实验报告 X射线衍射晶体结构

《X射线衍射晶体结构》实验报告摘要本实验中学生将了解到X射线的产生、特点和应用；理解X射线管产生连续X射线谱和特征X射线谱的基本原理；用三种个方法研究X射线在NaCl单晶上的衍射，并通过测量X射线特征谱线的衍射角测定X射线的波长和晶体的晶格常数。以及通过观察X射线穿过不同种类及厚度的物质之后的衰减情况被吸收的情况。引言X射线最早由德国科学家伦琴在1895年在研究阴极射线发现，具有很强的穿透性，又因x射线是不带电的粒子流，所以在电磁场中不偏转。1912年劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，证实了X射线本质上是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为10nm到10–2nm之间，与晶体中原子间的距离为同一数量级，是研究晶体结构的有力工具。

X射线是一种波长很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。关键词布拉格公式晶体结构正文实验原理1.布拉格公式：光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝观察X射线的衍射，就相当困难。冯·劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶体的晶格正好与X射线的波长属于同数量级。图4—3显示的是NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构。当入射X射线与晶面相交θ角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那末容易看出，图中两条射线1和2的光程差是，即。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长）布拉格公式在θ方向射出的X射线即得到衍射加强。根据布拉格公式，即可以利用已知的晶体（d已知）通过测θ角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（λ已知）来测量未知晶体的晶面间距。2.X射线的产生和X射线的光谱实验中通常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。（1）连续光谱连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λm开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图4—1）。连续光谱的短波限λm只决定于X射线管的工作高压。（2）特征光谱阴极射线的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态。图4—2b表示的是原子的基态和K、L、M、N等激发态的能级图，K层电子被轰出称为K激发态，L层电子被轰出称为L激发态，…，依次类推。原子的激发态是不稳定的，内层轨道上的空位将被离核更远的轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，多余的能量便以光量子的形式辐射出来。图4—2a描述了上述激发机理。处于K激发态的原子，当不同外层（L、M、N…层）的电子向K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。同样，L层电子被轰出后，原子处于L激发态，所产生的一系列辐射统称为L系辐射，依次类推。基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的。3.线吸收系数假设入射线的强度为R0，通过厚度dx的吸收体后，由于在吸收体内受到“毁灭性”的相互作用，强度必然会减少，减少量dR显然正比于吸收体的厚度dx，也正比于束流的强度R，若定义μ为X射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有（图2—1）：考虑边界条件并进行积分，则得：透射率，则得：式中μ称为线衰减系数，x为试样厚度。我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数μ应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称μ为线吸收系数，而忽略散射的部分。实验仪器本实验使用的是德国莱宝教具公司生产的X射线实验仪。该装置分为三个工作区：中间是X光管区，是产生X射线的地方；右边是实验区；左边是监控区。X光管的结构如图4—6所示。它是一个抽成高真空的石英管，其下面（1）是接地的电子发射极，通电加热后可发射电子；上面（2）是钼靶，工作时加以几万伏的高压。电子在高压作用下轰击钼原子而产生X射线，钼靶受电子轰击的面呈斜面，以利于X射线向水平方向射出。（3）是铜块，（4）是螺旋状热沉，用以散热。（5）是管脚。右边的实验区可安排各种实验。A1是X光的出口。A2是安放晶体样品的靶台。A3是装有G—M计数管的传感器，它用来探测X光的强度。A2和A3都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角。左边的监控区包括电源和各种控制装置。B1是液晶显示区。B2是个大转盘，各参数都由它来调节和设置。B3有五个设置按键，由它确定B2所调节和设置的对象。B4有扫描模式选择按键和一个归零按键。