2022年晶体X射线衍射实验报告 .pdf

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1、1 中南 大 学X 射线衍射实验报告材料科学与工程学院材料学专业1305 班班级姓名学号0603130500 同组者无实验日期2015 年12 月05 日指导教师黄继武评分分评阅人评阅日期一、实验目的1) 掌握 X 射线衍射仪的工作原理、操作方法；2) 掌握 X 射线衍射实验的样品制备方法；3) 学会 X 射线衍射实验方法、实验参数设置，独立完成一个衍射实验测试；4) 学会 MDI Jade 6 的基本操作方法；5) 学会物相定性分析的原理和利用Jade进行物相鉴定的方法；6) 学会物相定量分析的原理和利用Jade进行物相定量的方法。本实验由衍射仪操作、物相定性分析、物相定量分析三个独立的实验

2、组成，实验报告包含以上三个实验内容。二、实验原理1 衍射仪的工作原理特征 X 射线是一种波长很短 ( 约为 200.06 nm) 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。在用电子束轰击金属“靶”产生的 X 射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X 射线，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 11 页2 称为特征（或标识） X 射线。考虑到X 射线的波长和晶体内部原子间的距离相近，1912 年德国物理学家劳厄 ( M.von Laue) 提出一个重要的科学预见：晶体可以作为 X 射线

3、的空间衍射光，即当一束X 射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。 分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子( W. H. Bragg, W. L Bragg) 在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl 等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式布拉格定律：2dsin=n式中 为 X 射线的波长， n 为任何正整数。 当 X 射线以掠角 （入射角的余角，又称为布拉格角） 入射到某一点阵晶格间距为d 的晶面面上时， 在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而

4、加强的衍射线。2 物相定性分析原理1) 每一物相具有其特有的特征衍射谱， 没有任何两种物相的衍射谱是完全相同的2) 记录已知物相的衍射谱，并保存为PDF 文件3) 从 PDF文件中检索出与样品衍射谱完全相同的物相4) 多相样品的衍射谱是其中各相的衍射谱的简单叠加，互不干扰，检索程序能从 PDF 文件中检索出全部物相3 物相定量分析原理X 射线定量相分析的理论基础是物质参与衍射的体积活重量与其所产生的衍射强度成正比。当不存在消光及微吸收时，均匀、无织构、无限厚、晶粒足够小的单相时，多晶物质所产生的均匀衍射环上单位长度的积分强度为：式中 R 为衍射仪圆半径， Vo为单胞体积， F 为结构因子， P

5、 为多重性因子，M 为温度因子， 为线吸收系数。三、仪器与材料1)仪器： 18KW 转靶 X 射线衍射仪2)数据处理软件：数据采集与处理终端与数据分析软件MDI Jade 6 3)实验材料： CaCO3+CaSO4、Fe2O3+Fe3O4四、实验步骤1 测量数据1)准备样品；2)打开 X 射线衍射仪；3)按下“ Door”按钮，听到报警；4)向右拉开“常规衍射仪门”，装好样品；精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 11 页3 5)向左轻拉“常规衍射仪门”，使之合上；6)打开“控制测量”程序，输入实验条件和样品名，开始测量；表

6、1 实验参数设定：仪器扫描范围扫描度电压电流D/max 2500型 X 射线衍射仪10-80 8 /min40KV250mA7)按相同的实验条件测量其它样品的衍射数据。2 物相鉴定1)打开 Jade ，读入衍射数据文件；2)鼠标右键点击 S/M 工具按钮，进入“ Search/Match ” 对话界面 ; 3)选择“ Chemistry filter”，进入元素限定对话框，选中样品中的元素名称，然后点击 OK 返回对话框，再点击OK；4)从物相匹配表中选中样品中存在的物相。在所选定的物相名称上双击鼠标，显示 PDF卡片，按下 Save按钮，保存 PDF 卡片数据；5)在主要相鉴定完成后，对剩余

7、未鉴定的衍射峰涂峰，做“Search/Match ” ，直至全部物相鉴定出来。6)鼠标右键点击“打印机”图标，显示打印结果，按下“Save ” 按钮，输出物相鉴定结果。7)以同样的方法标定其它样品的物相, 物相鉴定实验完成。3 物相定量分析1)在 Jade窗口中，打开一个多相样品的衍射谱；2)完成多相样品的物相鉴定，物相鉴定时，选择有RIR 值的 PDF 卡片；3)选择每个物相的主要未重叠的衍射峰进行拟合，求出衍射峰面积；4)选择菜单“ Options|Easy Quantitative ” ，按绝热法计算样品中两相的重量百分数；5)按下“ Save ”按钮，保存定量分析结果，定量分析数据处理

8、完成。计算公式 : babOAlaOAlabRIRRIRKKK3232, )(abbaaaKIIIW五 实验数据处理1 物相鉴定结果1）CaCO3+CaSO4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 11 页4 Vaterite, syn=24.1%Gypsum=75.9%Wt%Vaterite, syn - CaCO3 Gypsum - Ca(SO4)(H2O)2 Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks图中鉴定出的物相为CaCO3与 Ca(SO4)( H2O)2，与原给定

