晶体X射线衍射实验报告

1 中 南 大 学 X 射线衍射实验报告 材料科学与工程学院材料学专业1305 班班级 姓 名 学号 0603130500 同组者无 实验日期 2015 年 12 月 05 日指导教师 黄继武 评分分评阅人评阅日期 一 一 实验目的实验目的 1 掌握 X 射线衍射仪的工作原理 操作方法 2 掌握 X 射线衍射实验的样品制备方法 3 学会 X 射线衍射实验方法 实验参数设置 独立完成一个衍射实验测试 4 学会 MDI Jade 6 的基本操作方法 5 学会物相定性分析的原理和利用 Jade 进行物相鉴定的方法 6 学会物相定量分析的原理和利用 Jade 进行物相定量的方法 本实验由衍射仪操作 物相定性分析 物相定量分析三个独立的实验组成 实验报告包含以上三个实验内容 二 二 实验原理实验原理 1 1 衍射仪的工作原理衍射仪的工作原理 特征 X 射线是一种波长很短 约为 20 0 06nm 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 在用电子束轰击 金属 靶 产生的 X 射线中 包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的 X 射 2 线 称为特征 或标识 X 射线 考虑到 X 射线的波长和晶体内部原子间的距 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 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 1913 年英国物理学家布拉格父子 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 并提出了作为晶体衍射基础的著 名公式 布拉格定律 2dsin n 式中 为 X 射线的波长 n 为任何正整数 当 X 射线以掠角 入射角的 余角 又称为布拉格角 入射到某一点阵晶格间距为 d 的晶面面上时 在符合 上式的条件下 将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线 2 2 物相定性分析原理物相定性分析原理 1 每一物相具有其特有的特征衍射谱 没有任何两种物相的衍射谱是完全相同 的 2 记录已知物相的衍射谱 并保存为 PDF 文件 3 从 PDF 文件中检索出与样品衍射谱完全相同的物相 4 多相样品的衍射谱是其中各相的衍射谱的简单叠加 互不干扰 检索程序能 从 PDF 文件中检索出全部物相 3 3 物相定量分析原理物相定量分析原理 X 射线定量相分析的理论基础是物质参与衍射的体积活重量与其所产生的 衍射强度成正比 当不存在消光及微吸收时 均匀 无织构 无限厚 晶粒足够小的单相时 多晶物质所产生的均匀衍射环上单位长度的积分强度为 式中 R 为衍射仪圆半径 Vo为单胞体积 F 为结构因子 P 为多重性因子 M 为温度因子 为线吸收系数 三 三 仪器与材料仪器与材料 1 仪器 18KW 转靶 X 射线衍射仪 2 数据处理软件 数据采集与处理终端与数据分析软件 MDI Jade 6 3 实验材料 CaCO3 CaSO4 Fe2O3 Fe3O4 四 四 实验步骤实验步骤 1 1 测量数据测量数据 1 准备样品 2 打开 X 射线衍射仪 3 按下 Door 按钮 听到报警 4 向右拉开 常规衍射仪门 装好样品 3 5 向左轻拉 常规衍射仪门 使之合上 6 打开 控制测量 程序 输入实验条件和样品名 开始测量 表 1 实验参数设定 仪器扫描范围扫描度电压电流 D max 2500 型 X 射线衍射 仪 10 80 8 min40KV250mA 7 按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据 2 2 物相鉴定物相鉴定 1 打开 Jade 读入衍射数据文件 2 鼠标右键点击 S M 工具按钮 进入 Search Match 对话界面 3 选择 Chemistry filter 进入元素限定对话框 选中样品中的元素名称 然后点击 OK 返回对话框 再点击 OK 4 从物相匹配表中选中样品中存在的物相 在所选定的物相名称上双击鼠标 显示 PDF 卡片 按下 Save 按钮 保存 PDF 卡片数据 5 在主要相鉴定完成后 对剩余未鉴定的衍射峰涂峰 做 Search Match 直至全部物相鉴定出来 6 鼠标右键点击 打印机 图标 显示打印结果 按下 Save 按钮 输出物 相鉴定结果 7 以同样的方法标定其它样品的物相 物相鉴定实验完成 3 3 物相定量分析物相定量分析 1 在 Jade 窗口中 打开一个多相样品的衍射谱 2 完成多相样品的物相鉴定 物相鉴定时 选择有 RIR 值的 PDF 卡片 3 选择每个物相的主要未重叠的衍射峰进行拟合 求出衍射峰面积 4 选择菜单 Options Easy Quantitative 按绝热法计算样品中两相的重量百 分数 5 按下 Save 按钮 保存定量分析结果 定量分析数据处理完成 计算公式 b a b OAl a OAl a b RIR RIR K K K 32 32 a bba a a KII I W 五五 