X射线衍射晶体结构分析实验报告.doc

X射线衍射晶体结构分析实验预习报告摘 要：本实验通过采用与X射线波长数量级接近的物质即晶体这个天然的光栅来作狭缝，从而研究X射线衍射。本实验将了解到X射线的产生、特点和应用；理解X射线管产生连续X射线谱和特征X射线谱的基本原理；用三种个方法研究X射线在NaCl单晶上的衍射，并通过测量X射线特征谱线的衍射角测定X射线的波长和晶体的晶格常数。关键词：布拉格公式 晶体结构 波长 衍射 X射线引 言：1895年德国科学家伦琴（W.C.Rntgen）在用克鲁克斯管研究阴极射线时，发现了一种人眼不能看到，但可以使铂氰化钡屏发出荧光的射线，称为X射线。X射线是一种波长很短(约为200.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。如通常使用的靶材对应的X射线的波长大约为1.5406埃。考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。X射线衍射在金属学中的应用 X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明、和铁都是立方结构，-Fe并不是一种新相;而铁中的转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了-Fe硬化理论。随后,在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究，对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。目前 X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。在金属中的主要应用有以下方面。物相分析是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。精密测定点阵参数常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。取向分析包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。 宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。特殊状态下的分析 在高温、低温和瞬时的动态分析。连续光谱特征光谱246810WMoCr0.50.90.7波长（）强度37.215.2图41 X射线管产生的X射线的波长谱此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小,X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。正 文：一、实验原理：1、X射线的产生和X射线的光谱：实验中通常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。图42 元素特征X射线的激发机理高速电子原子核M壳层L壳层K壳层K壳层电子L壳层电子L1K1K2KWKWLWMWN0K2K1LIIIIIIK态(K电子去除)L态(L电子去除)M态(M电子去除)N态(N电子去除)价电子去除中性原子K辐射K原子能量K激发L激发MNML(a)(b)（1）连续光谱连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限m开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图41）。连续光谱的短波限m只决定于X射线管的工作高压。（2）特征光谱阴极射线的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态。图42b表示的是原子的基态和K、L、M、N等激发态的能级图，K层电子被轰出称为K激发态，L层电子被轰出称为L激发态，依次类推。原子的激发态是不稳定的，内层轨道上的空位将被离核更远的轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，多余的能量便以光量子的形式辐射出来。图42a描述了上述激发机理。处于K激发态的原子，当不同外层（L、M、N层）的电子向 K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。同样，L层电子被轰出后，原子处于L激发态，所产生的一系列辐射统称为L系辐射，依次类推。基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的。图43 NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构a0d2、X射线在晶体中的衍射 光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝观察X射线的衍射，就相当困难。冯劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶体的晶格正好与X射线的波长属于同数量级。图43显示的是NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构。下面讨论X射线打在这样的晶格上所产生的结果。ADC布拉格面入射射线反射射线d12d sind sinddd图44 布拉格公式的推导（b）（a） 由图44a可知，当入射X射线与晶面相交角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那末容易看出，图中两条射线1和2的光程差是，即。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长） 布拉格（Bragg）公式在方向射出的X射线即得到衍射加强。 根据布拉格公式，即可以利用已知的晶体（d已知）通过测角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（已知）来测量未知晶体的晶面间距。二、实验步骤：1.X射线在单晶中的衍射实验1) 按照连接图安装实验仪器，使靶台和直准器间的距离为5cm，和传感器的距离为6cm。2) 将NaCl单晶固定在靶台上（注意取晶体的时候要小心），启动软件“X-ray Apparatus”F4键清屏；设置X光管的高压U=35.0KV，电流I=1.00mA，测量时间3s-10s，角步幅为0.1，按COUPLED键，再按键，设置下限角为 4o, 上限角为24o；按SCAN键进行自动扫描；扫描完毕后，按F2键存储文件3) 已知晶体的晶格常数（a0=564.02pm），测定X射线的波长。4) 已知X射线的波长，测定晶体的晶格常数。2.劳厄法测定单晶的晶格结构 1）卸下光缝，装上小孔光栏，在该光栏前用双面胶带纸贴上单晶品袋（需注意样品的边缘是否水平或铅直）。 2）取下整个测角器装置（包括靶台，传感器及其传动装置等），装上X射线底片架使它铅直放置，正对样品，离样品约15mm。 3）在底片架的中心安放X射线胶片，使它平直，正对样品。 4）用U=35kv，I=1mA使底片曝光（单晶曝光半小时）。 5）在暗室中对底片显影、定影，得到劳厄相图。 6）根据单晶样品的劳厄相图中亮点的位置，研究样品的晶体结构。3.德拜-施拉照相法测定多晶粉末样品的晶面间隔 1）样品制备：多晶样品须把NaF碎片放在研钵中研磨成细粉后，放在薄薄的塑料袋中。 2）样品安装：卸下光缝，装上锆吸收片后，再装上小孔光栏，在该光栏前用双