固体结构X射线衍射分析

1、固体结构固体结构X射线衍射分析射线衍射分析一、开篇设问一、开篇设问4. 如何根据如何根据X射线衍射图谱分析材料的物相？射线衍射图谱分析材料的物相？1. X射线是如何产生的？射线是如何产生的？2. 发现发现X射线以后射线以后,是如何鉴定其波动性的？是如何鉴定其波动性的？3. 劳厄发现劳厄发现X射线衍射有何重大意义？射线衍射有何重大意义？二、背景介绍二、背景介绍3. 1912年年11月小布拉格清楚地解释了月小布拉格清楚地解释了X射线晶体衍射的射线晶体衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：形成，并提出著名的布拉格公式：2dsin=n，1913年年1月老布拉格设计出第一台月老布拉格设计出第一台X射线光谱

2、仪。射线光谱仪。1. 1895年伦琴发现了年伦琴发现了X射线。射线。2. 1912年，劳厄证明了年，劳厄证明了X射线的波动性和晶体内部结构射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了的周期性，发表了X射线的干涉现象射线的干涉现象一文。一文。伦琴伦琴劳厄劳厄小布拉格小布拉格老布拉格老布拉格三、实验原理三、实验原理 1913年，英国科学家布拉格父子证明了射线在晶体上年，英国科学家布拉格父子证明了射线在晶体上 衍射的基本规律，即：衍射的基本规律，即：ndsin21 1、 布拉格定律布拉格定律ndsin2 布拉格定律亦可这样表述：当入射布拉格定律亦可这样表述：当入射X射线和某晶面之间射线和某晶面之间的夹

3、角满足的夹角满足 关系式时，在与入射关系式时，在与入射X射线方向成射线方向成2 角的方向上产生衍射峰。角的方向上产生衍射峰。 d是相邻晶面之间的距离；是相邻晶面之间的距离；是入射是入射X射线方向与晶面的夹角，射线方向与晶面的夹角，2称为衍射角；称为衍射角； 是射线波长；是射线波长； n为衍射级数，正整数。为衍射级数，正整数。图图2 某些材料的某些材料的X射线衍射图射线衍射图 图图1 晶体的晶体的X射线布拉格衍射原理图射线布拉格衍射原理图反反射射面面法法线线d2 2、物相定性鉴别、物相定性鉴别 鉴别方法：鉴别方法： 在样品的衍射图中能找到组成物相应该出现的衍射线，在样品的衍射图中能找到组成物相应

4、该出现的衍射线， 而且实验的而且实验的d值和相对应的已知的值和相对应的已知的d值在实验误差范围值在实验误差范围 内应该是一致的；内应该是一致的； 各衍射线相对强度的顺序也是一致的。各衍射线相对强度的顺序也是一致的。3 3、利用、利用PDFPDF衍射卡片进行物相分析衍射卡片进行物相分析PDF数据卡片：对一切纯净的单相物质进行测定，并将数据卡片：对一切纯净的单相物质进行测定，并将其其d值和相对强度值和相对强度I/I1 保存在卡片上保存在卡片上, 这就是这就是PDF数据卡片。数据卡片。 表表1 PDF卡片的形式卡片的形式X-XXXXdd1d2d3d化学分子式化学分子式 物质名称物质名称 矿物名称矿物

5、名称I/I1I1I2I3I试验条件数据试验条件数据d I/I1hkld I/I1hkl物质晶体学数据物质晶体学数据光学及其它物理性质数据光学及其它物理性质数据试样来源、化学分析数据试样来源、化学分析数据及化学处理方法及化学处理方法【说明说明】 (1)卡片左上角的数字卡片左上角的数字 X-XXXX 叫做卡片号，叫做卡片号， (2)卡片中左上方给出该物质粉未衍射图中强度最大的卡片中左上方给出该物质粉未衍射图中强度最大的 三条线的三条线的d值：值： d1、d2、d3和相对强度和相对强度I/I1值，值， (3)卡片右下方给出该物质粉未衍射图中全部线条的卡片右下方给出该物质粉未衍射图中全部线条的d值及相

6、对强度值及相对强度I/I1，卡片索引：卡片索引：(1) (1) 数字索引数字索引 卡片号卡片号 d1 d2 d3 I1 I2 I3 化学分子式化学分子式 物质英文名称物质英文名称 2-1129 2.28 1.50 1.78 100 100 70 Cs3Bi(NO2)6 Cesium Bismuth Carbide2-1130 2.28 1.49 1.10 100 100 100 Cs3Ir(NO2)6 Cesium Iridium Nitrite2-1134 2.27 1.49 1.07 100 60 60 X-W2C Alpha Tungsten Carbide表表2 2 数字索引数字索引

7、数字索引是按图样中三条强线及对应的相对强度来表数字索引是按图样中三条强线及对应的相对强度来表征每一种物质的。如表所示。征每一种物质的。如表所示。(2) 文字索引文字索引 文字索引是按照物质英文名称的字母顺序排列而成的。文字索引是按照物质英文名称的字母顺序排列而成的。 从左到右的顺序依次为：物质英文名称、化学分子式、从左到右的顺序依次为：物质英文名称、化学分子式、 d1、d2、d3、I1、I2、I3和卡片号。和卡片号。实验仪器实验仪器图图4 BDX3200型型X射线衍射仪系统构成图射线衍射仪系统构成图 本实验使用北大青鸟天桥仪器设备有限责任公司生本实验使用北大青鸟天桥仪器设备有限责任公司生产的产

