X射线衍射剖析.pptx

X射线发现X射线的发现是起源于对阴极射线的研究。伦琴也对阴极射线感兴趣，一个偶然事件吸引了他的注意发现了一种穿透能力很强的射线X射线（伦琴射线）W.K.Rontgen(1845-1923)德国维尔茨堡大学校长，是一个治学严谨，造诣很深的实验物理学家，由于发现X射线，第一个获诺贝尔物理学奖(1901年)第1页/共31页概述是一种穿透能力很强的射线1912年劳厄等人（晶体衍射）确定是电磁波波长范围 0.001-50nm量子理论-由光子组成的粒子流 E=hv=hc/X射线技术经百年的发展，不仅对其本质和性质有了深入的了解，而且在科研，生产方面有着广泛的应用。例如：在物理、化学、地质、生物、医学、天文、材料、工程等。第2页/共31页因对X X射线及应用作出贡献而获诺贝尔奖的科学家 1901年 W.K.Rontgen（伦琴）光发现 1914年 M.V.Laue（劳厄）晶体衍射 1915年 Bragg（布拉格）晶体结构 1917年 C.G.Barkla（巴克拉）标识谱 1924年 M.G.Siegbahn（塞格巴恩）光谱学 1927年 A.H.Compton（康普顿）康普顿效应 1936年 P.J.W.Debye（德拜）化学 1946年 H.J.Muller(马勒）医学 1964年 D.C.Hodgkin（霍奇金）化学 1979年 Cormack Hounsfield（柯马克、豪森菲尔德）医学 1981年 K.M.Siegbahn（塞格巴恩）物理第3页/共31页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射线和热量第4页/共31页X射线谱标识光谱连续光谱 来源于电子轰击阳极时的轫致辐射，X射线管的管压低时发出连续光谱 原子内层次电子跃迁发出的辐射，与靶材有关，X射线管的管压超过靶的某一激发电位时才有标识光谱第5页/共31页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,由相干散射叠加而产生第6页/共31页晶体1、阵点 忽略粒子内部结构，以点来代表粒子。2、晶胞 平行六面体（阵点为顶，相邻阵点联线为边）晶格常数3、晶面 任意三个不共线阵点的决定的平面。晶面指数（h.k.l）4、晶向 任一条过许多阵点的直线。晶向指数 h.k.l 5、晶面间距 相邻平行晶面间的距离。6、晶带 平行于同一晶轴晶面的集合。第7页/共31页晶体X射线的衍射1、布拉格方程 2dsin=n2、晶体结构的X射线实验方法 a.劳厄法 b.转晶法 c.粉末法方法方法使用的使用的X射线射线样品样品依据的方程依据的方程劳厄法劳厄法白色白色X射线射线单晶（固定）单晶（固定）劳厄方程劳厄方程转晶法转晶法单色单色X射线射线单晶（转动）单晶（转动）劳厄方程劳厄方程粉末法粉末法单色单色X射线射线多晶或粉末（转动）多晶或粉末（转动）布拉格方程布拉格方程第8页/共31页粉末法物质鉴定 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。第9页/共31页粉末样品的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，也不同第10页/共31页衍射圆锥的形成第11页/共31页德拜相机 德拜相机由带盖圆筒相盒、样品夹、夹片机构、德拜相机由带盖圆筒相盒、样品夹、夹片机构、入射光阑（准直器）、出射光阑（吸收锥）、荧入射光阑（准直器）、出射光阑（吸收锥）、荧光屏等部分组成。光屏等部分组成。第12页/共31页德拜相的形成低角区高角区实验中(不对称装片)低角区高角区第13页/共31页德拜相机底片的三种安装方法a低角对称 b高角对称 c不对称 在底片中心打一个小洞，底片安装时将小洞装在图a，b位置，以便让X射线射入或射出，叫做高角或低角对称装片法，在底片两端约1/4处打两个小洞，如c，叫做不对称装片。我们用到的是不对称装片。第14页/共31页不对称装片优点在不对称底片上，L是不需要测量的，可以由德拜环的位置算出，它准确对应于180度角，按照比例关系=90*l/L这样我们只要测出德拜环的位置就可以算出l和L，就可以得出而无须测R，这样避免了测量R带来的较大误差。第15页/共31页德拜照相1.样品的制备和安装 将粉末样品用树脂均匀的粘在直径大约为0.5mm的玻璃管上，制成直径0.71mm，长约10mm的竖实圆柱棒，亦可直接用多晶细丝作为样品。用橡皮泥将样品棒固定在相盒中的样品夹头上，然后较直，反复旋转时无偏斜扭摆现象。2.光路调整 按照X射线机操作程序（通冷却水，开启低压预热，开启高压逐步升高管压管流）使机器正常工作，在调光路时，X射 线功率应尽量小。选择适当的滤波片。将调好的相机安装到相机座导轨上，并推至X射线管窗口前，装上转皮带使样品试样转动，打开X射线管窗口闸门，调整相机俯仰和机架的左右、高低，将出射光阑阑的荧光屏上的光点移到中心，使其最亮，并看到光点中部有样品的影子，这时相机、样品和X射线已准直。3.拍摄 根据所用X射线管得靶材，样品的性质和实验的具体要求，选定管压管流，并确定相应的曝光时间，计时照相。曝光结束后以相反程序关闭X射线机，但冷却水必须延长5分钟方可关闭。4.冲洗底片第16页/共31页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/II/I0 0第17页/共31页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/II/I0 0（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。第18页/共31页物相分析步骤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、确定物质或物相第19页/共31页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，当较小的时候，较小，在低角区，分开不够明显，所以是一条线，只有到了高角区才开始明显的分为两条，角度越高，分得越开。而且靠近2=180度的小洞的那一条淡些，大约淡一半左右高低角的辅助判断是样品的影子，投射线束被样品遮住，在低角的小洞处产生较淡的样品的影子，此处2=0。第20页/共31页下面为一张德拜图，底片使用不对称的安装方法。通过对各条纹位置的测量，进而算出晶面间距d d，再根据条纹颜色的深浅可粗略估计相对强度I/I0。有了上述两类对应的数据，可以通过查PDF卡片，或借助于计算机检索程序找到对应的晶体的若干信息。第21页/共31页上图给出的是在计算机检索程序上运行时的PDF卡片示例。从PDF卡片上，我们可以知道试样的化学式和名称，光学性质，晶体学数据，如晶面间距，相对强度，晶体的类型，对应的hkl等。第22页/共31页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。第23页/共31页劳厄实验和劳厄斑点铅板照相底片薄片晶体PEC劳 厄 斑 点第24页/共31页劳厄相的形成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 直线第25页/共31页极射赤面投影 为了由劳厄相确定晶面方向，必须采用平面点来表示空间的方向第26页/共31页极射投影图与晶面方向表示赤面点 球面点 球面点 晶面方向确定晶面方向 赤面点 球面点 晶面方向第27页/共31页乌氏网 是一种坐标网，用来确定晶面方向间的夹角。两投影点移至同一经线上，两纬度差即为对应的夹角第28页/共31页劳厄相图转换成极射赤面投影图 上述了极射赤面投影点确定晶面方向及晶面的夹角，怎样由劳厄斑点找出相应的投影点？如图：第29页/共31页极射赤面投影点指标化1、与计算值比较2、对标准图第30页/共31页谢谢您的观看！第31页/共31页