材料分析方法

2021-03-03 21:24:11 字數 5903 閱讀 2126

第一章 x射線

1、x射線的性質(考過該題)

答:1、肉眼不可見,能使空氣電離,能感光,能穿透物體;

2、呈直線傳播,在電場和磁場中不發生偏轉,穿過物體時部分被散射;

3、對動物和有機體能產生巨大、生理影響,能殺傷生物細胞。

4、具有波粒二象性:

2、x射線的產生(重點)

答:產生:由於高速運動的電子轟擊物質後,與該物質中的原子相互作用發生能量轉移,損失的能量通過兩種形式釋放出x射線。

一種形式是高能電子擊出原子的內層電子產生乙個空位,當外層電子躍入空位時,損失的能量以表徵該原子特徵的x射線釋放。另一形式則是高速電子受到原子核的強電場作用被減速,損失的能量以波長連續變化的x射線形式出現。因此產生x射線的基本條件是:

①產生帶電粒子;②帶電粒子作定向高速運動;③在帶電粒子運動的路徑上設定使其突然減速的障礙物。

連續x射線——帶電粒子加速或減速運動時發生電磁場劇變,產生大量的電磁波具有連續的各種波長,形成連續x射線。

特徵x射線——當x射線管兩端電壓增高到與陽極靶材相應的某一特定值uk時,在連續譜某些特定波長位置上,會出現一系列強度很高、波長範圍很窄、能表徵陽極靶材的特徵的線狀光譜。

3、x射線譜的性質:(圖p8)重點

答:1)當提高管電壓u時(i、z不變),各波長x射線的強度一致提高,短波限λswl和強度最大值對應的λm減小;

2) 當保持管電壓一定,提高管電流i,各波長x射線強度一致提高,但λswl和λm不變;

3)在相同的管電壓和管電流下,陽極靶材的原子敘述z越高,連續譜的輕度越大,但λswl和λm相同。

特徵譜線的波長不受管電壓、管電流的影響,只取決於陽極靶材元素原子序數。

4、x射線與物質的相互作用(理解)

圖2.2 x射線的產生及其物質的相互作用

5、x射線的應用:

36、名詞解釋:真吸收、相干散射、不相干散射、螢光輻射、吸收限、俄歇效應。

真吸收:光電效應所造成的入射能量消耗即為真吸收;

相干散射:當入射線與原子內受核束縛較緊的電子相遇,光量子能量不足以使原子電離,但電子可在x射線交變電場作用下發生受迫振動,這樣的電子就成為乙個電磁波的發射源,向周圍輻射與入射x射線波長相同的輻射,因為各電子所散射的射線波長相同,有可能相互干涉,故稱相干散射。

不相干散射:能量為hv的光子與自由電子或受核束縛較弱的電子碰撞,將有一部分能量給予電子,使其動能提高,成為反衝電子,光子損失了能量,並改變了運動的方向,能量減少為hv',顯然v'<v,這即是不相干散射,

螢光輻射:由入射x射線所激發出來的特徵x射線稱螢光輻射。

俄歇效應:即由入射x射線使原子l層電子躍遷至k層,而躍遷能量激發l層電子溢位俄歇電子。(考過該題)

吸收限:x射線雖然有很強的透射作用,但是經試驗證明,x射線通過深度為x處的dx厚度物質其強度的衰減dix/dx與dx成正比,即

t': 'latex', 'orirawdata': '\\frac}}=μ_dx', 'altimg':

'effadfdbab641fe4a5019182f24b67bf.png', 'w': '105', 'h':

'49式1.1

μl為線吸收係數,表明物質對x射線的吸收特徵,與密度無關。式1.1經積分得(積分限0~t):

t': 'latex', 'orirawdata': '\\frac}=e^t}', 'altimg':

'50d5cde634e18b52cb03a53fff0644a0.png', 'w': '77', 'h':

'46式1.2

[}', 'altimg': '8c439c55f0da9d367a2b174684cb601b.png', 'w':

'20', 'h': '46'}]稱為透射係數,i為透射過物質後的x射線強度,i0為入射x射線強度,因為不同物質的μl不同,故不同物質的透射係數也不同。

第二章 x射線衍射方向

1、 布拉格角、衍射角概念:

