材料分析测试技术-部分课后答案.docx
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1、高等学校经典畅销教材材料分析测试技术材料X射线衍射芍电子是微分析(第2版)周玉默离集m三ANALYSISMETHODSINMATERIALSSCIENCE料析试术部后案原工学料理01夕材分测技局课答太理大材物09除计-I-B0.07Inm(MoKa)和0.154nm(CuKa)的X射线的振动频率和能量。v=c=3*108(0.071*10-9)=4.23*10,8S1E=hv=6.63*10-34*4.23*10l8=2.8*10l5Jv=c=3*108(0.154*10-9)=1.95*10l8S1E=hv=6.63*10m*2.8*IO18=I.29*IO15J1-2计算当管电压为50kV
2、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*1019*50*lO3=8.Ol*10,5J=1.24/50=0.0248nmE=8.01*10/5j(全部转化为光子的能量)V=(2eVm),2=(2*8.01*10159.1*10-31),z2=1.32*108ms卜3分析以下荧光辐射产生的可能性,为什么?(1)用CUKaX射线激发CuKa荧光辐射;(2)用CUKBX射线激发CUKa荧光辐射;(3)用CUKaX射线激发CULa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
3、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KB的能量大于Ka的能量,Ka能量大于1.a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)CUKB能激发CUKa荧光辐射;(KKa)CUKa能激发CULa荧光辐射;Kala)1-4以铅为吸收体,利用MOK八RhK八AgKaX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122.8,84.13,66.14cm2g)再由曲线求出铅对应
4、于管电压为30kv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=82Ka33Z3mMo0.7140.364200698122.8Rh0.6150.23312846984.13Ag0.5670.18210034966.14画以rn为纵坐标,以入为横坐标曲线得K8.49X10I可见以下图铅发射最短波长=l.24107V=0.04Bnm3Z3=38.84410Um=33cm3g1-5.计算空气对CrKa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L29X10%/cd)。解:m=0.8X27.7+0.2X40.1=22.16+8.0
5、2=30.18(cm2g)=mP=30.181.2910.89102cm11-6.为使CUKa线的强度衰减1/2,需要多厚的Ni漉波片?(皿的密度为89。8/513)(210)、0)、(221)(030)、(130)答:由二y_上计算得:4/+一+J晶面(123)(100)(200)(311)(121)(210)(HO)(221)(030)(130)d(a*)0.267310.50.30150.40820.44720.70710.33330.33330.3162排序10139542668即(IOo)(110)(200)(210)()(221)=(030)(130)(311)(123)2-4.证
6、实(Ii0)、(121).(312)属于111晶带。解:由晶带定律:hu+kv+lw0ll+(-l)l+0l=0;有:ll+(-2)l+ll=0;(-3)l+ll+2l=0;即(Ii0)、(121(312)属于111晶带。2.5晶面(U0)、(311)、(132)是否属于同一晶带晶带轴是什么再指出属于这个。其他几个晶面。(看上面的)2-7.当X射线在原子上发生散射时,相邻原子散射线在某个方向上的波程差假设不为波长的整数倍,那么此方向上必然不存在反射,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预加强后才可能有反射线存在,而干预加强的条件之一必须存在波程差,
7、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。2-8什么叫干预面当波长为人的X射线在晶体上发生衍射时相邻两个Wd晶面衍射线的波程差是多少间距为L的晶面对X射线的n级反射可以看作是间距为d7n的晶面的级反射这个面称为干预面。当波长为的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n,相邻两个HKL晶面的波程差是o2-9准备摄照下面3种晶体粉末相,试预测出最初3根线条(2&为最小的3根)的2d和hkb并按角度增大的顺序列出解:CK,的波长以为0.15418nm0(1)由简单立方,所以利用公式smj5=J17(Aj+24Z3)-Aa2可知:当28取最小值时沏2取最小值,
