X射线衍射的晶体学基础.ppt

问问题题 如果以金属Ni作为CuK滤波片，要求只有2%的K辐射穿过，请计算滤波片的厚度和K的透射率。（Ni：=8.92g/cm3，m(CuK)=49.2 cm2/g，m(CuK)=286 cm2/g）解答解答 1.K滤波片的厚度计算：当一束平行的X射线垂直投射到吸收体的表面时，其透射光的强度I为：I=I0 exp(-mH)（1）式中：H为吸收体的厚度，为吸收体的密度，m为吸收体的质量吸收系数。将公式（1）整理成log10的形式：log(I0/I)=0.434(-mH)（2）按题义要求：CuK的 I0/I=50。代入公式（2）中得：H=log 50/(0.4342868.92)H=15.3 m2.K的透射率计算：滤波片的厚度已确定为15.2 mlog 100/I =0.43449.28.920.00153 log I=log100-0.291 I=101.71=51.3 即在此条件下CuK辐射的透射率为51.3%。一、晶体结构的周期性和点阵1.晶体结构的特征：周期性晶体具有如下共同性质：（1）均匀性（2）各向异性（3）自范性（4）固定的熔点上述晶体的特性是晶体内部原子或分子作周期性排列的必然结果，是各种晶态物质的共性，也是晶体的最基本性质。X射线衍射的晶体学基础射线衍射的晶体学基础重复图形与点阵重复图形与点阵 一定的结构单元按一定的方式重复而成的图形称为重复图形重复图形，晶体是三维重复图形，它的结构单元结构单元是由组成晶体的原子或原子团构成。点阵点阵是重复图形中环境相同点的排列阵式，它仅是图形或物质排列规律的一种数学抽象，并没有具体的物质内容。点阵中的点称为阵点阵点或结点结点 一维重复图形的重复规律可以用一维点阵（点列）来描述 二维重复图形的重复规律可以用二维点阵（点网）来描述 三维重复图形的重复规律可以用三维点阵（空间点阵）来描述不论晶体结构多么复杂，总可以从其结构中抽象出比此结构简单得多的点阵，并由该点阵描述晶体结构的重复规律一维重复图形一维点阵（点列）一维点阵（点列）中原点为O；初级矢：a一维点阵中任一结点的位置：r=u a （u为任意整数）Oa二维重复图形Oab二维点阵（点网）二维点阵（点网）中任一结点的位置：r=u a+v b （u、v为任意整数）三维点阵（空间点阵）中任一结点的位置：r=u a+v b+w c （u、v、w为任意整数）初级矢群（a0，b0，c0）能给出点阵中所有结点的相对位置，但它们不能直观的给出点阵的形貌。为此引入阵胞阵胞的概念。阵阵胞胞：以初级矢或特定平移矢为边棱作成的平行四边形或平形六面体。空间点阵由完全相同的阵胞密排堆积而成，阵胞是组空间成点阵的基本单元，研究晶体的点阵时可以仅研究它的阵胞。点阵参数：a，b，c，在三维点阵中决定阵胞的形状有六个量，三个棱有长度：a，b，c及它们之间的夹角：，称它们为点阵参数。仅包含一个结点的阵胞称为初初级级阵阵胞胞或原胞、原胞、单单胞胞，它是由初级矢群构成的。单胞记为P三维复胞有体心、底心和面心三种，分别记为I、C和F 根据阵胞的外形特点，可以把它们分为七类(或六类)，称为七个晶系（或六个晶系）。7种晶系的晶胞外形晶 系（Crystal system）晶胞外形特点（Unit cell shape）三 斜（Triclinic）a b c 90o单 斜（Monoclinic）a b c =90o，90o正 交（Orthorhombic）a b c =90o正 方（Tetragonal）a=b c =90o六 方（Hexagonal）a=b c =90o，=120o菱 方（三方，trigonal）a=b=c =90o立 方（Cubic）a=b=c =90o 四类阵胞和七个晶系相结合，可以形成十四种空间点阵。