XRD-X射线的性质分析方法.ppt

FacultyofScienceBUCT 第二章X 射线衍射法X rayDiffraction XRD 8 24 05FacultyofScience 目录 引言2 1X 射线的本质 产生与探测2 2晶体学知识2 3X 射线衍射法原理2 4X 射线粉末衍射 实验方法 2 5X 射线在物相分析中的应用 8 24 05FacultyofScience 利用X射線照射晶體 或某些非晶態物質 時產生的衍射 研究晶體內部結構 即內部原子排布 的分析技術 在金屬學中用於瞭解成分對結構的影響 金屬性能變化的本質和金屬經過各種處理過程時結構變化的機制 X射线衍射 X RayDiffraction XRD 技术是揭示晶体内部原子排列状况最有力的工具 它在物质结构研究中具有特殊的作用 在催化剂研究中 它主要用于物相鉴定 物相分析及晶胞参数的测定 由它可以获得许多有用的结构信息 使催化剂的许多宏观物理性质与微观结构的特点相关连 也可用来研究物质的分散度 鉴别催化剂所含的元素 还可用于研究制备工艺 处理条件对催化剂微观结构的影响 引言 8 24 05FacultyofScience X RayDiffraction XRD 唯一的确认材料中晶体相的手段 结构性质 应力粒子尺寸Epitaxy晶体取向f附生 测定薄膜的厚度 无定型材料中的原子排布 相组成优先取向缺陷结构 包括聚合物 和界面上 HZhang 8 24 05FacultyofScience 2 1X射线的产生和性质 2 1 1导论2 1 2X射线的产生2 1 3X射线的性质 8 24 05FacultyofScience HZhang BUCT X Rays wavelength 0 01 100Angstrom 特征射线及其衍射X射线是一种波长很短 20 0 06A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 2 1 1导论 8 24 05FacultyofScience HZhang BUCT X Rays 1895Roentgen X Rays 射线照相术Radiography X射线的波长和晶体內部原子间的距离 10 8cm 相近 1912年劳厄 德物M vonLaue 提出一重要的科學預見 晶体可以作为X射线的空间衍射光柵 即当一束X射线通过晶体时将发生衍射 衍射波叠加使射线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 实验所证实 8 24 05FacultyofScience 1913年布拉格父子 英物W H Bragg W L Bragg 在劳厄发现的基础上 不仅成功地测定了NaCl KCl等的晶体结构 并提出了著名公式 Bragg定律 晶体衍射基础 Bragg slaw wavelength 0 01 100Angstrom 8 24 05FacultyofScience 2 1 2X 射线的产生 由库仑力产生固体靶源 现代X射线管 1 8 3kW 实验室用高强度X射线装置 18kW 同步加速器辐射等离子体源同位素核反应其他 特征X rays与X射线光谱 涉及核内层电子能级的改变 当高能粒子 如电子 质子 撞击靶原子时 会使原子内层的一个电子被撞出 使该原子处于受激态 被撞出电子的空位将立即被较高能量电子层上的一个电子所填充 在此电子层上又形成新的空位 该新的空位又能由能量更高的电子层上的电子所填充 如此通过一系列的跃迁 L K M L N M 直至受激原子回到基态 这一系列跃迁 无辐射跃迁除外 都以X射线的形式放出能量 即发射特征的X射线光谱 HZhang BUCT 特征X rays 8 24 05FacultyofScience X射线管 固体靶源 8 24 05FacultyofScience 转靶 谱 KramerLaw 连续谱 I E IntensityE x rayenergy Delta 1eV W eVK constantP0 incidentpower W Z targetatomnumbern 1E0 incidentelectronenergy KeV 特征谱 X lines Ka bandLa betc Ka Ka1 Ka2 B ConstantF x TargetmaterialCons Ec Criticalenergy 特征谱 连续谱 I E BN Z F x E0 Ec m I E P0KZn E0 E E0 8 24 05FacultyofScience 2 1 3X射线的性质 X射线的吸收X射线的散射X射线光学X射线探测器 8 24 05FacultyofScience 当一束能量为E的X射线穿透物质时 它的强度会因为物质的吸收而有所衰减 这是由于X射线和物质相互作用的结果 其作用有以下两种 1 X射线光子被原子吸收 而原子本身发生电离 发出光电子 这是光电子效应 2 它们可能仍然是光子 但偏离了原来的方向 即发生了散射 X射线透过一层均匀物质时由于和物质相互作用 发生了光电效应和散射现象 直接透过减少了 强度减弱 其透射强度I与入射强度I0的关系满足下式 1 式中d为物质厚度 E 为吸收系数 其大小反映物质吸收X射线的能力 是X射线光子能量的函数 X射线的吸收 8 24 05FacultyofScience 物质对X射线的吸收是原子现象 对于复杂化合物 近似地等于结合成该物质的各元素吸收之和 在这里适用相加法则的原因是 被吸收的X射线光子主要激发原子的内能级 因此外壳层电子的状态对吸收影响很小 前面已经指出 物质使X射线减弱是由两个过程产生的 光电过程和散射过程 因此质量吸收系数也可分为两个部分 即 称为质量吸收系数 称为散射系数 对于X射线分析所用的波长以及原子序数大于10的物质来说 在这种情况下 即减弱系数等于吸收系数 8 24 05FacultyofScience X射线的吸收 I I0exp t Lineabsorptioncoefficient l log I0 I t cm 1 Massabsorptioncoefficient m cm2 g Atomabsorptioncoefficient a A N cm2 atom Molabsorptioncoefficient mol A cm2 mol 8 24 05FacultyofScience 对混合物和化合物 m wi I wi massratios 对连续X射线 m wi i i differentwavelength 重要 m photoelectron scattering e e Photoabsorptionsection A N 8 24 05FacultyofScience X射线光学