X射线衍射分析期末总结

大3-材料科学-材料x射线衍射和电子显微镜第一部分x射线衍射分析第一章x射线物理基础1.1 X射线的本质1.x射线性质：电磁辐射x射线特性：短波长；具有波粒子二重性。渗透力很强。对生物细胞有很强的破坏作用。1.2建立建构线1.生成原理：当高速运动的电子与物体碰撞时，能量转换发生，电子的运动受到干扰，动能损失，其中少量能量转换为x射线，绝对多数能量转换为热，物体的温度上升。生成条件：自由电子生成；使电子朝向方向的高速运动；在运动路径上设置障碍物，使电子突然减速或停止。3.x射线管：阴极(电子发射)、阳极(目标)、窗口和焦点。1.3 X射线谱1.连续建构线1)特征：一系列波长由不同的x射线组成。有最短波长 0。在大于最短波长的一定范围内，其波长连续变化。2)原因：高速运动电子碰到两极时，速度突然减慢，动能被释放为光能。(3)连续x线的最短波长0(短波限制)仅与管电压相关，与管电流和阳极材料无关。4)连续x射线的强度与管电压、管电流和阳极材料有关。特性x射线谱1)原因：原子内层电子在这里，电子转移发生。(2)特征：由多个特定波长的x射线组成，波长不连续。3)特性x射线的频率和波长是恒定的。4)类型：k系统特性x射线；l系统特性x射线；m系统特性x射线等(5)波长只与阳极材料的原子类型相关，与外部条件无关6)特征x线的相对强度为电子能级间转移概率(k k；K 1 k 2)。7)特性x射线的绝对强度随x射线管电流和电压的增加而增加。8)用途：x射线衍射分析的主要光源；元素成分分析。1.4 X射线与物质的相互作用x射线与物质交互时，可能会发生散射、透射、吸收、光电效应等现象。1.散射1)一致散射：当x光子与原子内的紧束缚电子碰撞时，x光子仅更改移动方向，而不会丢失能量。散射线的波长等于入射光线的波长，有一定的相位关系，可以相互干涉形成衍射图案。用于x射线衍射分析。(2)非干涉散射：当x光子与自由电子或束缚较弱的电子碰撞时，移动方向和能量发生变化。非干涉散射线因波长不同而相互干涉，形成线路。2.光电效应(1)荧光x射线：光电子吸收后，原子处于这里，内层有空位。外部电子现在被称为荧光x射线的特性x射线发射的多余能量转移到内部层的空白空间。(2)欧氏电子：当外部电子转移到内部空洞时，其多余的能量不是通过x射线发射，而是传递到原子的外部电子脱离原子，成为自由电子。这个过程称为osher角色。Auger的作用产生的自由电子称为auger电子。3.吸收：吸收系数l，质量吸收系数m(与x射线的波长和吸收物质的原子序数相关，能反映不同元素吸收x射线的能力)。4.吸收限制：在特定因素的情况下，随着入射x射线波长的缩短，质量吸收系数减小，达到特定波长值，m突然增大，然后逐渐减小，质量吸收系数突变点的波长值称为该因素的吸收限制。应用：x射线过滤器的过滤原理。第二章x射线衍射的几何原理2.1晶体几何简介1.晶面和晶体指数brappy晶格节点坐标：简单晶格：000；底部中心光栅：000，1/2 1/2 0；主体中心点阵式：000，1/2 1/2 1/2；质心光栅：000，1/2 1/2 0，1/2 0 1/2，0 1/2 1/2。3.晶面间距：立方晶界dhkl=ah2 k2 L22.2光栅1.逆晶格的定义将a、b、c设定为正点阵式的基准向量，将a*、b*、c*设定为相应反点阵式S*的基准向量a*a=1、a*b=0、a*c=0B*a=0，b*b=1，b*c=0C*a=0、c*b=0、c*c=1A*=bcV，b*=caV，c*=abV2.逆晶格的性质(1)在反向点*中，从原点指向反向点hkl的矢量必须与点阵(hkl)中的平面光栅垂直，H=ha* kb* lc* Hhkl。2)矢量Hhkl的长度Hhkl与光栅s的dhkl成反比。也就是Hhkl=1/dhkl3.晶体带：在晶体结构或空间光栅中平行于一个方向的所有晶体面属于同一晶体带。标注栏轴：同一标注栏中所有确定面的相交线相互平行且通过坐标原点的线称为标注栏轴。晶体带法则：Hu Kv Lw=0晶体带法则的应用：u=k1l2-k2l1，v=l1h2-l2h1，w=h1k2-k1h22.3布拉格定律布拉格定律2dsin=n，n反应系列，2衍射角反映了晶体结构中单位细胞大小和形状的变化2.4衍射矢量方程和elwad图1.衍射矢量|S-S0|=2sin=/dhkl，S入射光线单位矢量，S0衍射线单位矢量2.爱德华多海以-1为半径绘制圆时，o点是可反转栅格原点，BP和晶体光栅的一个族平面(hkl)平行，OP的长度为1/dhkl，则矢量OP是可反转光栅S*的矢量h。衍射矢量方程r*=S-S0=Ha* Kb* Lc*第三章x射线衍射的强度电子和原子对3.1衍射强度的影响1.电子对x射线散射后空间p点强度Ie=I0R2(04)2(e2mc)21 cos222(04)2(e2mc)2常数电子散射系数，1 cos222偏振系数x射线散射后原子的p点强度Ia=f2Ie原子散射系数f=AaAe=一个原子的所有电子干扰散射波的合成振幅电子干扰散射波的振幅原子散射系数决定原子的电子分布密度和散射波的波长和方向(sin/)。3.2单个细胞对衍射强度的影响1.结构振幅FHKLFkl=Abe=单位胞相干散射波振幅电子相干散射波振幅fkl=j=1 nfj cos 2hvj kuj lwj isdn 2hvj kuj lwj2.