8、即SW+1)取得最小值。即:(hkl)分别为:(001),(Oil),(IlDo将(hkl)分别代入公式=彳O中可得24分别为:29.780,42,619,52.85703zaj+P.(2)由简单正方,所以利用公式4/可知:当20取最小值时即?6取最小值,即,取得最小值。即:(hkl)分别为:(001),(010),(101)。#方2+*2/2将(hkl)分别代入公式sm8=彳(F-F)中可得26分别为:29.780,45.343,55.194。sm=-(ni-)(3)由简单正方,所以利用公式4产J可知:A33八当2取最小值时sm取最小值,即(F-*)取得最小值。即:(hkl)分别为:(100
9、),(001),(110)o3I3Aa+aI2将(hkl)分别代入公式RJA中可得26分别为:29.780,45.343,42.619。按角度增大的顺序排列为:29.780,42.619,45.343。(100),(110),(OODo4-1用粉末相机得到了如下角度的谱线,试求出晶面间距(数字为0角,所用射线为Cu左)解:由布拉格方程2dsin=可得:d=2sin,且知所用CUa射线的波长为:=0.1542nmd=0.1542nm2sinl2.54=0.3551nm,d,=0.1542nm2sinl4.48=0.3083nm,d3=0.1542nm2sin20.70=0.2181nm,d-=0
10、.1542nm2sin24.25=0.1877nm,ds=O.1542nm2sin25.70=0.1778nm,d=O.1542nm2sin30.04=0.1540nm,dv=0.1542nm2sin33.04=0.1414nm,ds=O.1542nm2sin34.02=0.1378nnm.4-6.衍射仪测量在入射光束、试样形状、试样吸收以及衍射线记录等方面与德拜法有何不同?测角仪在工作时,如试样外表转到与入射线成30。角时,计数管与入射线成多少度角?答:入射X射线的光束:都为单色的特征X射线,都有光栏调节光束。不同:衍射仪法是采用一定发散度的入射线,且聚焦半径随2。变化,德拜法是通过进光管限
11、制入射线的发散度。试样形状:衍射仪法为平板状,德拜法为细圆柱状。试样吸收:衍射仪法吸收时间短,德拜法吸收时间长,约为1020h.记录方式:衍射仪法采用计数率仪作图,德拜法采用环带形底片成相,而且它们的强度(I)对(2)的分布(1-2。曲线)也不同;测角仪在工作时,如试样外表转到与入射线成30。角时,计数管与入射线成60度角。因为工作时,探测器与试样同时转动,但转动的角速度为2:1的比例关系。4-8在德拜图形上获得某简单立方物质的如下四条谱线;所给出的啦-6均有CUKE衍射的结果。以OS?&为外推函数,请用柯亨法计算晶格常数,精确到四位有效数字解:,+=1,S=IoSinlT22例可得下表:1C
12、OS20COsffa3.230.08860.29770.49781.670.03470.20910.49860.930.02390.15470.49910.080.00200.04540.5001所以得:a=6489,asin112=154.8213,a=231.114fsin26.728,2=14.O93(=)154.8213=6489A+23L114C6,728=231.114A+14.093C.i由1,2得A=O.01648,C=O.207Io又有加1=0.154Onm,11=23=0.59948-1背反射针孔相机和X射线衍射仪的X射线有效贯穿深度,哪个更大一些?衍射仪9-1、电子波有何
13、特征?与可见光有何异同?答:电子波特征:电子波属于物质波。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量,丸=心-假设mv电子速度较低,那么它的质量和静止质量相似;假设电子速度具有极高,那么必须经过相对论校正。电子波和光波异同:不同:不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非均匀电场和磁场那么可以让电子束折射,从而产生电子束的会聚与发散,到达成像的目的。电子波的波长较短,其波长取决于电子运动的速度和质量,电子波的波长要比可见光小5个数量级。另外,可见光为电磁波。相同:电子波与可见光都具有波粒二象性。9-2、分析电磁透镜对电子波的聚焦原理,说明电磁透镜的结构对聚焦能力的影响。聚焦原理:电子在磁场中运动,当
14、电子运动方向与磁感应强度方向不平行时,将产生一个与运动方向垂直的力(洛仑兹力)使电子运动方向发生偏转。在一个电磁线圈中,当电子沿线圈轴线运动时,电子运动方向与磁感应强度方向一致,电子不受力,以直线运动通过线圈;当电子运动偏离轴线时,电子受磁场力的作用,运动方向发生偏转,最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。右图短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的根本原理:结构的影响:1)增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝周围几亳米的范围内;2)电磁透镜中为了增强磁感应强度,通常将线圈置于一个由软磁材料(纯铁或低碳钢)制成的具有内环形间隙的壳子里,此时线圈的磁力线都