答:x射線照射到晶體表面並發生衍射,入射線與晶面的夾角θ稱為布拉格角。入射線與衍射線之間的夾角為2θ,稱為衍射角。

2、 布拉格方程匯出過程:(p26)

設一束平行的入射波(波長λ)以θ角照射到(hkl)的原子面上,各原子面產生反射。圖7。2中pa和qa』分別為照射到相鄰兩個乎行原子面的入射線,它們的「反射線」分別為ap』和a』q』,則光程差為

只有光程差為波長λ的整數倍時,相鄰晶面的「反射被」才能干涉加強形成衍射線,所以產生衍射的條件為 2dsinθ=nλ(布拉格方程)

這就是著名的布拉格公式,其中,n=0,1,2,3…,稱為衍射級數,對於確定的晶面和入射

電子波長,n越大,衍射角越大。θ角稱為布拉格角,而入射線與衍射線的交角2θ稱為衍射角。

3、 布拉格方程的物理意義:

答:x射線在晶體中的衍射必須滿足布拉格方程,即布拉格方程為我們指出x射線在晶體中可能發生衍射的方向。

4、 布拉格方程的應用:(考過該題)

答:從試驗上可有兩方面應用:(1)用已知波長的x射線去照射未知結構的晶體,通過衍射角的測量求得晶體中各晶面的面間距d,從而解釋晶體的結構,即結構分析;

(2)用已知面間距的晶體來反射從樣品發射出來的x射線,通過衍射角的測量求得x射線的波長,即x射線光譜學。即可進行光譜結構研究,從x射線波長尚可確定試樣的組成元素(如電子探針設計原理源於此)。

5、 布拉格方程極限條件討論的應用?

答:|sinθ|≤1,而由於dsinθ=λ/2,推出d≥λ/2,表示式說明只有間距大於或等於x射線半波長的那些干涉面才能參與反射。很明顯,當採用短波x射線照射時,能參與反射的干涉面將會增多。

6、 晶體x射線衍射有幾種方法?異同點有哪些(任意兩個比較)?那種方法常用?

答:有勞埃法、周轉晶體發和粉末法。介紹一下勞埃法和粉末法的異同:

相同點:都必須滿足布拉格方程進行衍射,都採用底片照射衍射斑,並最後通過衍射斑進行分析。

不同點:1)勞埃法採用連續x射線,而粉末法採用單色x射線;2)勞埃法照射單晶樣本,而粉末法照射多晶體;3)勞埃法底片平展,粉末法底片為一張一旋轉軸為軸的圓筒形底片;4)勞埃法用於單晶體取向測定及晶體對稱性研究,粉末法用於測定晶體結構,進行物相定性、定量分析和晶粒大小測定等工作。

粉末法最常用

7、用愛瓦爾德球法證明布拉格方程(考過該題)。

第三章 x射線衍射強度

1、 衍射線相對積分公式中各因數的物理意義?

答:衍射線相對積分公式:[2θ}θ\\cos θ}a(θ)e^\\beginf_\\end^', 'altimg':

'8728383692d81b488fc6b5edc839bd40.png', 'w': '316', 'h':

'44'}]

2、 結構因數物理意義?

答:結構因數表徵了晶體結構對衍射影響的能力。只與原子種類及在單胞中的位置有關,而不受單胞的形狀和大小的影響。

[f_\\end^=\\begin\\sum\\limits_^\\cos 2ππ((hx_+ky_+lz_)}\\end^+\\begin\\sum\\limits_^\\sin 2ππ((hx_+ky_+lz_)}\\end^', 'altimg': 'e91f38b414613373e13c0996d64569fa.png', 'w':

'676', 'h': '88'}]

n—— 原子數目

(x,y,z)——原子位置座標 fj——各原子散射因數(反映元素種類)

(h,k,l)——干涉面指數fhkl|——結構振幅,反映單胞散射能力的參量

3、 幾種常見同種元素組成晶體結構因數推導?(p33-35)

答:將原子座標代入第2題公式,計算衍射面指數平方和之比。

1)簡單點陣:座標為(0,0,0)。比值為1:2:3:4:5:6:8:9…

2)體心點陣:座標為(0,0,0)、(1/2,1/2,1/2)。當h+k+l=奇數時,[f_\\end^=f^(11)=0', 'altimg':

