X射线透析演示文稿 (2).ppt

X射线,2010-10-29青岛大学,主要内容,1-X射线的发现2-X射线的产生及其波长和强度的测量3-X射线发射谱4-X射线的吸收5-康普顿效应6-X射线在晶体中的衍射7-X射线与诺奖,1,关于电的知识，在公元前3世纪，人们便已开始掌握。后来又过富兰克林、伽伐尼、伏特、安培、欧姆、法拉长等许多科学家的研究，更加完善系统。到1643年意大利的托里拆利发现了气压和真空，人们便又把真空和电联系在一起研究。将放电管抽空，再充入各种不同的气体，就会显示各种美丽的颜色。科学家还发现，这时放电管的阴极会发现射线，这种“阴极射线”能使几种荧光盐发光，还能使照相底片变黑。这种实验是极有趣的，许多著名的科学家如英国的克鲁克斯、德国的赫兹、列纳德等都在一次又一次地重复观察这种暗室里的神秘闪光。可是发现的幸运往往只能落在一个人头上，这个人就是德国维尔茨堡大学的教授伦琴(18451923)。,2-X射线一般由高速电子打击在物体上产生，产生的工具是一个真空管，里边有两个电极。阳极所用材料是需要而定。一般为熔点高的金属。电压几万到十几万伏特，也有二十几万伏特或更高。,X射线管示意图,X射线本质和光一样。电磁波。波长1埃左右。会发生反，折，干，衍射，偏振等现象。能透过光线透不过的物体。使照相底片感光使气体电离人目不见X光。照某些物上使其发荧光。有些物体发出的荧光是很强的。,Bragg公式n=2dsin,X射线摄谱仪示意图,X射线测谱计,右侧加电压测电流,3X射线发射谱,hc/（最短波长）=veh。（最高频率）=ve连续谱是电子在靶场上被减速而产生，高速电子到了靶上，受靶中库仑场的作用而骤减，电子的动能转化为辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为韧致辐射将h,c,e的值代入，得。=1239.8/v(埃)验证了量子论。和v精确测量可知h,这是测量h的方法1920年吴有训做了这项工作。,a.连续谱与管压的关系（靶不变）图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时，随管压V的升高都向短波方向移动。,连续谱，钨靶，不同的电压,b.连续谱与阳极材料的关系（电压不变）,图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线。由图可见与靶无关。是由管压V决定的。,标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。,标识谱,标识普是线状谱。谱线波长决定于靶子材料。每一种元素有一套一定波长的射线谱，成为这元素的标识谱各元素的标识谱有相似的结构，清楚的分为几个线系。波长最短的一组称为K线系，一般可观察到三条，称为KKK波长由长到短，强度渐弱还有L,M，N系波长更长,莫塞莱定律,波数除以R取平方根原子序数Z呈线性关系。标识谱特性：1.各种元素标识谱有相似结构，不同于可见光的光谱彼此相差可以很大2.按原子序数比较各元素标识谱，谱线波长依次变动看不出周期变化。3.K线系甚至L线系的结构与化学成分无关例如用两种铜的化合物做成的靶子所发铜的K线系相同。,4.X射线管需要加几万伏的电压才能激发出某些线系。X射线的光子能量比可见爱光的光子能量大得多。由此知是内层电子所发。跃迁遵从选择定则X射线标识谱对研究原子结构问题有重要意义。,6.4X射线的吸收,xrd即X-raydiffraction的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。,联合华仪X射线衍射仪电路图X射线衍射仪是利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析.广泛应用于冶金,石油,化工,科研,航空航天,教学,材料生产等领域.X射线衍射仪是利用X射线衍射原理研究物质内部微观结构的一种大型分析仪器，广泛应用于各大、专院校，科研院所及厂矿企业。基本构造X射线衍射仪的形式多种多样,用途各异,但其基本构成很相似,图4为X射线衍射仪的基本构造原理图,主要部件包括4部分。,（1）高稳定度X射线源提供测量所需的X射线,改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长,调节阳极电压可控制X射线源的强度。