X射线衍射物相定性分析.ppt

1,提纲（Outline),引言（Introduction-Why,WhatandHow）材料与材料科学与工程（MaterialsandMSE)材料表征(MaterialsCharacterization)课程内容(SubjectContent)表征原理(GeneralPrinciple)X射线衍射XRayDiffraction(XRD)历史回顾（Historyretrospection）X射线性质和产生（NatureandproductionofXray）X射线与物质相互作用（InteractionofXraysandmaterials）,2,过程、组成ProcessingComposition,结构Structure,性能效能Properties,结构形成过程“材料工艺”,中心环节,构件、器件的制备“材料选择”,Performance,MaterialsScienceandEngineering,Goal/means,Cause/effect,Structure,Properties,Structure-PropertyLinkages,WhatisMaterialsScienceandEngineering?,3,MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.,4,研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等技术。为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程.(材和料）“Seeing”isbelieving,MSEandMaterialsCharacterization材料科学与工程和材料表征,5,MaterialsCharacterization,狭义的材料表征指研究材料组成、结构（及性能？)的仪器分析方法。,材料组成？Composition，ComponentandConstituents,Whatdoyoumeanorthinkofwhenyousayorseethe3“C”s?,Isitenoughtoknowelementalcomposition(元素组成）?,QualitativeandQuantative,6,三聚氰胺（化学式：C3H6N6），俗称蜜胺、蛋白精,食品工业中常常需要测定食品的蛋白质含量，由于直接测量蛋白质技术上比较复杂，所以常用一种叫做凯氏定氮法的方法，通过测定氮原子的含量来间接推算食品中蛋白质的含量。由于三聚氰胺与蛋白质相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白质含量较高的假象。,“相”组成更为重要？！,7,Whatismaterialstructure?材料结构？,组元（元素、相）组元的排列、结合方式,8,多层次的物质结构Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.,宏观：Macroscopic(0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介观：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亚原子：Subatomic(0.1nm)Electrons,protons,neutrons,材料科学研究范畴Domainofmaterialscience,9,材料表征MaterialsCharacterization,元素（化学）组成ElementalAnalysis相分析Phaseidentification相变Phasetransformation不同层次的结构Structureatdifferentlevels,Macrotomoleculesandatoms表面与界面Surface,interface微观、光谱、衍射与成像、各种热分析方法Microscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods,材料研究需要各种分析表征手段，要求我们掌握它们的原理并在实践中加以灵活运用。,11,课程内容,第一章X射线衍射分析（卢都友duyoulu第二章电子显微分析（刘云飞）第三章振动光谱分析（韦亚兵）第四章热分析（李晓云）,材料的分析与表征原理MaterialsCharacterization,材料与输入信号相互作用，产生输出信号。,比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。,1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。,材料的分析与表征MaterialsCharacterization,光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等,材料,了解掌握和灵活运用各种表征手段。,光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等,X射线衍射分析,15,X射线的发现Historyretrospection,1895年，德国物理学家Rntgen（伦琴）(Bornin1845inGernmany)在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）,16,Perfectdiscovery,Nomistakes.Fewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Exploitthesubjectcompletely.Threepapersexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.QuickapplicationDec28,1895publishedhispreliminarycommunication,Jan6,1896.,17,Bornin1845inGermany.Insmallandinformalgroupshecouldbeengaging,buttostudentsandjuniorcolleagueshewasknownasunapproachable.Hewasextremelynervousandunabletospeaktoaboveawhisper.Thispublicuneasinesswascombinedwithanunwaveringadherencetoprinciples.VonLaue1962.Theimpactofhisdiscoverywassooverwhelmingthathe,whowasover50atthetime,neverrecoveredfromit.For-asfewpeopleseemtorealizeeverygreatintellectualdiscoveryisaheavyburdenforthemanwhomakesit.Themagnitudeofhisexploitcanberecognizedparticularlyifoneconsidersthatthelargenumberofotherphysists,someofthemofgreatrenown,whoexperimentedwiththesamekindofapparatusbeforeretegenanddidnotdiscoverythexray.Forsuchabreakthroughintocompletelyunsuspectedterritoryonemusthaveenormouscourageandinadditionaselfdisciplinewhichpreservesmentalcalmandclarityinthemidstofthegreatjoyandexcitementofthefirstfindings.Manyobservationshavetobemadeandcorrelatedtomakepossible(thethreepapers)whichexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Iknowonlyfewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Seldomhasascientificdiscoverycapturedthepublicfancysothoroughlyandsoquickly.ContributingtothiswasthealmostimmediaterecognitionofthemedicalapplicationofXrays.Hispreliminarycommunication,concerninganewkindofrayswaspublishedonDec28,1895.Asanewyearsgreetingtocolleagues,hesentreprintsalongwithhisxrayphotos.Oneofthereprints,alongwithaphotoofhiswifeshand,quicklyfounditswaytoDr.MoritzJastrowitz,aphysician,whoatameetingoftheBerlinMedicalassociationonJan6,1896.Thediscoveryofx-raybyRontegenistheperfectexampleofSerendipity有意外发现珍宝的运气.Therewasnobasisforpredictingit.Thevalueofbasicresearchhasseldombeenbetterillustrated.ImagineifsomehospitalorhealthministryhadmadeacontractwithRontgentoinventadeviceforinspectingbrokenbones.WouldhehavebegunbybuildinganapparatusaroundtheHittorf-Crookestubeanditshigh-voltagecoils?,18,Rontgenbelievedstronglythatscienceshouldnotbepopularized(adilutinginhisview)thattruesciencewasnotforthesakeofgainorvanity,butshouldbepracticedtoshedlightonGodstruth,andthatonemustbeabsolutelycertaineverythingonewritesforapublicationisabsolutelyverifiable-nospeculationisallowed.Averybroadrangeofmethodsduetothetypeandrequirementsofmaterialscharacterization.Phaseidentification,qualitativeandquantitative,19,X射线的发展史,1895年，德国物理学家Rntgen（伦琴）在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）,1912年，德国的Laue(劳厄)第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科X射线衍射晶体学。（1914年获得诺贝尔奖）,1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔奖),20,X射线的发展史,1917年,巴克拉发现元素的标识X射线；,1924年,塞格巴恩创立了X射线光谱学；,1936年，德拜、1946年，马勒，1979年，柯马克等人由于在X射线及其应用方面研究而获得化学，生理，物理诺贝尔奖；,有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。,21,1、衍射分析技术的发展,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,22,X射线应用技术,X射线形貌技术（Radiography）医学诊断、治疗、工业探伤X射线光谱技术（Spectrum）元素分析X射线衍射技术（XrayDiffraction-XRD）相分析、结构分析等,23,课程要求和内容提纲,理解XRD和仪器工作原理，熟练掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。X射线的物理基础晶体结构基础知识X射线衍射几何条件和衍射线强度X射线衍射仪X射线衍射物相定性分析原理及应用,24,X射线的物理基础,ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety,25,1.TheNatureofXrays,X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为102到102埃的范围。（如右图所示）,26,波粒二相性propertiesofbothwavesandparticles,波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质相互作用现象，用动能和动量表征。波粒二相性公式：E=hv=h.c/，P=h/,27,由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。,能量与强度EnergyandIntensity,能量：E=hv=h.c/（与波长成反比，频率成正比）与穿透能力相关。,强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s.,强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.,28,ProductionofXRaysXraytube（X射线管）,29,WorkingofXraytube,30,31,32,3.XRayspectrumX射线谱,当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照经典电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续X射线。Suddendecelerationoffast-movingparticlesContinuousandcharacteristicXRayspectrum,33,h.c/=eV=h.c/eV0=1.24/V,Continuous/whiteXRayspectrum,34,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于静电单位；V电子通过两极时的电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于相关习题：,35,相关习题,试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？,36,X射线的强度,连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极