X射线衍射与电子显微学课程教学大纲

X射线衍射物质结构的分析尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法，但是X射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段，而且X射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。

X射线衍射的应用范围非常广泛，现已渗透到物理、化学、生物、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的实验方法和结构分析手段，具有无损试样的优点。

X射线衍射分析可用于研究晶体的结构（晶体的对称性、测定晶胞参数），鉴别同质异象的物质（C 金刚石和石墨、TiO2 金红石锐钛矿板钛矿），了解材料中的结晶相，查明材料中各种结晶相的含量，微晶粒径测定，宏观应力分析，晶体的定向等。

一、X射线基本性质X射线是1895年由德国的物理学家伦琴( W. K.Rontgen )在研究阴极射线时发现的。

这种射线实际上是一种与无线电波、可见光、紫外线、γ射线相类似的电磁波，它具有以下几个性质：1、波长极短X射线的波长大约在0.001~10nm之间，介于紫外线与y射线之间，但没有明显的分界线。

2、波粒二象性X射线与其它电磁波一样既有波动性，又有粒子性。

作为波，当它通过晶体时，会产生干涉、衍射和散射等现象。

另一方面，作为粒子流，它具有一定的动量和能量，可使荧光屏发光、使照相底片感光，使气体电离。

利用这些效应可以检测x射线的存在及其强度。

X射线的波粒二象性可以通过公式E= hv = hc/2联系起来，其中E 是X射线的能量，h是普朗克常数，v是x射线的频率，c是光速，λ是X射线的波长。

3、穿透力极强X射线可以透过可见光不能透过的物体。

这是由于x射线的波长比可见光的波长短得多的缘故。

从上述的二象性公式可以看出，电磁波的波长越短，频率越高，其能量越大。

X射线的波长极短，故其能量很大，可以穿透可见光不能穿透的物质。

4、对生物细胞有很大破坏作用X射线对人体是有害的。

人体经X射线照射后，轻则烧伤，重则造成放射病，甚至残废或死亡，尤其容易造成眼睛失明，故须严加防护。

《X射线衍射与电子显微学》课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：X射线衍射与电子显微学所属专业：材料物理课程性质：专业基础课学时：90（5学时/周）（二）课程简介、目标与任务；本课程主要针对材料物理专业的本科生开设。

通过对X射线衍射和电子显微术的学习，对这两种材料分析方法有一个较全面的认识，使学生能够了解X 射线衍射分析和电子显微术的基本原理、过程、设备及应用，掌握相应的基础知识和基本技能，使学生能够正确地运用X射线衍射和电子显微分析技术开展有关的科学研究，为今后从事材料的研究工作打下必要的理论基础。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：先修课程要求：普通物理，高等数学，晶体学基础学本课程之前需具备一定的普通物理和晶体学知识，以及高等数学知识。

（四）教材与主要参考书。

教材：1.《晶体X射线衍射学基础》，李树棠，冶金工业出版社2.《电子显微分析》，章晓中，清华大学出版社，2006年。

主要参考书:1. 左演生，《材料现代分析方法》，北京工业大学出版社2. 周玉，《材料分析方法》，哈尔滨工业大学，机械工业出版社3. 梁栋材，《X射线晶体学基础》，科学出版社4.黄胜涛，《固体X射线学》，高等教育出版社电子显微图像分析原理与应用, 黄孝瑛等, 宇航出版社，1987年。

