X射线和单晶衍射

1、X射线和单晶衍射第第四四章章 X-射线晶体学基础射线晶体学基础和和粉末粉末/单晶衍射技术单晶衍射技术X射线和单晶衍射材料：结构决定性能X射线和单晶衍射v物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。v如果你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！vX射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异极大.vX射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。X射线和单晶衍射衍射分析技术的发展简史v与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 年 份学 科得奖者内 容1901物理伦琴Wilhelm Conral Ro

2、ntgenX射线的发现1914物理劳埃Max von Laue晶体的X射线衍射亨利.布拉格Henry Bragg劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射线1924物理卡尔.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射线光谱学戴维森Clinton Joseph Davisson汤姆孙George Paget Thomson1954化学鲍林Linus Carl Panling化学键的本质肯德鲁John Charles Kendrew帕鲁兹Max Ferdinand Perutz1962生理医学Franci

3、s H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脱氧核糖核酸DNA测定1964化学Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶体测定霍普特曼Herbert Hauptman卡尔Jerome Karle鲁斯卡E.Ruska电子显微镜宾尼希G.Binnig扫描隧道显微镜罗雷尔H.Rohrer布罗克豪斯 B.N.Brockhouse中子谱学沙尔 C.G.Shull中子衍射直接法解析结构1915物理晶体结构的X射线分析1937物理电子衍射1986物理1994物理1962化学蛋白质的结构测定1985化学X射线和单晶衍射内容vX射线的本质

4、和产生射线的本质和产生v衍射方向衍射方向v衍射强度衍射强度v粉晶衍射原理和衍射图的应用粉晶衍射原理和衍射图的应用v单晶解析软件介绍和操作示范单晶解析软件介绍和操作示范X射线和单晶衍射1、X射线的本质和产生射线的本质和产生v。vX射线具有波粒二象性,即波动性和粒子性。解释它的干涉与衍射时，把它看成波，而考虑它与其他物质相互作用时，则将它看成粒子流，这种微粒子通常称为光子。X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射晶体结构测定的晶体结构测定的X射线射线v用于晶体结构测定的用于晶体结构测定的X射线波长约射线波长约50-250pm，与晶体内原子间距大致相当。这种与晶体内原子间距大致相当。这种X射线，射线，通常在

5、真空度约通常在真空度约104Pa的的X射线管内，由高射线管内，由高压加速的电子冲击阳极金属靶产生，以压加速的电子冲击阳极金属靶产生，以Cu靶靶为例，当电压达为例，当电压达35-40KV时，时，X光管内加速电光管内加速电子将子将Cu原子最内层的原子最内层的1S电子轰击出来，次内电子轰击出来，次内层层2S、2P电子补入内层，电子补入内层，2S、2P电子能级电子能级与与1S能级间隔是固定的，发射的能级间隔是固定的，发射的X射线有某射线有某一固定波长，故称为特征射线，一固定波长，故称为特征射线，X射线和单晶衍射特征X射线波长v特征X射线波长与靶材料原子序数有关，原子序数越大，核对内层电子引力上升，下降

6、v常用的靶材有Cu靶，Mo靶和Fe靶。X射线和单晶衍射同步辐射X射线源v同步辐射X400左右。其特点是强度高，单色性好，比通常的X射线管所发出的X射线约大105倍左右。X射线和单晶衍射X射线与物质的相互作用X射线和单晶衍射X-射线的衍射v当一束X射线照射到晶体上时，首先被电子所散射，每个电子都是一个新的辐射波源，向空间辐射出与入射波同频率的电磁波。v可以把晶体中每个原子都看作一个新的散射波源，它们各自向空间辐射与入射波同频率的电磁波。由于这些散射波之间的干涉作用，使得空间某些方向上的波则始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观测到衍射线，而另一些方向上的波则始终是互相是抵消的，于是就没有衍射线

