间距等于Airy斑半径时，此时两个Airy斑叠加，在强度曲线上，两个最强峰之间的峰谷强度差为19%，人的肉眼仍能分辨出是两物点的像。两个Airy斑再相互靠近，人的肉眼就不能分辨出是两物点的像。通常两Airy斑中心间距等于Airy斑半径时，物平面相应的两物点间距成凸镜能分辨的最小间距即分辨率。Δr0=0.61λ/Nsinα（N为介质的相对折射系数）影响透射电镜分辨率的因素主要有：1）衍射效应：airy斑，只考虑衍射效应，在照明光源及介质一定时，孔径角越大，分辨率越高。 2）像差（球差、像散、色差）：选择最佳孔径半角；提高加速电压（减小电子束波长）；减小球差系数。4有效放大倍数和放大倍数在意义上有何区别？ 有效放大倍数是把显微镜最大分辨率放大到人眼的分辨本领（0.2mm），让人眼能分辨的放大倍数。 放大倍数是指显微镜本身具有的放大功能，与其具体结构有关。放大倍数超出有效放大倍数的部分对提高分辨率没有贡献，仅仅是让人观察得更舒服而已，所以放大倍数意义不大。显微镜的有效放大倍数、分辨率才是判断显微镜性能的主要参数。 12深入而详细地比较X-ray衍射和电子衍射的异同点。指出各自的应用领域及其分析特点。列举其它结构分析仪器及其应用。 1)相同点：衍射原理相似，都遵从衍射产生的必要条件（布拉格方程）和系统消光规律。得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。 2)相异点：（1）电子波的波长短得多，在同样满足布拉格条件时，衍射角θ很小，约10-2rad。而X-ray产生衍射时，其衍射角最大可接近π/2;（2）在进行电子衍射操作时用薄晶样品(XRD一般用晶态固体)，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射;（3）因为电子波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球半径很大，在θ较小的范围内反射球的球面可近似看成一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分在二维倒易截面内。这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观地反映，晶体内各晶面的位向，更方便于分析;（4）原子对电子的散射能力远高于X-ray（约高出四个数量级），故电子衍射束的强度更强，适合微区分析，摄取衍射花样时暴光时间仅需数秒；（5）由于物质对电子的散射作用很强，因而电子束穿透物质的能力大大减弱，故电子只适于材料表层或薄膜样品的结构分析；（6）透射电子显微镜上配置选区电子衍射装置，使得薄膜样品的结构分析与形貌有机结合起来，这是X射线衍射无法比拟的特点。 电子衍射应用的领域：物相分析和结构分析；确定晶体位向；确定晶体缺陷的结构及其晶体学特征。 X-ray衍射应用的领域：物相分析，应力测定，单晶体位向，测定多晶体的结构，最主要是物相定性分析。X射线的透射能力比较强，辐射厚度也比较深，约为几um到几十um，并且它的衍射角比较大，使XRD 适宜于固态晶体的深层度分析。 13倒易空间：某一倒易矢量垂直于正点阵中和自己异名的二基本矢量组成的平面。 性质：正倒点阵异名基本矢量点乘为0，同名点乘为1；倒易矢量ghkl=ha’+kb’+lc’,hkl为正点阵中的晶面指数，表明倒易矢量垂直于正点阵中相应的（hkl）晶面，倒易点阵中一个点代表的是正点阵中的一组晶面；倒易矢量的长度等于正点阵中相应晶面间距的倒数；在立方点阵中，晶面法向和同指数的晶向是平行的，即倒易矢量与相应指数的晶向[hkl]平行。 14用爱瓦尔德图解法证明布拉格定律。
一、名词解释（30分，每题3分） 1）短波限: 连续X 射线谱的X 射线波长从一最小值向长波方向伸展，该波长最小值称为短波限。P7。 2）质量吸收系数 指X 射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量，这样就摆脱了密度的影响，成为反映物质本身对X 射线吸收性质的物质量。P12。 3）吸收限 吸收限是指对一定的吸收体，X 射线的波长越短，穿透能力越强，表现为质量吸收系数的下降，但随着波长的降低，质量吸收系数并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。每种物质都有它本身确定的一系列吸收限。P12。 4）X 射线标识谱 当加于X 射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值k U 时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，故称为X 射线标识谱。P9。 5）连续X 射线谱线 强度随波长连续变化的X 射线谱线称连续X 射线谱线。P7。 6）相干散射 当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇，光量子不足以使原子电离，但电子可在X 射线交变电场作用下发生受迫振动，这样的电子就成为一个电磁波的发射源，向周围辐射与入射X 射线波长相同的辐射，因为各电子所散射的射线波长相同，有可能相互干涉，故称相干散射。P14。 7）闪烁计数器 闪烁计数器利用X 射线激发磷光体发射可见荧光，并通过光电管进行测量。P54。 8）标准投影图 对具有一定点阵结构的单晶体，选择某一个低指数的重要晶面作为投影面，将各晶面向此面所做的极射赤面投影图称为标准投影图。P99。 9）结构因数 在X 射线衍射工作中可测量到的衍射强度HKL I 与结构振幅2 HKL F 的平方成正比，结构振幅
1. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足什么公式？写出数学表达式，并说明d、θ、λ的意义。（5分） 答：. X射线衍射的几何条件是d、θ、λ必须满足布拉格公式。（1分）其数学表达式：2dsinθ=λ（1分）其中d是晶体的晶面间距。（1分）θ是布拉格角，即入射线与晶面间的交角。（1分）λ是入射X 射线的波长。（1分） 4. 二次电子是怎样产生的？其主要特点有哪些？二次电子像主要反映试样的什么特征？用什么衬度解释？该衬度的形成主要取决于什么因素？（6分） 答：二次电子是单电子激发过程中被入射电子轰击出的试样原子核外电子。（1分） 二次电子的主要特征如下： （1）二次电子的能量小于50eV，主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高。（1分） （2）二次电子发射系数δ与入射束的能量有关，在入射束能量大于一定值后，随着入射束能量的增加，二次电子的发射系数减小。（1分） （3）二次电子发射系数δ和试样表面倾角θ有关：δ(θ)=δ0/cosθ（1分） （4）二次电子在试样上方的角分布，在电子束垂直试样表面入射时，服从余弦定律。（1分） 二此电子像主要反映试样表面的形貌特征，用形貌衬度来解释，形貌衬度的形成主要取决于试样表面相对于入射电子束的倾角。（1分） 2. 布拉格角和衍射角： 布拉格角：入射线与晶面间的交角，（1.5 分） 衍射角：入射线与衍射线的交角。（1.5 分） 3. 静电透镜和磁透镜： 静电透镜：产生旋转对称等电位面的电极装置即为静电透镜，（1.5 分） 磁透镜：产生旋转对称磁场的线圈装置称为磁透镜。（1.5 分） 4. 原子核对电子的弹性散射和非弹性散射： 弹性散射：电子散射后只改变方向而不损失能量，（1.5 分） 非弹性散射：电子散射后既改变方向也损失能量。（1.5 分） 二、填空（每空1 分，共20 分） 1. X 射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 2.扫描仪的工作方式有连续扫描和步进扫描两种。 3. 在X 射线衍射物相分析中，粉末衍射卡组是由粉末衍射标准联合 委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF 卡片。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5.透射电子显微镜的结构分为光学成像系统、真空系统和电气系统。 1. X射线管中，焦点形状可分为点焦点和线焦点，适合于衍射仪工作的是线焦点。 2. 在X 射线物象分析中，定性分析用的卡片是由粉末衍射标准联合委员会编制，称为JCPDS 卡片，又称为PDF(或ASTM) 卡片。 3. X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉晶法和衍射仪法。 4. 电磁透镜的像差有球差、色差、轴上像散和畸变。 5. 电子探针是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析。 二、选择题（多选、每题4 分） 1. X射线是（ A D ） A. 电磁波； B. 声波； C. 超声波； D. 波长为0.01~1000?。 2. 方程2dSinθ=λ叫（ A D ） A. 布拉格方程； B. 劳厄方程； C. 其中θ称为衍射角； D. θ称为布拉格角。 3. 下面关于电镜分析叙述中正确的是（ B D ） A. 电镜只能观察形貌； B. 电镜可观察形貌、成分分析、结构分析和物相鉴定； C．电镜分析在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，与分辨率无关； D．电镜在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，分辨率高。
材料现代分析方法试题5 材料学院材料科学与工程专业年级班级材料现代分析方法课程200—200学年第学期（）卷期末考试题（ 120 分钟） 考生姓名学号考试时间 题号得分分数 主考教师：阅卷教师： 材料现代分析方法试题5（参考答案） 一、基本概念题（共10题，每题5分） 1．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流是多少？ 答：1.5kW/35kV=0.043A 2．证明（）、（）、（）、（01）、（12）晶面属于[111]晶带。 答：根据晶带定律公式Hu+Kv+Lw=0计算 （）晶面：1×1+1×+0×1=1—1+0=0 （）晶面：1×1+1×+1×1=1—2+1=0 （）晶面：×1+2×1+1×1=（—3）+2+1=0 （01）晶面：0×1+×1+1×1=0+（—1）+1=0 （12）晶面：1×1+×1+1×2=1+（—3）+2=0 因此，经上五个晶面属于[111]晶带。 3．当X射线在原子例上发射时，相邻原子散射线在某个方向上的波程差若不为波长的整数倍，则此方向上必然不存在放射，为什么？
答：因为X射线在原子上发射的强度非常弱，需通过波程差为波长的整数倍而产生干涉加强后才可能有反射线存在，而干涉加强的条件之一必须存在波程差，且波程差需等于其波长的整数倍，不为波长的整数倍方向上必然不存在反射。4．某一粉末相上背射区线条与透射区线条比较起来，其θ较高抑或较低？相应的d较大还是较小？ 答：背射区线条与透射区线条比较θ较高，d较小。 产生衍射线必须符合布拉格方程2dsinθ=λ，对于背射区属于2θ高角度区， 根据d=λ/2sinθ，θ越大d越小。 5．已知Cu3Au为面心立方结构，可以以有序和无序两种结构存在，请画出其有序和无序结构[001]晶带的电子衍射花样，并标定出其指数。 答：如图所示： 6．（1）试说明电子束入射固体样品表面激发的主要信号、主要特点和用途。（2）扫描电镜的分辨率受哪些因素影响? 给出典型信号成像的分辨率，并说明原因。（3）二次电子（SE）信号主要用于分析样品表面形貌，说明其衬度形成原理。（4）用二次电子像和背散射电子像在显示表面形貌衬度时有何相同与不同之处? 答：（1）背散射电子:能量高；来自样品表面几百nm深度范围；其产额随 原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。 二次电子:能量较低；来自表层5－10nm深度范围；对样品表面状态十分敏感.不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。