5.透射电子显微学进展，叶恒强，王元明主编，科学出版社，2003年6.金属电子显微分析，陈世朴，王永瑞，机械工业出版社，1985年7.分析电子显微学导论，戎咏华著，高等教育出版社，（2006）二、课程内容与安排X射线衍射：（45学时）0. 绪论（1学时）第一章 X射线的产生和性质（4学时）1.1 X射线的本质1.2 X射线的产生1.3 X射线谱1.4 X射线与物质的相互作用1.5 X射线的防护第二章几何晶体学基础（4学时）2.1晶体结构和空间点阵2.2 晶体对称的基本概念2.3晶面和晶向指数2.4倒易点阵2.5 晶带第三章 X射线衍射的几何原理（5学时）3.1 X射线在晶体中的衍射3.2产生衍射的几何条件3.3 X射线衍射实验方案第四章 X射线衍射线的强度（6学时）4.1 一个电子对X射线的散射4.2 一个原子对X射线的散射4.3 一个晶胞对X射线的散射4.4 一个小晶体对X射线的散射4.5 粉末多晶体衍射的积分强度4.6 衍射强度的计算第五章多晶体衍射的照相方法（1学时）5.1成相原理5.2德拜-谢乐法5.3其它照相法第六章X射线衍射仪（6学时）6.1测角仪6.2辐射探测器6.3测量记录系统6.4数据处理系统6.5测量方法和测量参数的选择6.6衍射峰的强度6.7衍射峰位的确定6.8衍射花样的指标化第七章X射线物相分析（6学时）7.1定性相分析7.2定量相分析第八章点阵常数的精确测定（4学时）8.1原理8.2误差来源8.3误差的消除第九章晶粒尺寸和点阵畸变的测定（4学时）9.1衍射线的宽化效应9.2晶粒尺寸和点阵畸变的测定第十章宏观应力的测定（2学时）10.1基本原理10.2测试技术第十一章非晶材料的X射线散射分析（2学时）10.1 非晶物质结构的主要特征10.2 径向分布函数10.3 实验要求和数据处理电子显微学：（45学时）第一章电子光学（7学时）第一节绪论光学显微镜的局限性第二节电子光学基础第三节电子透镜第四节电子透镜的缺陷和理论分辨距离第二章透射电子显微镜（6学时）第一节透射电子显微镜的基本结构第二节电子光学系统的构造与原理第三节 TEM样品制备第四节TEM主要性能测试第三章电子衍射（9学时）第一节电子衍射原理第二节电子衍射花样的形成第三节选区电子衍射第四节多晶电子衍射花样的分析第五节单晶电子衍射花样的分析第四章复杂电子衍射花样（6学时）第一节高阶劳厄带斑点第二节超点阵斑点第三节孪晶电子衍射花样第四节二次衍射花样第五节菊池花样第五章透射电镜显微图像解释（7学时）第一节质厚衬度第二节衍射衬度第三节衍衬像运动学原理第四节几种晶体缺陷的衍衬象第五节衍衬像动力学原理第六章扫描电子显微镜（5学时）第一节扫描电子显微镜的发展简史第二节电子与固体样品作用时产生的信号第三节扫描电镜的基本结构与原理第四节SEM的主要性能特点及其分辨率第五节SEM的样品制备第六节扫描电镜像的衬度原理第七节扫描电镜的应用第七章电子探针显微分析（3学时）第一节电子探针的结构第二节波谱仪（WDS）第三节能谱仪（EDS）第四节能谱（EDS）与波谱（WDS）的比较第五节电子探针X射线微区分析第八章其它电子显微术（2学时）（一）教学方法与学时分配课堂讲授，18周，共90学时。

《材料分析测试技术》课程教学大纲课程代码：050232004课程英文名称： Materials Analysis Methods课程总学时：24 讲课：20 实验4适用专业：材料成型及控制工程大纲编写（修订）时间：2017.07一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标材料分析测试技术是高等学校材料加工类专业开设的一门培养学生掌握材料现代分析测试方法的专业基础课，主要讲授X射线衍射、电子显微分析的基本知识、基本理论和基本方法，在材料加工类专业培养计划中，它起到由基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。

本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论和基本方法的教学外，着重培养学生运用所学知识解决工程实际问题的能力，培养学生的创新意识。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1. 掌握X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析的基本理论；2. 掌握材料组成、晶体结构、显微结构等的分析测试方法与技术；3. 具备根据材料的性质等信息确定分析手段的初步能力；4. 具备对检测结果进行标定和分析解释的初步能力。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.基本知识：掌握晶体几何学、X射线衍射以及电子显微分析方面的一般知识，了解X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜的工作原理以及适用范围。

2.基本理论和方法：掌握晶体几何学理论知识（晶体点阵、晶面、晶向、晶面夹角、晶带）；掌握特征X射线的产生机理以及X射线与物质的相互作用；掌握X射线衍射理论基础—布拉格定律；掌握多晶衍射图像的形成机理；了解影响X射线衍射强度各个因子，了解结构因子计算以及系统消光规律；了解点阵常数的精确测定方法；了解宏观应力的测定原理及方法；掌握物相定性、定量分析原理及方法；了解利用倒易点阵与厄瓦尔德图解法分析衍射现象；了解电子衍射的基本理论以及单晶体电子衍射花样的标定方法；掌握表面形貌衬度和原子序数衬度的原理及应用；掌握能谱、波谱分析原理及方法。