结构因素| fkl | 2表征单胞衍射强度，以反映单胞内原子种类、原子数量和原子位置对(HKL)晶面衍射方向上衍射强度的影响| fkl | 2=j=1 nfjcos J2=1 nfjsin J2消光定律布拉菲晶格出现的反射消失的反射简单立方结构都是没有体心立方体H K L是偶数H K L是奇数面心立方h、k、l是所有奇数或偶数混合h、k、l奇偶校验Fkl=0导致衍射线消失的现象称为系统消失。结构因素只与原子的种类和在单个细胞内的位置有关，不受单个细胞形态或大小的影响。4.消光定律1)光栅消亡：由于质心、主体中心或底部有其他阵列点，因此复杂光栅中fkl=0的现象称为光栅消亡。2)结构消亡：对于由两个或两个以上等价物组成的复杂晶体结构，除了它们所属的布拉菲晶格消亡外，还有一个称为结构消亡的附加消亡条件。3.3小晶体对x射线散射的粒子的衍射强度I粒子=ie 3 v2021 sin 2 v | fkl | 23.4角度因素1.衍射的积分强度几乎等于ImB。其中Im是最高强度，b是半高宽度。衍射积分强度与1/sin 2 成正比。粉末多晶反射概率参与形成衍射环的晶面，反射球的投影构成一定宽度的环部分。参与衍射的粒子分数=2r * sin(90-)r * 4r * 2=cos2单位长度衍射环的积分强度洛伦兹系数=1 sin 2cos12=cos22=14 sin 2cos角度系数=1 cos228sin2cos3.5粉末多晶HKL表面的衍射强度1.多度系数：同等级面数对衍射强度的影响系数称为多度系数(数)，用p表示。吸收系数as圆柱试样的吸收：越大，吸收越小，as值越接近1。值相同时，lr越大，as a值越小。平板取样吸收：=12 l3.温度系数e-2M为常数时，温度t越大，e-2M越小，衍射强度越小。t在特定时间点，衍射角度越大，e-2M越小，衍射强度越小，因此背反射的衍射强度越小。4.多晶衍射的积分强度公式I=i0332r(e2mc)2 v02 p | fkl | 21 cos 22sin 2cosae-2m相对积分强度IR=p | fkl | 21 cos 22sin 2cosae-2m第四章x射线衍射实验方法4.1劳埃法：用连续x射线照射固定单晶，使用垂直入射x射线照相胶片记录衍射图案。4.2粉末照片1.德拜照相法1)安装方法a套装法：负片的中心放在支撑架上，圆筒负片打开在膜片的两侧。衍射角度2 从负中心逐渐增加到两侧b逆装法：胶片中心有带隔膜的孔，圆柱胶片开放在胜光管两侧。衍射角度2 从负中心向两侧逐渐减小。c不对称安装法：薄膜有两个孔，放置膜片和胜光管，气缸膜在膜片和胜光管之间开放。2)计算阶段标示每条弧测量有效周长c有效=A B圆弧对间距2L测量和计算theta 2lc有效=4360计算d 2ds ins ins=计算估算每条线的相对强度值II1检查卡2.标注晶面指数，确定晶格类型，计算晶格参数(物质是立方体晶界)计算Sin2判别物质的点阵类型sin2=24a2H2 K2 L2简单立方点阵指数平方和比为133636363636363636363363363363363636360633336336360336033699.体心立方体点阵2336363636363636363636363636363336363601333333333333333376018.或1333636363636363363336360633363636363636360:9.面心立方光栅为3333690433336363601:1336363636019333660193336620.或1:1 . 333662 . 67:3 . 673333636363636 . 3333333636 . 67.计算光栅参数：a=dH2 K2 L24.3粉末衍射法(分析方法见第5章)第五章x射线衍射物相分析5.1相定性分析1.相分析阶段1)获得样品的粉末衍射图案2)确定衍射线的相对强度和面网格间距(II1和d值)3)搜索PDF卡4)卡，相决定2.注意问题d值比强度数据重要在多相混合物的衍射图案中，三条最强的线可能不属于同一相低角度区域的衍射数据比高角度区域的数据重要了解样品的来源、化学成分和物理特性有助于做出正确的结论。5.2相定量分析1.外标准法：首先对正在测试的物质上的纯物质进行单独校准，然后与将在多相混合物中测试的相对应衍射强度进行比较。2.内部标准方法：添加样例已知内容的标准相s(内部标准)。这可以找到未知相a和已知相s的强度大于IA/IS的未知相a的内容。3.k值方法：k值方法也称为基本冲洗方法，是通过改进内部标准方法而开发的4.直接比较法：直接比较法基于两相强度比，无需在测试的样品中混合标准物质。第六章x射线衍射分析的应用6.1点阵常数的精确确定点阵常数的精确确定原理点阵常数测量的准确度6.2多晶试样晶体光栅类型的确定1.简单立方晶格多晶试样的衍射线分布sin 213360 sin 223360 sin 23:sin 24:sin 25:sin 26:sin 27:sin 28.=1:333333363363363636360633363636363636363636363636363636008.2.体心立方晶格多晶试样的衍射线分布sin 213360 sin 223360 sin 23:sin 24:sin 25:sin 26:sin 2