名词解释 1.物相：成分和结构完全相同的部分才称为同一个相； 2.K系辐射：K电子被打出K层时，此时外层如L，M，N……层电子来填充K空位时，则产生K系辐射； 3.相干干涉：.由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射； 4.非相干散射：X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变，散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，称为非相干散射。 5.荧光辐射：当X射线光量子具有足够高的能量时，可以将被照射物质原子中内层电子激发出来，使原子处于激发状态，通过原子中壳层上电子跃迁，辐射出X射线特征谱线，叫做二次辐射，也叫荧光辐射。 6.吸收限：激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移至无穷 ，λk为产生K系激发的最长波长，称远时所作的功WK，入射X射线波长必须满足λk≤1.24 V k 为K系辐射的激发限。 7.俄歇效应：K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应。 8.结构因子：单位晶胞中所有原子散射波叠加的波即为结构因子，用F表示。 9. 透射电子：如果样品足够薄(1μm以下)，透过样品的入射电子为透射电子，其能量近似于入射电子能量。 10. 二次电子：当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这个脱离原子的电子称为二次电子。 11. 背散射电子：在弹性和非弹性散射中，被固体样品原子反弹回来的一部分入射电子。 12. 吸收电子：当样品较厚时，入射电子中的一部分在样品内经多次非弹性散射后，能量耗尽，既无力穿透样品，也不能逸出表面，称为吸收电子。 13. 特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X 射线释放出来
材料现代分析方法试题7（参考答案） 一、基本概念题（共10题，每题5分） 1．欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？ 答：欲使Cu 样品产生荧光X 射线辐射，V =1240/λCu=1240/0.15418=8042，V =1240/λCu=1240/0.1392218=8907 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 激发出荧光辐射的波长是0.15418nm 2．判别下列哪些晶面属于[-111]晶带：（-1-10），（-2-31），（231），（211），（-101），（1-33），（1-12），（1-32），（0- 11），（212）。 答：（-1-10）（321）、（211）、（1-12）、（-101）、（0-11）晶面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。答：（-1-10）（321）、（211）、（1-12）、（-101）、（0-11）晶面属于[111]晶带，因为它们符合晶带定律：hu+kv+lw=0。 3．用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成什么图案？为摄取德拜图相，应当采用什么样的底片去记录？ 答：用单色X 射线照射圆柱多晶体试样，其衍射线在空间将形成一组锥心角不等的圆锥组成的图案；为摄取德拜图相，应当采用带状的照相底片去记录。 4．洛伦兹因数是表示什么对衍射强度的影响？其表达式是综合了哪几方面考虑而得出的？ 答：洛伦兹因数是表示掠射角对衍射强度的影响。洛伦兹因数表达式是综合了样品中参与衍射的晶粒大小，晶粒的数目和衍射线位置对衍射强度的影响。 5．给出简单立方、面心立方、体心立方以及密排六方晶体结构电子衍射发生消光的晶面指数规律。 答：常见晶体的结构消光规律 简单立方 对指数没有限制（不会产生结构消光） f. c. c h. k. L. 奇偶混合 b. c. c h+k+L=奇数 h. c. p h+2k=3n, 同时L=奇数 体心四方 h+k+L=奇数 6．透射电镜的成像系统的主要构成及特点是什么? k k k V eV hc 24.1==λk eV hc ≤λ
第一章X 射线物理学基础 1、在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7 种元素，根据它们的特征谱波长（Kα），用图解法验证莫塞莱定律。（答案略） 2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？ 答：1.5KW/35KV=0.043A。 4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t 6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？ 答：eVk=hc/λ Vk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv) λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm) 其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34 e为电子电荷，等于1.602×10-19c 故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。 7、名词解释：相干散射、非相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应 答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。 ⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。 ⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。或二次荧光。 ⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。 ⑸原子钟一个K层电子被光量子击出后，L层中一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量使L层中另一个电子获得能量越出吸收体，这样一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应。 第二章X 射线衍射方向 2、下面是某立方晶第物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序重新排列：（123），（100），（200），（311），（121），（111），（210），（220），（130），（030），（221），（110）。
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目录 第一章材料X射线衍射分析----------------------------------------------------------------------------1 第二章X射线衍射方向----------------------------------------------------------------------------------1 第三章X射线衍射强度----------------------------------------------------------------------------------2 第四章多晶体分析方法----------------------------------------------------------------------------------3 第八章电子光学基础-------------------------------------------------------------------------------------4 第九章透射电子显微镜----------------------------------------------------------------------------------5 第十章电子衍射-------------------------------------------------------------------------------------------7 第十一章晶体薄膜衍衬成像分析----------------------------------------------------------------------8 第十三章扫描电子显微镜-------------------------------------------------------------------------------10 第十五章电子探针显微分析----------------------------------------------------------------------------10
贵州大学2009-2010学年第二学期考试试卷 A 材料分析方法 一、名词解释（共12分,每小题3分） 相干散射、激发限、系统消光、结构因子、球差、景深、焦长、衍射衬度、暗场像、二次电子、化学位移 1. 荧光辐射 2. 倒易矢量 3. 结构因子 4. 明场像 二、填空题（共27分,每空1分） 1．用于衍射分析的X射线的波长范围为。 2．波长和频率是描述X射线性的物理参量，能量和动量则是描述X射线性的物理参量。 3. Kα特征谱线是原子中壳层的电子跃迁到K壳层产生的，它的强度约是Kβ的 倍。 4. 已知X射线管是钴靶，应选择的滤波片材料是。 5. 当波长为λ的X射线照射到晶体上发生衍射，相邻两个（hkl）晶面的波程差是， 相邻两个（HKL）晶面的波程差是。 6. 面心立方结构晶体产生消光的晶面指数条件为。 7. X射线衍射仪测样时，测角仪的计数管支架转速与样品转速之比为。 8. 粉末法的厄瓦尔德图解法解释中,衍射圆锥的顶点代表试样所在位置,轴代表 ,母线代表。
9.多晶体X 射线衍射分析方法主要是 和 两种。 10.电磁透镜的像差中，可以控制或消除的是 和 。 11. 透射电镜的成像衬度中，由样品不同部位的厚度和密度差别而形成的衬度称为 ，由样品不同部位衍射效应不同而形成的衬度称为 。 12. 薄膜样品制备过程中的最终减薄方法有 和 。 13. 若扫描电镜的荧光屏尺寸A C =100mm ，电子束在样品上的扫描振幅A S =0.01mm ，则扫 描电镜此时的放大倍数为 倍。 14. 扫描电镜的两种常用成像信号中，既反映表面形貌衬度又反映原子序数衬度的是 。 15. 波谱仪是 ， 能谱仪是 。 16. X 射线光电子能谱分析中，导电固体样品产生光电效应时的光电方程表达式为 。 17. 扫描隧道显微镜的成像信号为 ，而原子力显微镜是通过检测针尖—样品间的 来成像的。 三、问答题（共35分） 1. (8分)（1）推导布拉格方程；（2）为什么说衍射方向反映了晶胞的形状和大小。 2. (9分)X 射线衍射线的强度公式为M c e A P F V V c m e R I I 2222242430)(cos sin 2cos 132-+=θθ θθπλ， (1)说明五个影响因子的名称及含义。 (2)对立方系晶体,P 200为多少?若为正方系晶体,P 200为多少?并写出所包含的晶面指数。 3. (6分)为什么透射电镜既可做电子衍射又可观察电子衍衬像？ 4. (5分)对于理想晶体，其薄膜样品的楔形边缘处的衍衬像有何特征？并用运动学理论公式加以解释。