X射线衍射技术课程大纲一、课程简介X射线衍射技术是一门应用物理学和技术学科的交叉课程，旨在介绍X射线衍射的基本原理、实验技术和应用领域。

本课程主要面向物理学、材料科学、化学、生物医学等领域的研究生和高年级本科生。

二、课程目标通过本课程的学习，学生应该能够：1. 掌握X射线衍射的基本原理和数学模型；2. 了解X射线衍射技术的实验方法和设备；3. 掌握X射线衍射技术在材料科学、化学、生物医学等领域的应用；4. 能够独立设计和实施简单的X射线衍射实验。

三、教学内容1. X射线衍射基本原理：介绍X射线的产生、性质、波长和强度衰减等基本概念，以及布拉格方程（d/λ=n入/2d）用于描述衍射角度和晶面间距的关系。

2. 晶体学基础：介绍晶体的对称性、晶胞和点阵结构等基本概念，以及空间群表示和倒易空间等重要概念。

3. X射线衍射实验技术：介绍X射线源、探测器、样品制备、实验条件优化等实验技术要点，以及如何使用X射线衍射仪进行样品分析。

4. 应用领域：介绍X射线衍射技术在材料科学、化学、生物医学等领域的应用，如晶体结构解析、物相分析、应力测量、纳米尺寸测量等。

5. 实验设计和数据分析：教授学生如何根据研究目的设计简单的X射线衍射实验，并学会使用数据分析软件处理实验数据。

四、教学方法与手段本课程将采用理论讲授与实验实践相结合的教学方法，通过PPT、视频、案例分析等多种教学手段，帮助学生更好地理解和掌握课程内容。

五、课程评估课程评估包括平时作业、实验报告和期末考试三个部分。

平时作业应围绕课堂讲解的内容进行思考和讨论，实验报告需根据实际操作和数据分析撰写，期末考试则以笔试形式进行，全面考察学生对X射线衍射技术的掌握情况。

六、参考资料1. 《X射线衍射技术》教材；2. 相关学术期刊论文；3. 实验设备使用手册；4. 网络资源（如学术论坛、专业网站）上的相关资料。

七、课程结语最后，希望同学们通过本课程的学习，能够更加深入地了解X射线衍射技术的原理和应用，并在未来的学习和工作中能够熟练运用这一工具。

《现代测试技术》课程简介课程内容：现代测试技术是一门用以培养学生材料结构分析与测试技能的专业选修课.通过学习使学生掌握X射线衍射和电子显微技术的基础理论,试验方法及基本技能;掌握X射线衍射仪,透射电镜,扫描电镜和电子探针等现代测试设备的结构及其在材料分析测试技术中的原理及试验方法.应用X射线衍射方法进行晶体结构的测定,物相分析,宏观应力测定；掌握透射电镜的复型和薄膜制备技术及电子衍射的原理,应用电子衍射对材料进行微关组织结构的分析,应用扫描电镜和电子探针对材料进行表面形貌和微观结构及成分进行分析. 以培养学生使用分析测试方法为材料科学研究服务.本课程主要内容包括：X射线衍射学，透射电子显微学，扫描电子显微镜，电子探针，光谱分析等.Brief IntroductionCourse Description:Modern Techniques of Measurement is one of elective course to train pupils techniques of material structure analyzing and testing.Through learning students can understand the modern testing equipment, theory and method such as X-ray diffractometer, transmission electron microscopy, scanning election microscopy and electron probe. Crystal structure can be tested, contents can be analyzed and macro-stress can be measured by using X-ray diffraction. Surface morphology, microstructures and component of materials can be measured by using scanning election microscopy and election probe.The main sections of this course: X-ray diffraction, transmission election microscopy, scanning electron microscopy, electron probe, spectral analysis.