x射线衍射.ppt

1、X射线衍射,X射线的本质,X射线是由德国科学家伦琴与1885年发现的，由于当时对他的本质不了解，所以也成为伦琴射线。 大量的实验证明，x射线和可见光一样，是一种电磁波。它具有电磁波的一般属性。 它具有波粒二象性 1.波动性 2.粒子性,X射线的产生（x射线管）,X射线谱,从x射线管发出的x射线包括连续谱和特征x射线。 连续谱（横跨波长范围很大的弧形宽峰） 它的形成是因为热阴极发出的电子数量非常多，经强电场加速后，到达阳极靶面时的能量有所差异与靶材作用时的散射情况也不完全相同，是产生x射线波长既有差异，又连续变化的缘故。,曲线均有一个最短波长0 和最大强度对应的波长m。 当电压增加时，各个波长对

2、应的强度增加，曲线所围面积增加。,特征x射线,当管电压增加到激发电压时候，除了连续普的波段扩展和强度提高外，还会激发特征x射线。 继续增加管电压，连续谱要继续扩展其波段范围和提高其强度，但x射线只会提高其强度，不会改变其波长，因为他的波长仅仅与阳极靶材有关。,当电压增加到一定值时候，在某些特定波长处，强度急剧增加。 继续升高电压，峰尖对应的波长不变，强度增减。,X射线与物质的相互作用,1、折射和反射 折射率 n = 1- 全反射 临界掠入射角： 2、衰减和吸收 3、X射线散射 a. 相干散射（或弹性散射） 瑞利散射 b. 非相干散射（非弹性散射） 康普顿散射 4、X射线衍射 通过排列有序物质

3、,由相干散射叠加而产生,X射线的散射,在x射线穿过被测材料的过程中会发生弹性散射和非弹性散射。 1.弹性散射（相干散射）：仅仅穿越课外电子的间隙，在内电子作用下改变前进方向，不改变能量。 2.非弹性散射（非相干散射）：前进过程与电子相撞，把一部分能量传给电子，激发电子，成为“反冲电子”，改变方向。应尽量减少。（控制管电压实现）,X射线衍射的Bragg条件,X射线照射晶体，电子受迫振动产生相干散射；同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波由于晶体内各原子呈周期排列，因而各原子散射波问也存在固定的位相关系而产生干涉作用，在某些方向上发生相长干涉，即形成了衍射波由此可知，衍射的本质是晶体中各原子

4、相干散射波叠加(合成)的结果 衍射波的两个基本特征衍射线(束)在空间分布的方位(衍射方向)和强度，与晶体内原子分布规律(晶体结构)密切相关,X射线衍射的Bragg条件,1、 Bragg方程(确定衍射方向) 2dsin= n d-任意一组晶面的面间距。 -入射x射线的掠射角。 2dsin-相邻两条弹性散 射线（或称反射线）的光程差。 -x射线波长。,n的物理意义：x射线与一组晶面作用后所发生的衍射级数。n=1,2,3 当Bragg条件满足时，图中的散射线就变为衍射线，入射线，法线和衍射线处于同一个平面上。入射角与衍射角相等，都为。入射线与衍射线之间的夹角为 2。,X射线衍射的强度,产生衍射线或衍

5、射强度的条件： 1.满足Bragg条件。相互干涉而发生衍射现象。 2.衍射强度不为0。 强度决定因素：晶胞内原子的位置和晶胞的类型。详见P281表12-4,3.X射线衍射强度是被照射区所有物质原子核外电子散射波在衍射方向的干涉加强.是一种集合效应. 4. 2.X射线衍射强度反应的是晶体原子位置与种类.,多晶材料的x射线衍射强度的计算公式,对于多晶试样中任意一组晶面的衍射强度为（单位长度衍射线的积分强度）： 其中：p=k*J ,k为常数，J是重复因子， 是洛伦兹-偏振因数L*P; T=e-2M是温度因数,结构因数F,X射线受整个单胞散射后的合成振幅称为“结构因数”。 它与衍射强度相关联。|F|越

6、大，衍射线的强度越大。若F=0，则衍射线或衍射斑点不出现。,原子间的相位差: 合成振幅: 定义结构振幅为F,-称之结构因子,F的计算,结构振幅为: 可将复数展开成三角函数形式 则 由此可计算各种晶胞的结构振幅,1、简单点阵,单胞中只有一个原子，基坐标为（0，0，0），原子散射因数为f，根据式（2-20）： 该种点阵其结构因数与HKL无关，即HKL为任意整数时均能产生衍射，例如（100）、（110）、（111）、（200）、（210）。能够出现的衍射面指数平方和之比是,2、面心点阵,单胞中有四种位置的原子，它们的坐标分别是（0，0，0）、 （0,1/2,1/2）、（1/2,0,1/2)、（1/2