7、产生X射线和单晶衍射vX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。vX射线衍射理论所要解决的中心问题: 在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系X射线和单晶衍射衍射花样v晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子的分布规律。概括地讲，一个衍射花样的特征，可以认为由两个方面的内容组成：v一方面是衍射线在空间的分布规律（又称 衍射几何），衍射线的分布规律是晶胞的大小、形状和位向决定的。v另一方面是衍射线束的强度，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。X射线和单晶衍射 The Nobel Prize in Physics 1901for their the

8、ories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Wilhelm Conrad Roentgen Germany Munich UniversityMunich, Germany1845 - 1923伦琴伦琴X射线和单晶衍射 1901 1901年获年获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 W.C. (Wilhelm Conrad Roentgen 18451923)18451845年年3 3月月2727日生于德国莱茵省勒奈普市。日生于德国莱茵省勒奈普市。18691869年在苏黎世大学获哲学博士学位，并留年

9、在苏黎世大学获哲学博士学位，并留校任教。校任教。18721872年年18791879年先后在斯特拉斯年先后在斯特拉斯堡大学，霍恩海姆农学院、吉森大学等校任堡大学，霍恩海姆农学院、吉森大学等校任教，教，18881888年起任维尔茨堡大学教授及物理所年起任维尔茨堡大学教授及物理所所长，后任校长。所长，后任校长。18961896年成为柏林和慕尼黑年成为柏林和慕尼黑科学院通讯院士，科学院通讯院士，1900192019001920年任慕尼黑年任慕尼黑物理所所长，物理所所长，19231923年年2 2月月1010日逝世。日逝世。主要成就：从主要成就：从1876年开始研究各种气体比热，年开始研究各种气体比热

10、，证实气体中电磁旋光效应存在。证实气体中电磁旋光效应存在。1888年实验年实验证实电介质能产生磁效应，最重要在证实电介质能产生磁效应，最重要在1895年年11月月8日在实验中发现：当克鲁克斯管接高日在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命名为他命名为X射线。射线。X射线在晶体结构分析，射线在晶体结构分析，金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方面有广泛应用，因此而获得面有广泛应用，因此而获得1901年诺贝尔物年诺贝尔物理奖。理奖。 伦琴伦琴X射线和单晶衍射 二、衍射几何二、衍射几何v讨论衍

11、射几何的方程有讨论衍射几何的方程有Laue(劳埃劳埃)方程和方程和Bragg（布拉格）方程。前者从一维点阵出（布拉格）方程。前者从一维点阵出发，后者从平面点阵出发，两个方程是等效发，后者从平面点阵出发，两个方程是等效的。的。 X射线和单晶衍射1 1、LaueLaue方程方程v两相邻散射线发生增强干涉现象的条件为光程差是波长的整数倍：X射线和单晶衍射v实际上以a作为轴线，和a呈a角的圆锥面的各个方向均满足这一条件。X射线和单晶衍射 以直线点阵为出发点，是联系点阵单位的以直线点阵为出发点，是联系点阵单位的3个基本矢个基本矢量量a,b,c以及以及X射线的入射和衍射的单位矢量射线的入射和衍射的单位矢量

12、s0和和s的方程，的方程，其数学形式为：其数学形式为： a ( s - s0 ) = h a(cos -cos0)=h b ( s - s0 ) = k b(cos-cos0)=k c ( s - s0 ) = l c(cos -cos0)=l h，k，l， 0 0 ，1，2， 式中式中为波长，为波长，h ,k , l 均为整数，均为整数，h k l 称为衍射指标。称为衍射指标。X射线和单晶衍射 上式称为劳埃（上式称为劳埃（laue）方程，）方程，hkl称为衍射指标。称为衍射指标。 符合上式的衍射方向应是三个圆锥面的共交线。符合上式的衍射方向应是三个圆锥面的共交线。但三个圆锥面却不一定恰好有共

