X射线衍射原理

X射线衍射原理化环院2011级研究生王慧娟201140150221简介X射线被证实是一种频率很高（波长很短）的电磁波。X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性：1）波动性，X射线的波长范围约为0.005nm到10nm，相当于可见光波长的10万分之一到50分之一；2）粒子性，具有的一定的质量、能量和动量。X射线衍射是指X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，可据此计算分子中各种原子间的距离和空间排列。是分析大分子空间结构有用的方法。2X射线衍射的物理模型X射线作为一电磁波投射到晶体中时，受到晶体中原子（电子）的散射，散射波以每一个原子中心发出的散射波（球面波）。由于晶体中原子周期排列，这些散射球面波之间存在着固定的位相关系，在空间产生干涉，导致在某些散射方向的球面波相互加强，某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象，即在偏离原入射线方向上，只有在特定的方向上出现散射线加强而存在衍射斑点或Debye环，其余方向则无。图1，X射线衍射的物理模型示意图3图1，X射线衍射的物理模型示意图3晶体衍射B1912年，理论解释---家布喇格父子提出k射线1晶体上"^布拉律又称布拉条件。衍射的一种简明的3.1Bragg公式讨论由下图可以看出层间反射光光程差为BD+DC=2dsinG对于各级衍射，由布拉格方程可知：sin01=X/2d,sin02=X/d,sin03=3X/2d, ,sin0k=kX/2d；方程中的整数k受到限制：sin0=1,k<2d/X或d>kX/2；显然，九一定，衍射面d选定，晶体可能的衍射级数也就被确定。一组晶面只能在有限的几个方向“反射”X射线，而且，晶体中能产生衍射的晶面数也是有限的。另外2d/k>k或k=2d；用于衍射分析的X射线的波长应与晶格常数接近，一般为0.25-5.0nm;用於荧光分析时，分析轻元素的分析晶体要选大d值的.3.2应用1） 将晶体结构周期性（通过d）和射线本质（通过九结合起来，并反映在图象上（通过0）；2） 九恒定，通过测0求d（晶体结构分析）；3） d恒定，通过测0求九（荧光分析）；4） 波粒性E=hv（能谱分析）；5） 衍射充要条件2dsin0=kX。4X射线衍射强度4.1干涉函数假设晶胞只含一个原子,散射波不再被晶体内的其他原子所散射；入射线束和被散射线束在通过晶体时无吸收发生；晶体内原子无热振动。根据运动学相关理论可以导出晶体衍射线强度基本公式：Ic（S）=Ia・I（S）式中I（S）称为干涉函数，Ia为一个原子的散射强度，其函数值的变化非常缓慢，而且Ia在任何散射角上都不为零，因此，晶体衍射强度按衍射方向的分布就要取决于干涉函数I（S）。4.2X射线衍射累计强度当一束单色X射线投射到晶体上时，在准确的布喇格角00及角度附近的某一角度范围A0内也发生反射，因此，在计算某一反射强度时，应将晶体在00附近的全部反射强度进行累加，以与实验所测反射辐射强度一致。累加反射强度可表示为：上式中所表示的衍射强度是在严格方向上的衍射束强度，但实验中，由X射线探测器记录的是布喇格角附近各方向衍射线束强度累加的辐射总量,并且，公式对晶体及衍射过程进行了一些假设，所以在直接应用中存在一定的困难。式中积分是在布喇格角0附近角度范围内进行，Is称为反射累积强度，它并不是通过单位面积的辐射能量，而是该衍射线束单位时间内投射到探测器上的总能量。5X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。5.1X射线的散射5.1.1相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。5.1.2非相干散射X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。5.2X射线的吸收物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。5.2.1光电效应以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限九k。5.2.2