7、,1/2,0） 1）当H、K、L全为奇数或全为偶数时 2）当H、K、L为奇数混杂时（2个奇数1个偶数或2个偶数1个奇数） 即面心立方点阵只有指数为全奇或全偶的晶面才能产生衍射，例如（111）、（200）、（220）（311）、（222）、（400）。能够出现的衍射线，其指数平方和之比是：3：4：8：11；12：16=1；1.33：2.67：3.67：4：5.33,三种晶体可能出现衍射的晶面,简单点阵:什么晶面都能产生衍射 体心点阵:指数和为偶数的晶面 面心点阵:指数为全奇或全偶的晶面 由上可见满足布拉格方程只是必要条件,衍射强度不为0是充分条件,即F不为0,原子散射因数f,多重性因数J,在晶体

8、学中，把晶面间距相同，晶面上原子排列规律相同（表征结构因素相同）的晶面称为等同晶面。例如:对立方晶系100晶面族有(100)(010)(001)(100)(010)(001)等六个等同晶面，而立方晶系111晶面族有8个等同晶面。,如果满足生产衍射的基本条件的晶面有J个等同晶面，就会使衍射几率增加P倍，我们称等同晶面的个数J为多重性因素。 要注意的是，J值是按晶系的不同而不同的。在正方系中因（100）和（001）的面间距不同，故（100）的J值减少为4，（001）的J值减少为2.,洛伦兹-偏振因数,吸收因数A,由于试样形状和衍射方向的不同，衍射线在试样中穿行的路径便会不同，会造成强度的实测值与计

9、算值不符。为校正这一影响，需在强度公式中乘以吸收系数A.,温度因数T,X射线衍射仪的构造,X射线源,X射线管,同步辐射,电子同步加速器产生的，高速电子在电磁场中运动发出的电磁辐射,特点： 1、方向性强 2、广阔平滑连续谱 3、高强度高亮度 4、偏振 5、高稳定 6、脉冲宽度小,高速电子打在靶上，产生X射线和热量,晶体结构的X射线实验方法 a.劳厄法 b.转晶法 c.粉末法,粉末法物质鉴定,粉末法是用单色X射线射入粉末样品而产生衍射方法,样品粉末的粒度以通过250300目的筛子为度，以使 小晶粒在样品中完全随机排列，有各种可能的晶面取 向，单色X射线与样品相遇时，总有一些面间距为d（hkl） 的

10、晶面满足布拉格定律的要求产生衍射。 由于这些晶面与入射线和衍射线皆成角，故其衍 射线是以入射线方向为轴，圆锥角为4 的圆锥面。,粉末样品的X射线衍射,a. 当满足 2dsin= b. 小晶粒在样品中随机排布，有各种可能的晶面取向 c. 面间距d不同，也不同,劳厄法单晶定向,劳厄相机,劳厄法是研究晶格对称性及确定晶体取向的重要方法，在科研，生产中应用很多，它是用连续谱X射线射入固定的单晶体，并由平板照相底片来记录衍射花样的全貌。,劳厄实验和劳厄斑点,劳厄相的形成,1、X射线射入单晶体，可使2dsin =满足（连续谱），衍射线在底片上 形成一斑点 2、同一晶带，各晶面族的衍射线组成一圆锥面,晶带曲

11、线 圆锥面与底片的交线,透射法,背射法,450 椭圆 = 450 抛物线 450 900 双曲线 = 900 直线,450 不相交 450 900 双曲线 = 900 直线,物相分析的主要任务,鉴定待测物由哪些物相组成（定性分析） 各组成的含量是多少（定量分析） 物相分析的主要依据参数,各个衍射面族的面间距d 衍射线的相对强度I/I0,基本原理,每一种晶体物质都有各自的晶体结构，当x射线穿过晶体时，每一种晶体物质都有自己独特的衍射花纹。 衍射花纹的特征可以用各个衍射面族的面间距d（与晶胞的形状和大小有关 ）和衍射线的相对强度I/I0 （与粒子的种类及其在晶胞中的位置有关）来表示。 这两个衍射数据是晶体结构的必然反映，而且它们在不同的实验条件下得到一系列不变的数据，因此可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。,物相分析步骤,1、确定d值和强度I/I0值（估计） 2、查索引 3、得到编号 4、查卡片 5、确定物质或物相,如何判断高低角度衍射区,衍射线偏离投射线的角度2叫做衍射角，而叫做布喇格角。 2小于90度的衍射区叫做低角区，大于90度的为高角区。 判断的主要判据是K双线， K双线是由K1与K2组成。 di=/2Sini 2dcos 根据公式可以看出，当较小的