13、交线，这是因为但三个圆锥面却不一定恰好有共交线，这是因为上式中的三个衍射角上式中的三个衍射角，之间，还存在着一个之间，还存在着一个函数关系函数关系F(，)0例如当例如当，相互垂直时，则有相互垂直时，则有cos2cos2cos21X射线和单晶衍射 ，共计三个变量，但要求它们满共计三个变量，但要求它们满足上述的四个方程，这在一般情况下是办不足上述的四个方程，这在一般情况下是办不到的，因而不能得到衍射图。为了获得衍射到的，因而不能得到衍射图。为了获得衍射图必须增加一个变数。增加一个变数可采用图必须增加一个变数。增加一个变数可采用两种办法：一种办法是晶体不动（即两种办法：一种办法是晶体不动（即0 0，

14、0 0，0 0固定），只固定），只改变改变X X射线射线方向方向；另一种；另一种办法是采用单色办法是采用单色X X射线（射线（固定），但改变固定），但改变0 0，0 0，0 0的一个或两个以达到产生衍射的一个或两个以达到产生衍射的目的。前一种办法称为劳埃摄谱法，后一的目的。前一种办法称为劳埃摄谱法，后一种办法包括回转晶体法和粉末法等。种办法包括回转晶体法和粉末法等。X射线和单晶衍射The Nobel Prize in Physics 1914for their theories, developed independently, concerning the course of chemica

15、l reactions Max von Laue Germany Frankfurt UniversityFrankfurt-on-the Main, Germany1879 - 1960劳厄劳厄X射线和单晶衍射19141914年获物理奖年获物理奖 M. (Max von Laue,1879-1960) 18791879年年1010月月1010日生于德国科布伦茨附近的日生于德国科布伦茨附近的普法芬多尔夫。普法芬多尔夫。18981898年中学毕业后一边在军年中学毕业后一边在军队服务，一边在斯特拉斯堡大学学习。队服务，一边在斯特拉斯堡大学学习。18991899年转到哥廷根大学，研究理论物理，年转到

16、哥廷根大学，研究理论物理，19031903年年在在PlankPlank指导下获博士学位，指导下获博士学位，19091909年为慕尼黑年为慕尼黑大学理论物理所研究人员，大学理论物理所研究人员，19121912年起他先后年起他先后在苏黎世大学、法兰克福大学，柏林大学任在苏黎世大学、法兰克福大学，柏林大学任教。教。19211921年成为普鲁士科学院院士，年成为普鲁士科学院院士，1921192119341934年是德国科学资助协会物理委员会主席，年是德国科学资助协会物理委员会主席，二战中，他是德国学者中抵制希特勒国家社二战中，他是德国学者中抵制希特勒国家社会主义的代表人物之一，因此失去物理所顾会主义的

17、代表人物之一，因此失去物理所顾问位置，问位置，19551955年重被选进德国物理学会，年重被选进德国物理学会，19601960年年4 4月月2424日因车祸去世。日因车祸去世。 主要成就：在第一次世界大战期间，他与主要成就：在第一次世界大战期间，他与维恩一起发展电子放大管，用于改进军用通维恩一起发展电子放大管，用于改进军用通讯技术，讯技术，1907年，他从光学角度支持爱因斯年，他从光学角度支持爱因斯坦狭义相对论，坦狭义相对论，1910年写了一本专著，最重年写了一本专著，最重要贡献是发现了要贡献是发现了“X射线通过晶体的衍射射线通过晶体的衍射”。 劳厄X射线和单晶衍射 空间点阵的衍射条件除了用劳

18、埃方程来表空间点阵的衍射条件除了用劳埃方程来表示以外，还有一个很简便的关系式，这就是布示以外，还有一个很简便的关系式，这就是布拉格（拉格（BraggBragg）方程。）方程。2. Bragg方程方程 X射线和单晶衍射两条单色X光平行入射，入射角。反射角=入射角，且反射线、入射线、晶面法线共平面。有光程差QMQN2d(hkl)sin衍射条件：2d(hkl)sin=n-Bragg方程方程为整数1，2，3X射线和单晶衍射v实际工作中所测的角度不是角，而是2 。v2角是入射线和衍射线之间的夹角，习惯上称2角为衍射角，称为Bragg角，或衍射半角。X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射The Nobel Pr