9、物 CaCO3+CaSO4 相比存在不同，可认为是原物质存放时间较长后吸收了空气中的水蒸气。2）Fe2O3+Fe3O4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 11 页5 Iron diiron(III) oxide=96.5%Hematite=3.5%Wt%Iron diiron(III) oxide - Fe3O4 Hematite - Fe2O3 Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks鉴定结果与原给定物相同，吻合完好，物质为Fe2O3+Fe3O4。2 定量分析结果bab

10、OAlaOAlabRIRRIRKKK3232)(abbaaaKIIIW精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 11 页6 abWW11）68.068.114.1K2243324)(2)(OHSOCaCaCOCaCOOHSOCaRIRRIR256. 0)68. 0172434047(4047)(3224224333)()(CaCOOHSOCaOHSOCaCaCOCaCOCaCOKIIIW744.1256.0113242)(CaCOOHSOCaWW2）82.191.231.532434332OFeOFeOFeOFeRIRRIRK96

11、5. 082. 13001504115041)(433232434343）（OFeOFeOFeOFeOFeOFeKIIIW035.0965.0114332OFeOFeWW3 点阵常数精确测定结果1）CaCO3 2）Ca(SO4)( H2O)2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 11 页7 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 11 页8 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 11 页9 3

12、）Fe2O3 4）Fe3O4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 11 页10 六 结果与讨论 1 衍射现象与晶体结构之间的关系X射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量的原子散射波互相干涉的结果。每种晶体所产生的的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。概括地讲，一个衍射花样的特征， 可以认为由两个方面内容组成： 一方面是衍射线在空间的分布规律（衍射几何），另一方面是衍射线束的强度。衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定的， 而衍射线的强度则取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。为了通过衍射现象来分析晶体内部结构的各种

13、问题，必须在衍射现象与晶体结构之间建立起定性的定量的关系。现只讨论布拉格方程。1）布拉格方程2dsin=n式中 d 为相邻两个晶面之间的距离； 为入射线或反射线与晶面的交角；为 X 射线波长； n 为正整数。该式是X射线在晶体中产生衍射必须满足的基本条件，它反映了衍射线方向与晶体结构之间的关系，首先由英国物理学家布拉格父子于 1912 年导出。布拉格方程与劳厄方程虽然表达方式不同，但其实质是相同的。2）布拉格方程的讨论用布拉格定律描述X 射线在晶体中的衍射几何时，是把晶体看做是由许多平行的原子面堆积而成，把衍射线看作是原子面对入射线的反射。这也就是说，在 X射线照射到的原子面中所有原子的散射波

14、在原子面反射方向上的相位是相同的，是干涉加强的方向。从布拉格方程可以看出，在波长一定的情况下，衍射线的方向是晶面间距d的函数。不同晶系的晶体， 或者同一晶系而晶胞大小不同的晶体，其衍射花样是不同的。由此可见，布拉格方程可以反映出晶体结构中晶胞大小及形状的变化。但是，布拉格方程并未反映出晶胞中原子的品种和位置。譬如，简单晶胞和体心晶胞衍射花样的区别， 由单一种类原子构成的体心晶胞和由A、B 两种原子构成的体心晶胞衍射花样的区别，在布拉格方程中均得不到体现， 因为布拉格方精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 11 页11 程中不

15、包含原子种类和坐标的参量。因此，在研究晶胞中原子的位置和种类的变化时，还需要有其他的判断依据。从上述产生衍射的条件可以看出，并不是随便把一个晶体置于X 射线照射下都能产生衍射现象。 例如，一束单色光照射一个固定不动的单晶体，就不一定能产生衍射现象，因为在这种情况下，反射球面完全有可能不与倒易阵点相交。因此，在设计实验方法时，一定要保证反射球能有充分的机会与倒易阵点相交，解决这个问题的方法是使反射球面扫过某些倒易阵点，这样，反射球永远有机会和倒易阵点相交而产生衍射。 要做到这一点， 就必须使反射球或晶体其中之一处于运动状态或者相当与运动状态。2 物相分析如果试样中只含一个或两个相， 一般只要选一

16、次三强线进行检索，就可以查出所需要的条目和PDF 卡片。但对三相或者更多相的分析，就复杂得多，因为要一个相一个相的鉴定， 由繁到简地进行分析， 选取三强线的搭配方案更多，因此重复检索的次数就更多，但每次步骤相同。在进行定性相分析时， 如果预先知道被测试样中可能存在的相，可以先通过已知相的英文名称检查字母索引，找出有关的PDF 卡片与被测试样的衍射花样进行核对，从中确认所含的相，剩下的未知相的分析程序将会大大简化。无论是计算机自动检索还是人工检索。有时会得到一些似是而非的卡片，难以确定唯一的最终结果。 在这种情况下， 就需要实验者充分发挥自己的经验并运用外围数据和规律， 例如化学成分、 精确测定的点阵常数、 相形成的反应规律等来进行综合判断。本次实验中采用了K 值法进行物相定量分析，需要注意的是，K 值与待测相和内标物质的含量无关，且只能确定待测相而不能推断未知相是否存在。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 11 页