SENSOR—传感器扫描模式；COUPLED—耦合扫描模式，按下此键时，传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍。B5有五个操作键，它们是：RESET；REPLAY；SCAN（ON/OFF）；是声脉冲开关；HV（ON/OFF）键是X光管上的高压开关。图3—2X射线装置实验内容X射线的吸收实验装置调整安装准直器在a处（使导孔对准准直器座的凹槽）。安装测角器（将顶部引导凹槽套在顶部导杆上，以测角器底部为中心对X射线装置的底部导轨进行旋转，升高测角器，适当装备使底部导杆d滑进测角器的引导凹槽中）。在实验区域中将测角器滑向左边，将带状电缆插入测角器的连接器c中。安装传感器支架e，插入传感器。安装吸收体系列f（拆卸靶支架并从支架上拿走靶台，将吸收体系列的滑槽放进靶支架的弯曲的狭缝中，并尽可能的滑进靶支架，安装靶支架）按ZERO键，使测角器归零。滑动测角器，使靶与准直器之间的距离为5cm，插入底部引导狭槽的滚花螺钉，并拧紧；旋松传感器臂上的滚花螺钉，设置靶和传感器之间的距离为5cm，并拧紧螺钉。关闭铅玻璃门。研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系（1）直准器前没安装锆滤片（Zr）设置X光管的高压U=21KV，电流I=0.05mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度为（每转动吸收体厚度增加0.5mm）。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、、、、，进行实验。记录数据。（如表1）直准器前安装锆滤片（Zr）按ZERO键，使测角器归零设置X光管的高压U=21KV，电流I=0.15mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、、、、、。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。（如表2）研究X射线的衰减与吸收体物质（Z）的关系（1）直准器前没安装锆滤片（Zr）按ZERO键，使测角器归零设置X光管的高压U=30KV，电流I=0.02mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、。（每转动约吸收体物质发生改变）。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。设置X光管的高压U=30KV，电流I=1.00mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、、。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。（如表3）（2）直准器前安装锆滤片（Zr）按ZERO键，使测角器归零设置X光管的高压U=30KV，电流I=0.02mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。设置X光管的高压U=30KV，电流I=1.00mA，角步幅，测量时间。按TARGET键，用ADJUST旋钮，使靶的角度依次为、、、、。按SCAN键进行自动扫描。扫描完毕后，按REPLAY键，读取数据。（如表4）（3）测量背景影响设置X光管的高压U=0KV，电流I=0mA，角步幅，测量时间。X射线在单晶中的衍射1.按图4—3所示安装实验仪器，使靶台和直准器间的距离为5cm，和传感器的距离为6cm。2.X射线在NaCl晶体中的衍射。将NaCl单晶固定在靶台上，启动软件“X-rayApparatus”按或F4键清屏；设置X光管的高压U=35.0KV，电流I=1.00mA测量时间，角步幅，按COUPLED键，再按键，设置下限角为4.0o,上限角为24o；按SCAN键进行自动扫描；扫描完毕后，按或F2键存储文件。实验数据X射线的吸收1.没安装锆滤片，吸收体为不同厚度铝片，扫描结果为：1361.531418.73885.9796.3485.2150.9442.712.安装锆滤片，吸收体为不同厚度铝片，扫描结果为：843.98359.32166.4877.6435.3322.6610.603.没安装锆滤片，吸收体为不同物质薄片，扫描结果为：1361.531418.73885.97218.7942.26170.28644.144.安装锆滤片，吸收体为不同物质薄片，扫描结果为：573.73571.33328.5783.0014.23100.979.33由上可知：X射线的衰减不能简单的用吸收系数来描述；通过相同厚度的吸收体物质，没装有Zr滤片的X射线放出的能量比装有Zr滤片的高，衰减得少。X射线在单晶中的衍射1、已知晶体的晶格常数（a0=564.02pm），测定X射线的波长n16.5O5.7O63.8556.02213.9O12.2O67.7559.60321.5O18.9O68.9060.90=66.83pm=58.9pm2、已知X射线的波长，测定晶体的晶格常数NaCl晶体的掠射角线系5.7o0.0993K156.166.5o0.1132K164.0212.2o0.2113K2120.6313.9o0.2402K2135.8518.9o0.3239K3183.1821.5o0.3665K3207.28a0=565.57pm注意事项1.实验所用晶体易碎易潮解，应保持干燥轻拿轻放，拿时戴手套，且拿边缘而非表面。2.用测量角测量时，光缝和靶台到传感器的距离若过大会降低计数率，太小会降低角分辨本领,一般取5~6cm.。3.拍摄衍射图象时，晶体粉末要足够细，否则图像会有许多小黑点。洗胶片时，显影时间不能太长，不超过六分钟。实验相关问题解析1为什么