19、ize in Physics 1915for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Sir William Henry Bragg Great Britain London UniversityLondon, Great Britain1862 - 1942布拉格布拉格X射线和单晶衍射19151915年物理奖年物理奖W.H (William Henry Bragg, 18621942) 18621862年年7 7月月2 2日生于英格兰西部的坎伯日生于英格兰西部的坎

20、伯兰，曾被保送进威廉皇家学院学习，后进兰，曾被保送进威廉皇家学院学习，后进入剑桥大学三一学院攻读数学，并在卡文入剑桥大学三一学院攻读数学，并在卡文迪什实验室学习物理。迪什实验室学习物理。18851885年在澳大利年在澳大利亚阿德莱德大学任教，亚阿德莱德大学任教，19071907年，被选进伦年，被选进伦敦皇家学会，敦皇家学会，19091909年回英国利兹大学任教，年回英国利兹大学任教，19151915年到伦敦大学任教，年到伦敦大学任教，1935194019351940年年任皇家学会会长，在英国科学界负有盛名，任皇家学会会长，在英国科学界负有盛名，并被授予巴黎、华盛顿、哥本哈根，阿姆并被授予巴黎、

21、华盛顿、哥本哈根，阿姆斯特丹等国外科学院院士称号，斯特丹等国外科学院院士称号，19421942年年3 3月月病逝于伦敦。病逝于伦敦。主要成就：可分为两个阶段，第一阶段在主要成就：可分为两个阶段，第一阶段在澳大利亚，研究静电学、磁场能量及放射澳大利亚，研究静电学、磁场能量及放射射线，第二阶段即射线，第二阶段即1912年后，与儿子一起年后，与儿子一起推导出布拉格关系式推导出布拉格关系式, , 说明说明X射线波长与衍射线波长与衍射角之间关系，射角之间关系，1913年建立第一台年建立第一台X射线摄射线摄谱仪，并将晶体结构分析程序化。谱仪，并将晶体结构分析程序化。 布拉格布拉格布拉格布拉格X射线和单晶衍

22、射三、衍射强度v晶体对X射线在某方向上的衍射强度，与衍射方向及晶胞中原子的分布有关。前者由衍射指标hkl决定，后者由晶胞中原子的坐标参数（x,y,z）决定。定量地表达这两因素和衍射强度的关系，需考虑波的叠加，并引入结构因子Fhkl.X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射通常情况，原子电子数越多，即其越“重”，对X-射线的衍射能力越强故电子程序能够轻松地判断出在一堆“轻”原子周围的”重“原子X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射X射线和单晶衍射系统消光消光规律：晶体结构中如果存在着带心的点阵、滑移面和螺旋轴等对称性时，就会有许多衍射有规律地、系统地出现衍射强度为零的现象（ 即Fhkl=0)，

23、这种现象称为系统消光。衍射数据中的系统消光是确定晶体的点阵型式和空间群的重要依据。X射线和单晶衍射注意：衍射条件与消光条件正好相反X射线和单晶衍射 晶体的形状和大小决定了衍射线条的位置，晶体的形状和大小决定了衍射线条的位置，也即也即（2）角的大小，而晶体中原子的排列）角的大小，而晶体中原子的排列及数量，则决定了该衍射线条的相对强度。及数量，则决定了该衍射线条的相对强度。 晶体的结构，决定该晶体的衍射花样，由晶体的结构，决定该晶体的衍射花样，由晶体的衍射花样，采用尝试法来推断晶体的结晶体的衍射花样，采用尝试法来推断晶体的结构。构。四、晶体结构解析方法和流程X射线和单晶衍射 从目前的实验手段看，测

