濃度和含量的康普頓散射測定原理.pdf

1、材料是人類社會的里程碑，是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此發(fā)展新材料已成為21世紀(jì)最重要、最有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。新材料的發(fā)展離不開材料科學(xué)的發(fā)展。材料學(xué)是研究材料成分、組織、結(jié)構(gòu)、加工及性能相互關(guān)系的一門科學(xué)，其中成分、組織、結(jié)構(gòu)和性能的測定依賴于不斷發(fā)展的材料分析測試技術(shù)。本文的目的在于，利用康普頓散射現(xiàn)象，開發(fā)一種新的濃度和含量的分析測試技術(shù)。這種測試技術(shù)的開發(fā)成功，將有重要的應(yīng)用價值和理論意義。
　　本文從理論上對康普頓散射作

2、了系統(tǒng)整理，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合溶液、粉末混合物和合金的特點(diǎn)，推導(dǎo)出溶液的濃度（或粉末混合物、合金的含量）與康普頓散射光子數(shù)之間的關(guān)系式。結(jié)果表明，溶液濃度（或粉末混合物、合金的含量）與康普頓散射光子數(shù)成線性關(guān)系。這一結(jié)果為濃度或含量的康普頓散射法測定奠定了理論基礎(chǔ)。
　　酸堿鹽的康普頓散射實(shí)驗(yàn)證明：用Cs137作放射源（射線能量為661.5kev）的條件下，溶液濃度與康普頓散射光子數(shù)之間成線性關(guān)系；不同堿金屬的鹽溶液和堿溶液，不同堿

3、土金屬的鹽溶液，其線性關(guān)系的斜率彼此不同，而且隨著金屬原子序數(shù)的增加，線性關(guān)系的斜率減少。理論推證和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說明，可以用康普頓散射作為溶液濃度測定的方法。
　　用Cs137作放射源的Cu-Ni、Fe-C粉末混合物的康普頓散射實(shí)驗(yàn)說明，隨著粉末混合物中 Ni（或 C）含量的增加，康普頓散射光子數(shù)成線性增加，這一方面證明了第二章理論推導(dǎo)公式的正確性，另一方面說明可以用康普頓散射測定粉末混合物中某一成分的含量。原子序數(shù)僅相差1的Cu-

4、Ni混合物和原子序數(shù)相差20的Fe-C混合物比較說明，后者線性關(guān)系的斜率較前者大，這意味著混合物中兩成分的原子序數(shù)相差越大，用康普頓散射法測定某成分的靈敏度越高。
　　用Cs137作放射源對一組無限固溶Cu-Ni合金進(jìn)行康普頓散射實(shí)驗(yàn)說明，隨著合金中 Ni含量的增加，康普頓散射光子數(shù)緩慢的增加，而 Ni含量與康普頓散射光子數(shù)之間仍然成線性關(guān)系，但直線的斜率很小。和成分含量完全相同的Cu-Ni粉末混合物相比，用康普頓散射法測定的靈敏

5、度要低一些。兩者出現(xiàn)這種差別，與 Cu-Ni形成合金后，電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化有關(guān)系。一組有限固溶的Fe-Cu合金的康普頓散射實(shí)驗(yàn)說明，隨著Cu含量的增加，康普頓散射光子數(shù)并無明顯的變化。這一結(jié)果表明，康普頓散射光子數(shù)既與散射體的電子密度有關(guān)，也與電子所受的束縛有關(guān)，而Fe中加入Cu，使兩者達(dá)到平衡，以致隨著Cu含量的增加，散射光子數(shù)并無明顯變化，顯然康普頓散射法不適合測定Fe-Cu合金中的Cu含量。
　　利用量子化學(xué)的密度泛函理論(

6、DFT)方法，計算分析了H2SO4、HCl、LiCl、NaCl、KCl、NaOH、KOH、MgCl2、BaCl2等溶液的離子水合物的電子結(jié)構(gòu)，對H+、Li+、Na+、K+陽離子的水合物的電子密度分布進(jìn)行了分析，得出電子的重疊部分按 H+、Li+、Na+、K+的順序而越來越少，說明水合離子體系中，電子受到的束縛按H、Li、Na、K的順序而增強(qiáng)。同理Mg2+、Ba2+形成的水合離子體系中，電子受到的束縛按Mg、Ba的順序而增強(qiáng)；Cl-、SO

7、42-形成的水合離子體系中，電子受到的束縛按Cl-、SO42-的順序而增強(qiáng)。水合離子中的電子受到束縛增強(qiáng)的規(guī)律與康普頓散射中濃度與散射光子數(shù)間線性關(guān)系的斜率的變化規(guī)律一致。用量子化學(xué)的計算結(jié)果，合理地解釋了不同溶液的康普頓散射中，濃度與散射光子數(shù)間線性關(guān)系的斜率的變化規(guī)律。
　　利用量子化學(xué)的密度泛函理論(DFT)的平面波贗勢理論，計算了Cu-Ni和Fe-Cu合金的原子電荷布居數(shù)和局域態(tài)密度（PDOS）。結(jié)果表明Cu-Ni合金中隨

8、著Ni含量的增加，由于電子越來越多地由低于費(fèi)米面處向著（甚至超出）費(fèi)米面的方向轉(zhuǎn)移，說明合金中的電子越來越自由。得到的這些理論分析結(jié)果，合理地解釋了Cu-Ni合金中康普頓散射光子數(shù)與含Ni量間的依賴關(guān)系。Fe-Cu合金中隨著Cu含量的增加，合金的電子密度增加，相應(yīng)的康普頓散射光子數(shù)應(yīng)該增加，但由于電子越來越多地向低于費(fèi)米面的方向轉(zhuǎn)移，電子越來越不自由，最終使康普頓散射光子數(shù)在一個很窄的范圍內(nèi)波動。
　　綜合分析酸堿鹽溶液、粉末混合