一、教学内容第一章X射线的性质1.1 X射线的本质1.2 X射线谱1.3 X射线与物质相互作用教学重点：掌握X射线谱产生的机理.教学难点：X射线的吸收，相干散射和非相干散射.第二章X射线运动学衍射理论2.1 X射线衍射方向2.2 布拉格方程的讨论2.3 倒易点阵2.4 X射线衍射强度教学重点：掌握布拉格方程成立条件，掌握倒易空间中的爱瓦尔德图解.教学难点：X射线衍射强度与结构因子的关系，以及结构因子的定义.第三章多晶体X射线衍射分析方法3.1 粉末照相法3.2 X射线衍射仪教学重点：理解德拜照相法，掌握衍射仪的测量方法.教学难点：X射线衍射峰位的指标化.第四章X射线衍射方法的实际应用4.1 点阵常数测量4.2 物相分析4.3 宏观应力测定教学重点：掌握X射线衍射仪的点阵常数的精确测定，掌握物相定量分析方法，理解X射线应力测定原理.教学难点：X射线应力测定实验精度的保证及测试原理的适用条件.第五章透射电子显微分析5.1 透射电镜的结构及应用5.2 电子衍射5.3 金属薄膜的透射电子显微分析教学重点：掌握透射电镜成像原理，了解透射电镜的结构.教学难点：透射电镜衍射花样的标定.第六章扫描电子显微分析6.1 扫描电镜工作原理,构造和性能6.2 扫描电镜在材料研究中的应用6.3 波谱仪结构及工作原理6.4 能谱仪结构及工作原理6.5 电子探针分析方法及微区成分分析技术教学重点：掌握扫描电镜成像原理，掌握扫描电镜在材料研究中的应用，了解扫描电镜的结构.教学难点：扫描电镜能谱线分析.第七章表面成分分析7.1 俄歇电子能谱7.2 原子探针显微分析教学重点：掌握俄歇电子能谱在材料研究中的应用.教学难点：纳米级表面成分定量分析.第八章电子显微技术的新进展及试验方法选择8.1 电子显微术的新进展8.2 现代显微分析方法选择第九章高分子材料分析技术和红外与拉曼光谱简介9.1 高分子材料分析技术9.2 红外与拉曼光谱二、教学基本要求第一章X射线的性质教学要求：掌握X射线的本质；熟悉X射线的产生装置；掌握X射线谱产生的实质;了解X射线谱的实验规律；了解X射线与物质的相互作用；掌握吸收限的应用.第二章X射线运动学衍射理论教学要求：了解X射线的衍射方向,掌握布拉格衍射定律；了解衍射与反射的本质区别;理解倒易点阵在X射线衍射中的应用；掌握X射线衍射强度的含义.第三章多晶体X射线衍射分析方法教学要求：掌握X射线衍射方法；理解粉末照相法和X射线衍射仪的原理和结构;掌握初步操作设备仪器的能力.第四章X射线衍射方法的实际应用教学要求：掌握多晶体的物相分析原理；掌握PDF卡片的内容及含义；掌握物相定性分析方法；了解物相定量分析方法；注意实际分析时的难点及注意事项；了解三类应力的实质；掌握X射线应力测定的基本原理；并根据基本原理了解试验方法；明确试验精度的保证及测试原理的使用条件.第五章透射电子显微分析教学要求：了解透射电镜的结构及应用；掌握透射电镜成像原理；掌握透射电镜的复型技术和方法；简单了解电子衍射方法；能够进行薄膜样品制备；熟悉透射电镜分析方法.第六章扫描电子显微分析教学要求：了解扫描电镜的结构及应用；掌握扫描电镜成像原理；熟练掌握扫描电镜的主要性能；样品制备方法；熟悉扫描电镜分析方法；可举例说明扫描电镜在材料研究中的应用；掌握扫描电镜断口分析；熟悉波谱仪和能谱仪工作原理及应用条件；掌握电子探针分析方法及微区成分分析技术。

X射线衍射技术-内容提纲第1部分晶体学基础（8学时）1．晶体和非晶体（1）晶体的定义（2）晶体的性质2．空间点阵（重点）（1）晶胞（2）晶格常数（3）晶胞类型（4）结点坐标3．晶面指数（重点）（1）晶面指数确定方法（2）晶面、面网与晶面族（3）晶向与晶向指数4．七大晶系与14种布拉菲点阵（1）晶系（2）点阵类型5．面间距6．多重性因子（重点）7．晶带定律（重点）第2部分X射线的性质（6学时）第1节X射线技术发展历程和应用现状1．发展历程2．应用现状第2节X射线的产生和性质1．X射线的产生2．X射线的性质第3节X射线谱（重点）1．连续谱2．特征谱3．特征X射线命名规则第4节X射线的吸收和散射1．X射线的吸收2．X射线的散射3．X射线的防护第3部分X射线衍射原理（16学时）第1节光干涉和衍射第2节X射线衍射原理（重点）1．衍射条件2．布拉格方程讨论第3节X射线衍射方法1．单晶衍射-劳埃法2．旋转单晶法3．多晶衍射法第4节衍射方向第5节衍射花样标定第6节衍射强度（重点）1．多重性因子2．角因子3．结构因子4．晶粒大小对衍射的影响5．衍射强度公式适用条件第7节消光规律（重点）1．体心点阵消光规律2．底心点阵消光规律3．面心点阵消光规律4．简单点阵消光规律第8节厄瓦尔德球图解法（重点）第9节倒易点阵1．预备知识-空间向量2．倒易点阵第4部分物相分析（实验）第1节定性分析第2节定量分析。