24、定晶体结构可从目前的实验手段看，测定晶体结构可采用多晶法和单晶法两种。采用多晶法和单晶法两种。 多晶法样品制备、衍射实验和数据处理简多晶法样品制备、衍射实验和数据处理简单，但只能测定简单或复杂结构的部分内容，单，但只能测定简单或复杂结构的部分内容， 而单晶衍射法则样品制备、衍射实验设备而单晶衍射法则样品制备、衍射实验设备和数据处理复杂，但可测定复杂结构。和数据处理复杂，但可测定复杂结构。X射线和单晶衍射粉晶衍射原理、衍射图的特征及应用粉晶衍射原理、衍射图的特征及应用1 1、确定样品中存在的结晶物相的种类（定性分析）、确定样品中存在的结晶物相的种类（定性分析）国际通用的标准粉末数据卡（JCPDS

25、）及JADE等软件进行检索2 2、确定样品中某物相的百分含量、确定样品中某物相的百分含量 3 3、测量晶体的晶格常数、测量晶体的晶格常数4 4、测定结晶程度、粒度大小分布、有序度、测定结晶程度、粒度大小分布、有序度5 5、利用粉晶数据进行结构解析、利用粉晶数据进行结构解析 6 6、进行、进行某些物质某些物质的定性、定量分析的定性、定量分析应用领域：矿物学、岩石学、材料合成研究、药物合成研究、材料性能研究（如配合低温、高温物台的使用可研究不同环境下晶格的变化）。X射线和单晶衍射MDL JADE 软件X射线和单晶衍射单晶衍射法衍射法 单晶衍射用的晶体一般为直径衍射用的晶体一般为直径0.10.11m

26、m1mm的完整的完整晶粒。当选好晶体后有胶液粘在玻璃毛顶端，安置晶粒。当选好晶体后有胶液粘在玻璃毛顶端，安置在测角头上，收集衍射强度数据。在测角头上，收集衍射强度数据。 X射线和单晶衍射1 1、劳埃法、劳埃法实验条件：连续实验条件：连续X射线射、单晶样品射线射、单晶样品功能：测定晶体的对称性、确定晶体的取向和单晶的定向切割功能：测定晶体的对称性、确定晶体的取向和单晶的定向切割X射线和单晶衍射2 2、回旋晶体法、回旋晶体法实验条件：单色实验条件：单色X射线、转轴单晶样品射线、转轴单晶样品入射线入射线So垂直垂直c轴，即轴，即 o =90o，得，得 cos o=cos90o=0c cos l =

27、l ，l = 0,1,2,; cosl = Hl / c= l /cos l = l 22lHR 1)/(2lHRX射线和单晶衍射3 3、移动底片法（又称魏森堡法）、移动底片法（又称魏森堡法）单晶结构分析条件是衍射点的指标化：单晶结构分析条件是衍射点的指标化：Ihkl h，k，l每次只摄取某一层衍射点，即每次只摄取某一层衍射点，即 l 为定值，为定值，l = 0,1,2,Ihklhkl 结构因子方程结构因子方程 fj 和和 xj，yj，zjhk0层魏森堡图层魏森堡图魏森堡相机示意图魏森堡相机示意图X射线和单晶衍射4 4、单晶衍射仪法、单晶衍射仪法 衍射仪法是用光衍射仪法是用光子计数器在各个衍射

28、子计数器在各个衍射方向上逐点收集衍射方向上逐点收集衍射光束的光子数来决定光束的光子数来决定其衍射强度。其衍射强度。 衍射仪中测定单衍射仪中测定单晶结构最有效的仪器晶结构最有效的仪器就是通用的四圆衍射就是通用的四圆衍射仪或面探衍射仪。仪或面探衍射仪。四圆衍射仪结构示意图四圆衍射仪结构示意图X射线和单晶衍射 目前使用最为广泛的方法是目前使用最为广泛的方法是CCD面探法面探法. 测定物质测定物质结构最为有效的方法是生长出单晶结构最为有效的方法是生长出单晶, 测定其结构测定其结构. CCD面探法在数小时内可测出晶体结构（四圆衍射法可能需面探法在数小时内可测出晶体结构（四圆衍射法可能需要数天完成要数天完成, 而