8、的BDX3200BDX3200型型X X射线衍射仪。装置由四大部分构成。射线衍射仪。装置由四大部分构成。1 1、X X射线发生器射线发生器2 2、卧式测角仪（见图、卧式测角仪（见图3 3）3 3、X X射线测量系统射线测量系统4 4、计算机操作分析系统及应用分析软件包、计算机操作分析系统及应用分析软件包图图3 3 卧式测角仪卧式测角仪实验内容实验内容1 1、样品准备、样品准备(4)(4)先做先做“校读校读”使测角仪回到标准位置；使测角仪回到标准位置；开始测量任务。开始测量任务。 (2)(2)把样品粉未均匀地填入样品框窗口中（注意压紧）。把样品粉未均匀地填入样品框窗口中（注意压紧）。 (1)(1

9、)把样品制成适合衍射仪作物相定性分析所用的粉未；把样品制成适合衍射仪作物相定性分析所用的粉未；2 2、开机、开机(1)(1)打开循环水箱电源；打开测量系统与打开循环水箱电源；打开测量系统与X X光发生器开关；光发生器开关；(2)(2)放入检测样品，关好防护门；放入检测样品，关好防护门；(3)(3)打开衍射仪操作系统软件，由衍射仪软件启动打开衍射仪操作系统软件，由衍射仪软件启动X X光；光；3 3、测试分析、测试分析 本实验要求测定几种未知的单相材料的本实验要求测定几种未知的单相材料的X射线衍射图射线衍射图谱，并对所测数据用应用分析软件包进行图谱和物相分谱，并对所测数据用应用分析软件包进行图谱和

10、物相分析，确定其物相成分。析，确定其物相成分。 扩展内容扩展内容: :(1)(1)由所测得的由所测得的X X射线衍射数据对样品的晶体结构进行分射线衍射数据对样品的晶体结构进行分 析，确定晶格参数。析，确定晶格参数。(2)(2)测定含有两种以上物相成分材料的成分。测定含有两种以上物相成分材料的成分。(3)5(3)5分钟后关冷却水。分钟后关冷却水。4 4、关机、关机(1)(1)由软件关闭由软件关闭X X光，关闭光，关闭X X光发生器与测量系统开关；光发生器与测量系统开关；(2)(2)取出测量样品。取出测量样品。设计案例设计案例 射线定性物相分析及射线定性物相分析及PDF检索检索 本实验对一种未知的

11、粉末材料进行了本实验对一种未知的粉末材料进行了X射线衍射分射线衍射分析后，先对其实验数据进行图谱分析，寻峰得到其各衍析后，先对其实验数据进行图谱分析，寻峰得到其各衍射峰对应的射峰对应的d值，并将此结果保存为一个寻峰文件，形如值，并将此结果保存为一个寻峰文件，形如寻峰文件寻峰文件*.pek。把该寻峰文件输入本实验对应的物相分。把该寻峰文件输入本实验对应的物相分析软件，得到检索结果：析软件，得到检索结果： 对检索结果进行手工判别，在列出的卡片号前，选对检索结果进行手工判别，在列出的卡片号前，选中物相卡片号。然后进行数据对比和图形对比。中物相卡片号。然后进行数据对比和图形对比。(1) (1) 数据对

12、比：数据对比： 将实验数据与标准数据的对比，两者数据在同一行时，将实验数据与标准数据的对比，两者数据在同一行时，为相匹配的衍射线。在此界面选择卡片号，进行逐为相匹配的衍射线。在此界面选择卡片号，进行逐个对比。个对比。(2) (2) 图形对比：图形对比： 将实验数据与标准数据的对比。将实验数据与标准数据的对比。横坐标有二种表示横坐标有二种表示方法，方法，d d值与值与22。纵坐标为相对强度。在此界面可以再。纵坐标为相对强度。在此界面可以再选择卡片号，进行逐个对比。选择卡片号，进行逐个对比。数据对比结果数据对比结果图形对比结果图形对比结果结论：综合比较数据对比和图形对比结果，该物质为结论：综合比较

13、数据对比和图形对比结果，该物质为KCl。最新进展最新进展 电子衍射电子衍射 1927年，年，C.J.戴维孙和戴维孙和L.H.革末在观察镍单晶表面对革末在观察镍单晶表面对能量为能量为100eV的电子束进行散射时的电子束进行散射时,发现了散射束强度随发现了散射束强度随空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎空间分布的不连续性，即晶体对电子的衍射现象。几乎与此同时，与此同时，G.P.汤姆孙和汤姆孙和A.里德用能量为里德用能量为2万电子伏的电万电子伏的电子束透过多晶薄膜做实验时子束透过多晶薄膜做实验时,也观察到衍射图样。电子衍也观察到衍射图样。电子衍射和射和X 射线衍射一样，也遵循布喇格公式射线衍射一样，也遵循布喇格公式2dsin 中子衍射中子衍射 与与X射线衍射和电子衍射相似射线衍射和电子衍射相似,布喇格公式也适用于中布喇格公式也适用于中子衍射。中子衍射用于晶体结构的分析比子衍射。中子衍射用于晶体结构的分析比 X射线衍射和电射线衍射和电子衍射要晚，这是由于中子衍射要求使用从反应堆中得到子衍射要晚，这是由于中子衍射要求使用从反应堆中得到的热中子流。热中子具有约的热中子流。热中子具有约0.025eV的动能。的动能。相关文献相关文献1.1.常铁军，祁欣，材料近代分析测试方法常铁军，祁欣，材