2021-2022学年高二物理竞赛课件：X射线在晶体中的衍射.pptx

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1、X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射12德国实验物理学家，德国实验物理学家，1895年发现了年发现了X射线，并将其公射线，并将其公布于世。布于世。历史上第一张历史上第一张X射线照片，射线照片，就是伦琴拍摄他夫人的手就是伦琴拍摄他夫人的手的照片。的照片。由于由于X射线的发现具有重射线的发现具有重大的理论意义和实用价值，大的理论意义和实用价值，伦琴于伦琴于1901年获得首届诺年获得首届诺贝尔物理学奖金。贝尔物理学奖金。伦琴伦琴(W.K.Rontgen,1845-1923）X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射 1895年德国的伦琴发现年德国的伦琴发现X射线。射线。3劳厄（劳厄（M.V.Laue，

2、1879-1960）德国物理学家，发现德国物理学家，发现 X射线的衍射现象，射线的衍射现象，从而判定从而判定X射线的本质是高频电磁波。射线的本质是高频电磁波。他因此获得他因此获得1914年诺贝尔物理学奖金。年诺贝尔物理学奖金。布拉格父子（布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）英国物理学家，在利用英国物理学家，在利用X射线研究射线研究晶体结构方面作出了巨大的贡献，晶体结构方面作出了巨大的贡献，奠定了奠定了X射线谱学及射线谱学及X射线结构分射线结构分析的基础。他们因此而于析的基础。他们因此而于1915年共年共同获得诺贝尔物理学奖金。同获得诺贝尔物理学奖金。4X射线的产生与特点射线的产

3、生与特点原子内壳层电子跃迁产原子内壳层电子跃迁产生的一种辐射和高速电生的一种辐射和高速电子在靶上骤然减速时伴子在靶上骤然减速时伴随的辐射，称为随的辐射，称为X 射线射线其特点是：其特点是：1 在电磁场中不发生偏转在电磁场中不发生偏转2 穿透力强穿透力强3 波长较短的电磁波，波长较短的电磁波，范围在范围在0.001nm10nm之间之间1895年伦琴发现，高速电子撞年伦琴发现，高速电子撞击某些固体时，会产生一种看击某些固体时，会产生一种看不见的射线，它能够透过许多不见的射线，它能够透过许多对可见光不透明的物质，对感对可见光不透明的物质，对感光乳胶有感光作用，并能使许光乳胶有感光作用，并能使许多物质

4、产生荧光，这就是所谓多物质产生荧光，这就是所谓的的X射线或伦琴射线。射线或伦琴射线。高压高压-KAX射线射线X射线管射线管+5 X射线既然射线既然是一种是一种电磁波动，就应当具有衍射现象。电磁波动，就应当具有衍射现象。X-ray波长波长0.001nm10nm，一般光学光栅一般光学光栅d104 nm,d,不不能用作能用作X-ray衍射光栅。衍射光栅。当时要验证这一点却很困难。当时要验证这一点却很困难。1912年，劳厄年，劳厄(M.von.Laue)突然想到突然想到:构成晶体的粒子构成晶体的粒子是整齐排列的是整齐排列的,粒子间的距离约为粒子间的距离约为1,与与X射线的波长同射线的波长同数量级，数量

5、级，它也许就是观察它也许就是观察X射线衍射的一个极好的三维光射线衍射的一个极好的三维光栅。栅。果然，劳厄从实验观察到了果然，劳厄从实验观察到了X射线的衍射。射线的衍射。劳厄的实验装置劳厄的实验装置铅版铅版天然天然晶体晶体乳胶板乳胶板在乳胶板上形成对称分在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称布的若干衍射斑点，称为劳厄斑为劳厄斑劳厄实验劳厄实验6劳厄实验证明了劳厄实验证明了X射线的波动性，同时还证实了晶体中原射线的波动性，同时还证实了晶体中原子排列的规则性子排列的规则性7 晶体外部具有规则的几何形状，晶体外部具有规则的几何形状，内部原子具有周期性的内部原子具有周期性的排列，排列，这种结构叫这种结