15、集中在壳内,磁感应强度得以加强。狭缝的间隙越小,磁场强度越强,对电子的折射能力越大。3)改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距9-3.电磁透镜的像差是怎样产生的,如何消除和减少像差?像差有几何像差(球差、像散等)和色差球差是由于电磁透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力不同而造成的;为了减少由于球差的存在而引起的散焦斑,可以通过减小球差系数和缩小成像时的孔径半角来实现像散是由透镜磁场的非旋转对称而引起的;透镜磁场不对称,可能是由于极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的材料材质不均匀以及极靴孔周围局部污染等原因导致的。像散可通过引入一个强度和方向都可以调节的矫正电磁消像散器来矫正色差是
16、由于入射电子波长(或能量)不同造成的;使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉,也可以采取稳定加速电压的方法来有效减小色差。9一4、说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么?如何提高电磁透镜分辨率?光学显微镜的分辨本领取决于照明光源的波长;球差是限制电磁透镜分辨本领的主要因素;孔径半角减小,球差减小,但从衍射效应来看,减小使石变大,分辨本领下降,关键是电磁透镜确定电磁透镜的最正确孔径半角,使衍射效应Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等,说明两者对透镜分辨本领影响效果一样。9-5、电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响?说明电磁透镜的景深大、焦长长,是什么因素影响的结果?假设电
17、磁透镜没有像差,也没有衍射Airy斑,即分辨率极高,此时它的景深和焦长如何?景深受分辨本领和孔径半角的影响焦长受分辨本领、放大倍数和孔径半角的影响电磁透镜景深大、焦长长,是孔径半角影响的结果分辨率极高,景深和焦长将减小(趋于10-1透射电镜主要有几大系统构成?各系统之间关系如何?答:透射电镜由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三局部组成。其中电子光学系统通常称镜筒,是透射电镜的核心,它分为三局部,即照明系统、成像系统和观察记录系统。102照明系统的作用是什么?它应满足什么要求?照明系统的作用是提供束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要,照明束可在23度
18、范围内倾斜。10-3成像系统的主要构成及其特点是什么?成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一副高分辨率电子显微图像或电子衍射把戏的透镜。透射电子显微镜分辨本领的上下主要取决于物镜,通常采用强激磁、短焦距的物镜,使像差减小,提高物镜的分辨本领。中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜,可在020倍范围调解。当放大倍数大于1时,用来放大物镜像;当放大倍数小于1时,用来缩小物镜像。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合,那么在荧光屏上得到一幅放大像,这就是电子显微镜中的成像操作;如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合,那么在荧光屏上得到一幅电子衍射把戏,这就是透射电子显微镜中的电子衍
19、射操作。投影镜是一个短焦距的强磁透镜,用来把经中间镜放大(或缩小)的像(或电子衍射把戏)进一步放大,并投影到荧光屏上。由于成像电子束进入投影镜时孔径角很小(约10-5rad),因此其景深、焦长都很大。104.分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系,并画出光路图。答:成像操作时中间镜是以物镜的像作为物成像,然后由投影镜进一步放大投到荧光屏上,即中间镜的物平面与物镜的像平面重合;衍射操作是以物镜的背焦点作为物成像,然后由投影镜进一步放大投到荧光屏上,即中间镜的物平面与物镜的背焦面重合。10-5样品台的结构与功能如何?它应满足哪些要求?答:样品台的作用是承载样品,并
20、使样品能作平移、倾斜、旋转,以选择感兴趣的样品区域或位向进行观察分析。透射电镜的样品台是放置在物镜的上下极靴之间,由于这里的空间很小,所以透射电镜的样品台很小,通常是直径3mm的薄片。侧插式倾斜装置。要求非常严格。首先必须使样品台牢固地夹持在样品座中并保持良好的热,电接触,减小因电子散射引起的热或电荷堆积而产生样品的损伤或图像漂移。平移是任何样品的最根本的动作,通常在2个相互垂直方向上样品平移最大值为Imni,以确保样品上大局部区域都能观察到,样品平移机构要有足够的机械密度,无效行程应尽可能小。在照相暴光期间样品图像漂移量应小于相应情况下的显微镜的分辨率。106透射电镜中有哪些主要光阑,在什么
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