（2）样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。（3）射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向,通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。（4）衍射图的处理分析系统现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统,它们的特点是自动化和智能化。,如采用PW1700衍射仪，5-30摄氏度。相对湿度20-80,扫描范围的确定不同的测定目的，其扫描范围也不同当选用Cu靶进行无机化合物的相分析时，扫描范围一般为902（2）；对于高分子，有机化合物的相分析，其扫描范围一般为602；在定量分析、点阵参数测定时，一般只对欲测衍射峰扫描几度。8.扫描速度的确定常规物相定性分析常采用每分钟2或4的扫描速度，在进行点阵参数测定，微量分析或物相定量分析时，常采用每分钟1/2或1/4的扫描速度。,六.【样品制备方法】X射线衍射分析的样品主要有粉末样品、块状样品、薄膜样品、纤维样品等。样品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），则样品准备方法不同。1.粉末样品：X射线衍射仪的粉末试样必需满足这样两个条件：晶粒要细小，试样无择优取向(取向排列混乱)。所以，通常将试样研细后使用。可用玛瑙研钵研细。定性分析时粒度应小于44微米(350目)，定量分析时应将试样研细至10微米左右。较方便地确定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾动，两手指间没有颗粒感觉的粒度大致为10微米。,常用的粉末样品架为玻璃试样架，在玻璃板上蚀刻出试样填充区为2018平方毫米。玻璃样品架主要用于粉末试样较少时(约少于500立方毫米)使用。充填时，将试样粉末-点一点地放进试样填充区，重复这种操作，使粉末试样在试样架里均匀分布并用玻璃板压平实，要求试样面与玻璃表面齐平。如果试样的量少到不能充分填满试样填充区，可在玻璃试样架凹槽里先滴一薄层用醋酸戊酯稀释的火棉胶溶液，然后将粉末试样撒在上面，待干燥后测试。2.块状样品：先将块状样品表面研磨抛光，大小不超过2018平方毫米,然后用橡皮泥将样品粘在铝样品支架上，要求样品表面与铝样品支架表面平齐。,3.微量样品：取微量样品放入玛瑙研钵中将其研细，然后将研细的样品放在单晶硅样品支架上（切割单晶硅样品支架时使其表面不满足衍射条件），滴数滴无水乙醇使微量样品在单晶硅片上分散均匀，待乙醇完全挥发后即可测试。4.薄膜样品制备：将薄膜样品剪成合适大小，用胶带纸粘在玻璃样品支架上即可。,标题：图3TiO2的x射线衍射图篇名：晶粒大小的测定说明：在各衍射峰附近进行慢速连续扫描,扫描速度:1/min,取样宽度:2=0.002。其衍射图见图3,标题：图2合成产物的x射线衍射图谱篇名：用金溪膨润土合成4A分子筛及产品性能研究说明：3.1x射线衍射分析膨润土经活化后所得活性白土制得的4A分子筛产品,在镜下观察均呈立方体晶形,经x射线衍射分析其产物为4A分子筛。x射线衍蒀JFD2001。,标题：图2合成产物的x射线衍射图谱篇名：用金溪膨润土合成4A分子筛及产品性能研究说明：3.1x射线衍射分析膨润土经活化后所得活性白土制得的4A分子筛产品,在镜下观察均呈立方体晶形,经x射线衍射分析其产物为4A分子筛。x射线衍蒀JFD2001,伦琴夫人的手,三、吸收限在E图中，在某一个能量E处，发声突变，称之为吸收限。产生吸收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。,吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系有实验可知：a=cz43,根据这个原理，我们用该元素制成一个薄片，放在X射线的光路上，就可使KX线顺利通过，而其它频率成份被大量吸收，从而起到选通某些频率X射线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现Cu和Zn的特征射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，由于(Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而(Zn)的能量比它高，将会被吸收。