6、构叫晶格晶格，或晶体的或晶体的空间点阵空间点阵，相邻格点的，相邻格点的间隔叫间隔叫晶格常数，晶格常数，通常具有通常具有 的的量级。量级。X X 射线晶体衍射射线晶体衍射8 X射线进入晶体以后，射线进入晶体以后，处在处在格点格点上的原子或离子，其上的原子或离子，其内部内部电子电子在外来电磁场的作用下做在外来电磁场的作用下做受迫振动受迫振动，成为一个新成为一个新的的波源波源（散射中心，散射中心，相当于光栅中的单缝相当于光栅中的单缝），向各个方向），向各个方向发射电磁波（发射电磁波（频率与频率与X X射线频率相同射线频率相同），这些波在空间发生），这些波在空间发生干涉（干涉（与光栅多缝间干涉问题相似

7、与光栅多缝间干涉问题相似），），形成干涉图样，形成干涉图样，干干涉图样与晶体的结构有关（涉图样与晶体的结构有关（正如多缝干涉图样与光栅常数正如多缝干涉图样与光栅常数有关有关）。）。X射线晶体衍射与光栅衍射的主要区别在于一个是三维射线晶体衍射与光栅衍射的主要区别在于一个是三维的，一个是一维的的，一个是一维的9衍射线在垂直于衍射线在垂直于y轴方向轴方向衍射线在垂直于衍射线在垂直于y轴方向轴方向二维点阵衍射的二维点阵衍射的 0 级主极级主极大方向是所有的衍射线之大方向是所有的衍射线之间没有光程差的方向间没有光程差的方向10 布拉格公式布拉格公式123dX射线以掠射角射线以掠射角射到一射到一组晶面上，

8、晶面间距为组晶面上，晶面间距为d，来自不同晶面的，来自不同晶面的“反反射线射线”为为1和和2。它们的。它们的光程差为：光程差为：各层面上的反射光相干加强，形成亮点，为各层面上的反射光相干加强，形成亮点，为 k 级干涉主极级干涉主极大。该式称大。该式称布拉格公式布拉格公式。对于对于一定方向入射的一定方向入射的X射射线线，如果晶体方向固定（相，如果晶体方向固定（相当于当于 和和d都固定都固定），对对于一个任意一个波于一个任意一个波长长，布拉格，布拉格公式很公式很难满难满足足ABCD12如果如果 晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离晶体有很多组平行晶面，晶面间的距离 d 各各不相同不相同,相应的干涉极

9、大有不同的相应的干涉极大有不同的 11 劳厄相和德拜相劳厄相和德拜相劳厄法劳厄法:用连续的用连续的X射线照射单晶体，每个晶面族的布拉射线照射单晶体，每个晶面族的布拉格条件都可以从入射光中选择出满足它的波长来，格条件都可以从入射光中选择出满足它的波长来，从而从而在所有晶面族的反射方向上都出现主极强在所有晶面族的反射方向上都出现主极强NaCl 单晶的单晶的XRD斑点斑点石英石英(SiO2)的的XRD斑点斑点12衍射图样举例粉末法粉末法:用单色的用单色的X射线照射在多晶粉末上，给定波长但射线照射在多晶粉末上，给定波长但不限定晶体取向，大量无规取向的晶粒为射线提供了满不限定晶体取向，大量无规取向的晶粒

10、为射线提供了满足布拉格条件的充分可能性。用这种方法得到的衍射图足布拉格条件的充分可能性。用这种方法得到的衍射图样称为样称为德拜相德拜相。13X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域，而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技术上有着广泛的应用。泛的应用。19531953年英国的威尔年英国的威尔金斯、沃森和克里金斯、沃森和克里克利用克利用X X 射线的结射线的结构分析得到了遗传构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸基因脱氧核糖核酸（DNA)DNA)的双螺旋的双螺旋结构，荣获了结构，荣获了1962 1962 年度诺贝尔生物和年度诺贝尔生物和医学奖。医学奖。X射线的应用射线的应用