'a398693a66259598374b153e3226341b.png', 'w': '185', 'h':

'30'}],即該種晶面的散射強度為零,該種晶面的衍射線不能出現。當h+k+l=偶數時,[f_\\end^=f^(1+1)^=4f^', 'altimg': 'e61dee49a3e9584c48368cae1fd4154f.

png', 'w': '210', 'h': '30'}],即體心點陣只有指數和為偶數的晶面可產生衍射,平方和比為1:

2:3:4:

5…。3)麵心點陣:座標為(0,0,0)、(0,1/2,1/2)、(1/2,0,1/2)、(1/2,1/2,0)。

當h、k、l全為奇數或全為偶數時,有[f_\\end^=f^(1+1+1+1)^=16f^', 'altimg': 'dc2de11b85d9f501dcaf21b1127729f1.png', 'w':

'276', 'h': '30'}],能產生衍射,比值為3:4:

8:11:12:

16…;當h、k、l為奇偶混雜時(2個奇數1個偶數或2個偶數1個奇數),有[f_\\end^=f^(11+11)^=0', 'altimg': 'd76a43467502b1003e0bdd3d3880f810.png', 'w':

'247', 'h': '30'}],不能產生衍射。

4、 簡單非同種元素組成晶體結構因數推導?

答:例如cube,晶體型別為簡單立芳點陣,原子座標為cu:(0,0,0)、be:

(1/2,1/2,1/2)。得到:[f_\\end^=[f_+f_\\cos π(h+k+l)]^', 'altimg':

'69cf99b90a9870d1b4f2496322a2daf8.png', 'w': '310', 'h':

'32'}]。

討論:h+k+l=奇數,[f_\\end^=[f_f_]^', 'altimg': 'f8911891931d3090219cfbb157b823ae.

png', 'w': '173', 'h': '32'}];

h+k+l=偶數,[f_\\end^=[f_+f_]^', 'altimg': '2d577940a19844dc2138f3f0406a60b4.png', 'w':

'173', 'h': '32'}]。

第四章多晶體分析法

1、德拜相機底片的安裝方法有哪些?各自的優缺點是什麼?

答:1)正裝法 x射線從底片介面處射入,照射試樣後從中心孔穿出。低角的弧線較接近中心孔,高腳的線則靠端部。

高腳線條有較高的分辨本領。正裝法幾何關係與計算均較簡單,可用於一般物相分析工作。

2)反裝法 x射線從底片中心孔穿入,從底片介面處穿出。反裝法的高腳線均集中在孔眼附近,故除θ角極高的線條可被光闌遮擋外,幾乎全部可被記錄。高腳線對距離較短,由於底片收縮所造成的誤差小,適用於點陣引數的測定。

3)偏裝法在底片上開兩個孔,x射線先後從此兩空通過,衍射線條形成圍繞進出光控的兩組弧對。此法除具有反裝法的優點外,尚可直接從底片測量計算處相機的真實圓周長,從而消除了由於底片的收縮或相機名義半徑不準確而引起的誤差。

2、德拜相的誤差**及修正?(p45-46)

答:1)試樣吸收誤差試樣對x射線吸收使衍射線偏離理論位置造成的誤差。修正公式:2l0=2l外緣-2ρ。

2)底片伸縮誤差相機直徑製造不准或底片未貼近相機內腔,或底片在顯影定影及乾燥過程中收穫或伸長造成的半徑不准引起的誤差。修正公式: [}2l_=k2l', 'altimg':

'e6c8a89b1ad6b82ab956e9c5bf04f34e.png', 'w': '167', 'h':

'46'}]; k對於某一底片有恆定數值。

2、根據德拜相標定晶體結構的一般過程?(p46-48)(考過該題)

答:1)對弧線個弧對標號(底片中心畫一基準線,從低角區標起);

2)任選兩個弧對測量相機有效周長c0=a+b;

3)測量並計算弧對間距,並計算θ;

4)計算d,應用布拉格公式:[', 'altimg': '2618d29cd57682f24154e7f4e291abff.

png', 'w': '85', 'h': '43'}]

5)用最黑一條線定位強度為100%,逐一確定其他衍射線相對強度;

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