实验数据处理实验数据处理 1 1 物相鉴定结果物相鉴定结果 1 CaCO3 CaSO4 4 Vaterite syn 24 1 Gypsum 75 9 Wt Vaterite syn CaCO3 Gypsum Ca SO4 H2O 2 Quantitative Analysis from Profile Fitted Peaks 图中鉴定出的物相为 CaCO3与 Ca SO4 H2O 2 与原给定物 CaCO3 CaSO4 相比存在不同 可认为是原物质存放时间较长后吸收了空气中的水蒸气 2 Fe2O3 Fe3O4 5 Iron diiron III oxide 96 5 Hematite 3 5 Wt Iron diiron III oxide Fe3O4 Hematite Fe2O3 Quantitative Analysis from Profile Fitted Peaks 鉴定结果与原给定物相同 吻合完好 物质为 Fe2O3 Fe3O4 2 2 定量分析结果定量分析结果 b a b OAl a OAla b RIR RIR K K K 32 32 a bba a a KII I W 6 ab WW 1 1 68 0 68 1 14 1 K 224 3 3 24 2 OHSOCa CaCO CaCO OHSOCa RIR RIR 256 0 68 0 172434047 4047 3 2242243 3 3 CaCO OHSOCaOHSOCaCaCO CaCO CaCO KII I W 744 1 256 0 11 3242 CaCOOHSOCa WW 2 82 1 91 2 31 5 32 43 43 32 OFe OFe OFe OFe RIR RIR K 965 0 82 130015041 15041 43 323243 43 43 OFe OFeOFeOFe OFe OFe KII I W 035 0 965 0 11 4332 OFeOFe WW 3 3 点阵常数精确测定结果点阵常数精确测定结果 1 CaCO3 2 Ca SO4 H2O 2 7 8 9 3 Fe2O3 4 Fe3O4 10 六六 结果与讨论结果与讨论 1 1 衍射现象与晶体结构之间的关系衍射现象与晶体结构之间的关系 X 射线在晶体中的衍射现象 实质上是大量的原子散射波互相干涉的结果 每种晶体所产生的的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律 概括地讲 一个衍射花样的特征 可以认为由两个方面内容组成 一方面是衍射线在空间 的分布规律 衍射几何 另一方面是衍射线束的强度 衍射线的分布规律是 由晶胞的大小 形状和位向决定的 而衍射线的强度则取决于原子的品种和它 们在晶胞中的位置 为了通过衍射现象来分析晶体内部结构的各种问题 必须 在衍射现象与晶体结构之间建立起定性的定量的关系 现只讨论布拉格方程 1 布拉格方程 2dsin n 式中 d 为相邻两个晶面之间的距离 为入射线或反射线与晶面的交角 为 X 射线波长 n 为正整数 该式是 X 射线在晶体中产生衍射必须满足的基本 条件 它反映了衍射线方向与晶体结构之间的关系 首先由英国物理学家布拉 格父子于 1912 年导出 布拉格方程与劳厄方程虽然表达方式不同 但其实质是 相同的 2 布拉格方程的讨论 用布拉格定律描述 X 射线在晶体中的衍射几何时 是把晶体看做是由许多 平行的原子面堆积而成 把衍射线看作是原子面对入射线的反射 这也就是说 在 X 射线照射到的原子面中所有原子的散射波在原子面反射方向上的相位是相 同的 是干涉加强的方向 从布拉格方程可以看出 在波长一定的情况下 衍射线的方向是晶面间距 d 的函数 不同晶系的晶体 或者同一晶系而晶胞大小不同的晶体 其衍射花 样是不同的 由此可见 布拉格方程可以反映出晶体结构中晶胞大小及形状的 变化 但是 布拉格方程并未反映出晶胞中原子的品种和位置 譬如 简单晶胞 和体心晶胞衍射花样的区别 由单一种类原子构成的体心晶胞和由 A B 两种 原子构成的体心晶胞衍射花样的区别 在布拉格方程中均得不到体现 因为布 11 拉格方程中不包含原子种类和坐标的参量 因此 在研究晶胞中原子的位置和 种类的变化时 还需要有其他的判断依据 从上述产生衍射的条件可以看出 并不是随便把一个晶体置于 X 射线照射 下都能产生衍射现象 例如 一束单色光照射一个固定不动的单晶体 就不一 定能产生衍射现象 因为在这种情况下 反射球面完全有可能不与倒易阵点相 交 因此 在设计实验方法时 一定要保证反射球能有充分的机会与倒易阵点 相交 解决这个问题的方法是使反射球面扫过某些倒易阵点 这样 反射球永 远有机会和倒易阵点相交而产生衍射 要做到这一点 就必须使反射球或晶体 其中之一处于运动状态或者相当与运动状态 2 2 物相分析物相分析 如果试样中只含一个或两个相 一般只要选一次三强线进行检索 就可以 查出所需要的条目和 PDF 卡片 但对三相或者更多相的分析 就复杂得多 因 为要一个相一个相的鉴定 由繁到简地进行分析 选取三强线的搭配方案更多 因此重复检索的次数就更多 但每次步骤相同 在进行定性相分析时 如果预先知道被测试样中可能存在的相 可以先通 过已知相的英文名称检查字母索引 找出有关的 PD