布拉维首次证明了只可能有十四种空间点阵存在，所以又把这十四种点阵称为布拉维点阵。晶体的晶胞与其点阵的阵胞点阵参数相同，只是所包含的物质内容不同。如图为铝的阵胞和晶胞。它们之间的差别仅在于后者是以原子代替前者的结点。如图为氯化铯的点阵阵胞。当每个结点都以相同的方式放上一对氯和铯原子时，就形成氯化铯的晶胞。许多晶体，它们的结构虽然不同，但是点阵类型相同。图中表示出几种不同的晶胞，它们都属于面心立方点阵，都具有面心立方阵胞。因此，虽然天然的和人造的晶体品种繁多。结构千变万化，但是它们的点阵仅有十四种类型。晶体中的倒易变换晶体中的倒易变换 倒易点阵是由晶体点阵（正点阵、真点阵）经过一定的转化而构成的，倒易点阵本身是一种几何构图，倒易点阵方法是一种数学方法。倒易点阵是晶体学中极为重要的概念之一，它不仅可以简化晶体学中的某些计算问题，而且还可以形象地解释晶体的衍射几何。倒易点阵是由许多阵点构成的虚点阵。倒易点阵的空间称为倒易空间，其中每一个结点和原来晶体点阵中各个相应的晶面有倒易关系。从数学上讲，所谓倒易点阵就是由正点阵派生的一种几何图象点阵。正点阵是直接从晶体结构中抽象出来的，而倒易点阵是与正点阵一一对应的，是用数学方法由正点阵演算出的。从物理上讲，正点阵与晶体结构相关，描述的是晶体中物质的分布规律，是物质空间，或正空间，倒易点阵与晶体的衍射现象相关，它描述的是衍射强度的分布。1921年厄瓦尔德（Ewald P.P.）将倒易点阵方法引入衍射领域，后来伯纳尔（Bernal J.D.）又用它来解释周转晶体法中X射线衍射花样。现在倒易点阵方法已成为一种解释各种衍射问题非常有用的工具。如果晶体点阵用三个晶轴矢量a、b、c表示，其相应的倒易点阵可以用a*、b*、c*三个矢量来表示，a*、b*、c*的长度a*、b*、c*为倒易点阵三个棱的长度，倒易总阵与其相应晶体点阵间的基本关系是：a*a=1 a*b=0 a*c=0 b*a=0 b*b=1 b*c=0c*a=0 c*b=0 c*c=1倒易点阵的a*同时垂直于正点阵的b、c，即垂直于b、c构成的平面倒易点阵的b*同时垂直于正点阵的c、a，即垂直于c、a构成的平面倒易点阵的c*同时垂直于正点阵的a、b，即垂直于a、b构成的平面倒易点阵的定义abcc*a*=(bc)/v;a*=(bcsin)/vb*=(bc)/v;b*=(casin)/vc*=(bc)/v;c*=(absin)/vv=a(bc)=b(ca)=c(ab)=abc(1-cos2-cos2-cos2+2cos coscos)1/2 为区别起见，从晶体结构中抽象出的空间点阵有时称为正点阵、正空间。倒易点阵则相应称为倒易点阵、倒空间。倒易点阵中的结点称为倒倒易易结点结点或倒易点倒易点 倒易点阵中任一倒易点的位置用矢量r*hkl（或g hkl）可表示为：r*=h a*+k b*+l c*（h、k、l为任意整数）正、倒点阵中相应量的符号正、倒点阵中相应量的符号量的名称正点阵中倒点阵中晶面指数(hkl)(uvw)*晶向指数uvwhkl*面间距dhkld*uvw晶向或阵点矢量ruvw=u a+v b+w cghkl=h a*+k b*+l c*晶向长度或阵点矢量长度ruvwghkl结点位置uvwhkl点阵参数a、b、c、a*、b*、c*、*、*、*倒易点阵阵胞的基本参数（倒易点阵阵胞的基本参数（a*、b*、c*、*、*、*）立方晶系的倒易阵胞参数正点阵中的立方晶系：a=b=c=a，=90o，V=abc=a3按倒易点阵定义：c*垂直于b、a，即c*与c同方向，同理：a*与a同方向，b*与b同方向，即*=*=*=90oa*=(bcsin)/V=(a2sin90o)/a3=1/a，同理：b*=1/b；c*=1/c a*=b*=c*=1/a，V=1/a3即：正点阵属于立方晶系时，其倒易点阵也属于立方晶系。