,吸收限的应用：应用1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的X射线.原理：我们知道，产生KX射线的阈能总要大于该元素本身KX射线的能量。而某物质的KX线的阈能正是该物质E图上K吸收限的能量。因此，该物质的KX射线的能量位置，必定在K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近，相应的吸收系数比较小。,5-康普顿效应,石墨的康普顿效应,二、康普顿散射实验的量子解释,6-X射线在晶体中的衍射,倒格,主要内容,1倒格定义,3倒格与傅里叶变换,2倒格与正格的关系,假设:基矢是未知的，只有一些周期性分布的点子同晶面族一一对应,可以求出基矢.InX-rayphoto,Pointscorrespondwiththecrystalplanes.倒格子:类似上面所设想的那些点子所组成的格子.,电子衍射图,1.4倒格,倒格,正格（点位）矢：,倒格基矢,倒格（点位）矢：,晶体结构=晶格+基元,正格基矢,正格,一个晶体结构有两个格子，一个是正格，另一个为倒格。,1.4.1倒格定义,倒格基矢定义为：,其中是正格基矢，,是固体物理学原胞体积,倒格基矢的方向和长度如何呢？,一个倒格基矢是和正格原胞中一组晶面相对应的，它的方向是该晶面的法线方向，它的大小则为该晶面族面间距倒数的2倍。,1.4.2倒格与正格的关系,其中分别为正格点位矢和倒格点位矢。,4.倒格矢与正格中晶面族(h1h2h3)正交，且其长度为。,设ABC为晶面族(h1h2h3)中离原点最近的晶面，,ABC在基矢上的截距分别为。,由图可知：,(2)证明的长度等于。,由平面方程：得：,在晶胞坐标系中，,1.4.3倒格与傅里叶变换,在任意两个原胞的相对应点上，晶体的物理性质相同。,上式两边分别按傅里叶级数展开：,是正格矢。,一定是倒格矢。,晶体结构,1.,1.,2.与晶体中原子位置相对应；,2.与晶体中一族晶面相对应；,3.是与真实空间相联系的傅里叶空间中点的周期性排列；,3.是真实空间中点的周期性排列；,4.线度量纲为长度,4.线度量纲为长度-1,证简立方晶面(h1h2h3)的面间距为,证明：,简立方：,法一：,由此式知：晶面指数小的晶面族，面间距大，面密度大，容易解理，对X射线散射强，往往为照片中浓黑斑点所对应。,晶体的X射线衍射,主要内容:,晶体衍射的基本方法,晶体X射线衍射的几种方法,X射线衍射方程,1.6.1晶体衍射的基本方法,1.6晶体衍射,1.X射线衍射,(nm),X射线是由被高电压V加速了的电子，打击在“靶极”物质上而产生的一种电磁波。,nm,在晶体衍射中，常取U-40千伏，所以-0.03nm。,(nm),nm,2.电子衍射,电子波受电子和原子核散射，散射很强透射力较弱，电子衍射主要用来观察薄膜。,3.中子衍射,中子主要受原子核的散射，轻的原子对于中子的散射也很强，所以常用来决定氢、碳在晶体中的位置。,中子具有磁矩，尤其适合于研究磁性物质的结构。,1.布拉格反射公式,衍射加强的条件：,n为整数，称为衍射级数。,1.6.2X射线衍射方程,是否可以用可见光进行晶体衍射呢？,不能用可见光进行晶体衍射。,由上式可以看出：,，,设X射线源和晶体的距离以及观测点和晶体的距离都比晶体线度大得多。,(1)入射线和衍射线为平行光线；,(2)略去康普顿效应；,(3)分别为入射和衍射线方向的单位矢量；,(4)只讨论布拉维晶格。,2.劳厄衍射方程,波程差,衍射加强条件为：,-劳厄衍射方程,设A为任一格点，格矢,波矢,面指数，,衍射面指数。,3.反射公式与衍射方程是等价的,4.反射球,则必落在以和的交点C为中心，2/为半径的球面上，反之，落在球面上的倒格点必满足，这些倒格点所对应的晶面族将产生反射，所以这样的球称为反射球。,反射球中心C并非倒格点位置，O为倒格点。,如何作反射球呢?,若,设入射线沿CO方向，取线段，其中是所用单色X射线的波长，再以C为心，以为半径所作的球就是反射球。