第三章--粒子(束)与材料的相互作用.docx

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1、第三章粒子（束）与材料的相互作用教学目的：1、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用；2、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；3、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法。教学重点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法；3、其它的测试方法。教学难点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号。第一节电子束与材料的相互作用入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用包括：（1）入射电子的散射；（2）入射电子对固体的激发；（3）受激发粒子

2、在固体中的传播。一、散射当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这种现象称为（电子）散射。有散射弹性和非弹性散射之分。原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。1.原子核对入射电子的散射有弹性散射和非弹性散射。散射损失的能量∆Emax=2.17×10-3E0Asin2θ3-1散射角（2q）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。非弹性散射损失的能量DE转化为X射线，它们之间的关系是3-2式中，h是普朗克常数，c是光速，n及l分别是X射线的频率与波长。此X射为连续X射线，没有特征性。当入射电子与原子中电子的作用成为主要

3、过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生显著变化，这种过程称为非弹性散射。在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量传递给原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。2.核外电子对入射电子的散射原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射。在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质产生各种激发现象，如原子电离、自由载流子、二次电子、俄歇电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、电子感生电导等。因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，

4、所以称为电子激发。3.散射截面入射电子被原子核散射时，散射角2q的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）rn、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关，其关系为2θ=ZeVrn或rn=ZeV(2θ)3-3prn2叫做弹性散射截面，用sn表示。当入射电子与核外电子作用时，散射角2q为2θ=eVre或re=eV(2θ)3-4pre2为核外电子的非弹性散射截面，用se表示。对一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为sn，非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Zse，则sn/Zse=Z3-5因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。4.电子吸收由于库伦相互

5、作用，入射电子在固体中的散射比X射线强得多，同样固体对电子的“吸收”比X射线吸收快得多。随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体吸收（束缚）。电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。不同于X射线的“真吸收”。电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。二、电子与固体作用产生的信号1.电子与固体作用产生的信号图3-1入射电子束与固体作用产生的发射现象IR为背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。被散射电子主要由两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又

6、从样品表面发射出去的入射电子。背散射电子的最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半。Is表示二次电子流，它包括入射电子从固体中直接击出的原子核外电子和激发态原子退回基态（退激发）时产生的电子发射（如俄歇电子）。前者为（真）二次电子，它们的能量较低，强度按能量连续分布；后者为特征二次电子，它们的能量取决于原子本身的电子结构，取一些分立的能量值。当背散射电子返回到样品表面层，并具有足够的能量连续产生电子激发时，对二次电子发射也有贡献。Ix表示电子激发诱导的X射线辐射强度。在入射电子发生非弹性碰撞过程中，x射线通过两种截然不同的过程产生。①入射电子在原子实（原子核和束缚电子，即失

7、去价电子的正离子）的库仑场中减速，产生能量连续的X射线，其能量从0延伸到入射电子能量值。②当电子激发使原子内层电离，外层电子跳到内层填充空穴，这个跃迁过程伴随能量的变化，原子以发射特征x射线或一个俄歇电子的形式释放能量。IE表示表面元素发射的总强度。尽管在材料分析中入射电子的能量不足以把固体原子直接击出，但电子能量可能引起一些固体的表面原子电离，使表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分解。电子束可引起部分氧化物、多数氟化物和几乎所有的有机物的辐照分解。IA为样品吸收电流。入射电子在固体中传播时，能量逐渐减小，最后会失去