g110g210倒易点阵阵胞的基本参数倒易点阵阵胞的基本参数晶 系参数单斜斜方六方菱方正方立方a*b*c*90o90o90o90o90o*180o-90o90o90o90o*90o90o60o90o90oVabcsinabca2ca3特征a*b*c*=*=90o*a*b*c*=*=*=90oa*=b*c*=*=90o，*=60oa*=b*=c*=*=*90oa*=b*c*=*=*=90oa*=b*=c*=*=*=90o三斜晶系倒易点阵阵胞参数按定义计算，公式不能简化。由倒易点阵阵胞参数特征可以看出，倒易点阵与其相应的正点阵具有相同类型的坐标系倒易点阵的两个重要性质倒易点阵的两个重要性质1.倒易点阵中的一个方向倒易点阵中的一个方向hkl*垂直于正点阵中的同名晶面垂直于正点阵中的同名晶面(hkl)即：hkl*(hkl)正点阵中的一个方向uvw 垂直于倒易点阵中的一个同名晶面(uvw)*即：uvw (uvw)2.正点阵中，晶面正点阵中，晶面(hkl)的面间距的面间距dhkl是其同名倒易矢量是其同名倒易矢量ghkl长度的倒数长度的倒数 即：dhkl=1/ghkl 倒易点阵中，晶面(uvw)的面间距d*hkl是其同名矢量rhkl长度的倒数 即：d*hkl=1/rhkl倒易点阵中的一个结点hkl不仅代表着正点中的一个面列（khl）的方位，也由指向该点倒易矢的长度反应出这些面的面间距的大小。因此我们可以说，倒易点阵中的一个结点hkl代表着正点阵中一个面列（hkl）。倒易点(倒易点阵结点的简称)的分布代表着正点阵中晶面列的分布。晶带及晶带定律晶带及晶带定律 在晶体结构或空间点阵中。平行于同一个方向的所有晶面族称为一个晶晶带带，该方向则称为晶晶带带轴轴。例如，正方晶系中。001晶带所包括的晶面族有：(100)、(010)、(110)、(1-20)等等。根据晶带的定义，同一晶带中所有的晶面的法线都与晶带轴垂直。设晶带轴uvw的矢量为rua+vb+wc；晶面(HKL)的法线矢量可用倒易矢量ghkl=Ha*+Kb*+Lc*来表示。特两矢量点乘，则有：(ua+vb+wc)(Ha*+Kb*+Lc*)=0由此可得：uH+vK+cL=0凡是属于同一晶带uvw的晶面，其晶面指数(HKL)都必须满足上式。此式称为晶带定律。如果已知两个晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，可以利用晶带定律求出其晶带轴指数 uvw。按晶带定律，有：h1u+k1v+l1c=0h2u+k2v+l2c=0解出uvw为：正点阵中的一个晶带与倒易点阵中的一个过原点的面相对应。正点阵中的一个晶带与倒易点阵中的一个过原点的面相对应。或者，倒易点阵中一个过原点的平面代表着正点阵中的一个晶带。或者，倒易点阵中一个过原点的平面代表着正点阵中的一个晶带。广义晶带定律主要晶体学关系的计算主要晶体学关系的计算（一）晶面法线的计算（一）晶面法线的计算正点阵的中的晶面(hkl)与其法线uvw一般并不同名，然而它总与其倒易点阵中的同名矢量hkl*垂直。既然uvw与hkl*是同一晶面法线在两个坐标系中的表达，所以在不考虑矢量绝对长度时有ghkl=ruvw，即ha*+kb*+lc*=ua+vb+wc将上式两边点乘a*，有：u=a*a*h+a*b*k+a*c*l两边分别点乘b*或c*得：v=b*a*h+b*b*k+b*c*lw=c*a*h+c*b*k+c*c*l上述三个式子可写成矩阵形式：可见，如果某晶面(hkl)的指数为已知，要想得知其晶面法线指数uvw，必须得知其倒易点阵的基矢a*、b*、c*如果已知正点阵中某一方向uvw的指数，求与其垂直的晶面指数(hkl)。