,O、P、Q是反射球上的倒格点，CO是X射线入射方向，则CP是以OP为倒格矢的一族晶面(h1h2h3)的反射方向，OP间无倒格点,所以CP方向的反射是n=1的一级衍射。,而OQ联线上还有一倒格点，所以CQ方向的反射是二级衍射。,问题：,如果入射方向一定，波长一定，一族晶面是否可能同时产生不同的反射级呢？,1.6.3晶体X射线衍射的几种方法,1.劳厄法,(1)单晶体不动，入射光方向不变；,(2)X射线连续谱，波长在间变化，反射球半径。,在红色区域的倒格点和各球心的连线都表示晶体可以产生反射的方向(衍射极大方向)。,倒格点的分布,衍射斑点分布,倒格点对称性,晶格的对称性,当X光入射方向与晶体的某对称轴平行时，劳厄衍射斑点具有对称性。,衍射斑点与倒格点相对应。,2.转动单晶法,(1)X射线是单色的；,(2)晶体转动。,用劳厄法可确定晶体的对称性,CO为入射方向,晶体在O点处,晶体转动,倒格转动,反射球绕过O的轴转动,CP的方向即为反射线的方向,实际反射线是通过晶体O的,反射线构成以转轴为轴的一系列圆锥,在圆筒形底片上衍射斑点形成一系列直线,由直线间距计算晶格常量,根据衍射斑点间的距离可以求晶体的晶格常量。,3.粉末法,(1)X射线单色(固定)；,(2)样品为取向各异的单晶粉末。,由于样品对入射线方向是“轴对称”的，不同晶面族的衍射线构成不同圆锥。衍射线与圆筒形相交，形成图示衍射条纹。,据不同的晶面族的衍射条纹位置和波长，可求出晶面族面间距，进而确定晶格常量。,氯化钠晶体的劳厄相片,这是含有较强连续谱的X射线先后通过两个小圆孔，使成为细束，射在一片晶体上,每一斑点对应于一组晶面，由斑点的位置可以知道各组对应平面的方向。因此。有这样一张相片就可以推断晶体的结构。,氯化锆的粉末法相片,晶体粉末装在小管中，单波长射线射在上面,照相底片接受射线显像后出现许多同心圆。由圆的大小推得发生这圈的晶面与入射射线所成的角度。求得一组d，可知结构。,7,1901-伦琴发现X射线，首届诺贝尔物理学奖1903-贝克勒尔发现铀射线，居里夫人发现放射性元素获诺奖1906-JJ汤姆逊1914-劳厄1915-布拉格1917巴克拉1924西格班1927康普顿,在化学，生理学及医学奖等方面也有很多。1951-1953年间，美国的生物物理学家华特生和英国化学家克里克利用X射线分析研究了DNA的结构，提出DNA分子的双螺旋结构模型。从此揭开了分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的发展鉴定了基础。它被认为是20世纪自然科学的最重大突破之一。他们由此获得1962年诺贝尔生理学及医学奖。,富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键,美国生物学家科马克和英国的豪斯菲尔德利用计算机与X射线扫描技术相结合，创造了一种崭新的诊断技术CT（电子计算机X射线断层扫描技术）1979获诺奖。结语-近20年来X射线结构分析采用先进的衍射仪（如四圆衍射仪）与电子计算机技术及相应的计算软件相结合，可靠性和精密度都大大提高,在关于宇宙组成，物质结构和生命科学三大前沿领域中正日益发挥越来越大的作用。伦琴-撬开微观世界大门金钥匙的伟大学者。,1896年1月23日，伦琴在自己的研究所里举行关于新射线的报告会。会议还没有开始，小礼堂已经座无虚席，窗台上、走廊里，凡能下脚的地方都剂满了听众。这是些什么样的听众呀，有贵族、大学教授、高级官员、军官还有学生和一些设法挤进来的市民。一个高等院校的研究所，一个高深的物理课题，还从来没有这样众多的听众来光顾呢。伦琴还没有出场，人们就急得如等待皇帝的召见，又像盼着一个大明星的出现，个个都引颈踮脚，直视台口，一面窃窃议论着这个能穿透人的血肉的可怕怪物。这种紧张的准备气氛大约持续了半个小时，伦琴才出现在台前。他高高的个了，留着一把漂亮的卷曲的大胡子，还是穿着平常的实验服，目光平静和蔼，仿佛不是来宣布一项震惊世界的发现，倒像是踏着铃声走进课堂，礼堂里立即响起如潮的掌声。年轻人把子抛向空中，人们高喊着“伦琴”，“X射线”，屋子里立即如一锅开水沸沸扬扬。伦琴示意大家静下来，向大家表示真诚的谢意。但是他每致谢一次，这欢呼就掀起一个新的浪潮，这样一连三次，人们激动的情绪才稍稍平息。这时伦琴才开始演讲：,“尊敬的先生们，谢谢大家今天的光临