按倒易点阵的定义，同样有ua+vb+wc=ha*+kb*+lc*将上式两边点乘a、b、c，有：h=aa u+ab v+ac wk=ba u+bb v+bc w l=ca u+cb v+cc w上述三个式子可写成矩阵形式：G、G*分别代表正点阵及倒易点阵基矢量的标量积矩阵，也是晶面指数与其法线指数之间的转换矩阵 例例1 立方晶系的晶面指数立方晶系的晶面指数(hkl)与其法线指数与其法线指数uvw之间的关系之间的关系 立方晶系倒易单胞基矢群间的关系：a*a*=b*b*=c*c*=1/a2a*b*=a*c*=.=0即立方晶系的晶面指数与其法线指数同名。如，(111)面的法线为111方向；(123)面的法线为123方向等。例例2 六方晶系的晶面指数六方晶系的晶面指数(hkl)与其法线指数与其法线指数uvw之间的关系之间的关系 图中给出了六方晶系正、倒点阵的基矢群间a、b、c和a*、b*、c*。对于正点阵，三基矢之间的关系为：aa=bb=a2，cc=c2ab=a2cos120o=-a2/2ac=bc=0对于正点阵，三基矢之间的关系为：c c*bb*a*a60o30o30o于是，在三轴坐标中(hkl)面的法线UVW是：也就说，在三指数系统中，(hkl)面的法线是2h+k h+2k 3a2l/2c2与UVW方向垂直的面指数(hkl)是：也就说，在三指数系统中，与UVW方向垂直的面指数为(2U-V 2V-U 2c2W/a2如果以a1、a2、a3、c四轴系表示六方晶系中的晶面和晶向，则(hkli)与uvtw之间有：这表明，六方晶系在讨论晶面与其法向指数时用四指数表达比用三指数表达更简单。各晶系的基矢量标量积矩阵（1）晶系G*G*三斜单斜菱方各晶系的基矢量标量积矩阵（2）晶系G*G*斜方正方六方立方（二）晶面间距的计算（二）晶面间距的计算 任意晶系晶面距d与晶面指数(hkl)和点阵a、b、c、之间的关系，可利用正、倒点阵的倒易关系dhkl=1/ghkl求出：gg=1/d2=(ha*+kb*+lc*)(ha*+kb*+lc*)=h2a*2+k2b*2+l2c*2+2 hka*b*+2klb*c*+2lhc*a*w=c*a*h+c*b*k+c*c*l对立方晶系：a*=b*=c*，*=*=*=90o对六方晶系：a*=b*c*，*=*=90o，*=60o（三）二晶面间夹角（三）二晶面间夹角 的计算的计算 如果晶面(h1k1l1)与(h2k2l2)的夹角为，则两晶面法线间的夹角也为，即g(h1k1l1)与g(h2k2l2)的夹角为。对立方系例如(100)与(110)晶面的之间的夹角=arccos1/2=45o；(100)与(111)晶面的之间的夹角=arccos1/3=54.7o。对六方系例如(100)与(210)晶面的之间的夹角=arccos2.5/7=19.11o。（四）晶面（四）晶面(hkl)的法线与某方向的法线与某方向uvw的夹角的夹角 的计算的计算晶面(hkl)的法线由倒易矢g描述：g=ha*+kb*+lc*方向uvw由平移矢r描述：g=ua+vb+wcg与r间的夹角为，有：对立方系(hkl)晶面与hkl方向的夹角：cos=1，=0o，即晶面法线与同名的方向一致。而(110)晶面法线与 100方向的夹角：=arccos1/2=45o对六方系，有在六方系中，晶面法线的指数不同于晶面指数。倒易面的绘制方法倒易面的绘制方法 由于倒易点阵是处理晶体学和晶体衍射问题的重要的数学工具并且衍射谱与倒易阵点平面之间有着一定的对应关系所以倒易面的绘制比较重要。例：绘制立方系111晶带轴的过倒晚易点阵坐标原点的倒易阵点面（111）*01）用试探法，并根据晶带定律可找出不共线的两个倒易点。例如，1-10及10-1，代入晶带定律中可得1 1+1 (-1)+0 1=01 1+1 0+1 (-1)=0故这两个点都属于111晶带。2）计算这两个点的倒易矢量的长度比及两个倒易点代表的晶面的夹角：3）按r*1-10及r*10-1的长度与夹角，画出三个倒点：000，1-10及10-1，这三个点构成了倒易面的单元4）根据点阵的周期性特征，利用矢量平移法和向量加法，画出整个倒易阵点平面上其它点r*1-10r*1-1060o0001-1010-12-202-1-101-1-110-220-12-1-101-20220-211-202-2-1-120-2-2-2110-111-21立方晶系(111)*0倒易阵点平面加权倒易面的绘制方法加权倒易面的绘制方法 在加权倒易点阵中绘出任意一过原点的倒易面（即给出该面上结点的分布）的方法归纳为：1）在倒易坐标系a*、b*、c*中画出所要求的倒易面（uvw）*2）平移（uvw）*，使其过倒易原点。于是得到过原点的倒易面上的两个结点的指数：h1、k1、l1与h2、k2、l2（也可按晶带定律用试探法求出），计算它们的结构振幅，使F h1 k1 l1 2与F h2 k2 l2 2不为零3）计算倒易矢量长度 r*h1 k1 l1 及 r*h2 k2 l2，以及它们的夹角4）用 r*h1 k1 l1、r*h2 k2 l2 及进行平移，绘出该面上的其它结点5）利用结构因子的知识，在该平面上补上结构因子不为零的所有点，构成整个倒易面。例：作出面心立方晶体中(311)*0倒易面1）在a*、b*、c*坐标系中画出(311)*倒易面，此面在三个倒易轴上的截距分别为1、3、3，即(311)*倒易面与三个坐标轴的交点坐标分别为100，030，003。2）要使该倒易面过坐标原点，可将倒易面沿a*负方向平移一个单位长度，这样，上述三个点的坐标分别变为000，-130，-103。因为面心立方晶体的加权倒易点阵中当指数为奇偶混杂时，结点的结构因子为零，因此，将上述三个点的指数乘以2，得000，-260和-206，于是得到(311)*0倒易面上的三个结点。3）计算倒易矢量长度和它们的夹角c*b*a*100000030003(311)*倒易面(311)*在坐标系a*、b*、c*中的位置4）按上述计算结果，先画出(311)*0倒易面上的三个结点000，-260和-206，再以r*-260及r*-206为基矢进行平移，从而得到倒易面上的其它结点-4 12 0，-466，-6 12 6，066。发现r*-466r*06-6=0，即r*-466与r*06-6正交，所以用r*-466与r*06-6为基矢更方便5）从面心立方晶体的结构因子规律可以得知，在000与06-6两结点间还应有02-2和04-4结点，在000与-4 12 0两结点间还应有-260结点，把这些结构因子不为零的结点添加在适当的位置上，然后平移，即得整个(311)*0倒易面上的加权结点分布。面心立方晶体中(311)*0倒易上结点分布平面00002-204-406-608-8-466-484-4 10 2-4 12 0-4 14-2-8 12 12-8 14 10-8 16 8-8 18 6-8 20 4-6 10 8-6 12 6-6 14 4-6 16 2-242-260-28-2-2 10-4-2 12-6-206-22484.3o例：作出密排六方晶体中(111)*0倒易面1）在六方晶系的倒易基矢群a*、b*、c*中画出(111)*倒易面，此面在三个倒易轴上的截距分别为1、1、1，即(111)*倒易面与三个坐标轴的交点坐标分别为100，010，001。2）要使该倒易面过坐标原点，可将倒易面沿a*负方向平移一个单位长度，这样，上述三个点的坐标分别变为000，-110，-101。3）计算倒易矢量长度和它们的夹角4）按上述计算结果，先画出(111)*0倒易面上的三个结点000，-110和-101，再以r*-110及r*-101为基矢进行平移，即得整个(111)*0倒易面上的加权结点分布。