X射线衍射物相定性分析.ppt

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1、材料现代测试方法材料现代测试方法2010.083提纲（提纲（Outline)n引言（引言（Introduction-Why,What and How）n材料与材料科学与工程（材料与材料科学与工程（Materials and MSE)n材料表征材料表征(Materials Characterization)n课程内容课程内容(Subject Content)n表征原理表征原理(General Principle)nX射线衍射射线衍射 X Ray Diffraction(XRD)n历史回顾（历史回顾（History retrospection）nX 射线性质和产生（射线性质和产生（Nature a

2、nd production of X ray）nX 射线与物质相互作用（射线与物质相互作用（Interaction of X rays and materials）4过程、组成过程、组成ProcessingComposition结构结构Structure性性能能 效效能能 Properties结构形成构形成过程程“材料工材料工艺”中心中心环节构件、器件的制构件、器件的制备 “材料材料选择”PerformancenMaterials Science and EngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-Property

3、 LinkagesWhat is Materials Science and Engineering?5MSE develops from physics,chemistry and mathematics,and is a bridge between science and engineering.The physics and chemistry are needed to understand why Materials behave in certain ways.6研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实现按要求设计材料的目的。

4、最终实现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等技术。料合成、制备、加工等技术。为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。分析测试方法的选择和使用应的分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程贯穿材料研究、应用的全过程.(材和料）材和料）“Seeing”is believing“Seeing”is believingMSE and Materia

5、ls Characterization材料科学与工程和材料表征材料科学与工程和材料表征7Materials CharacterizationMaterials Characterizationn狭义的材料表征指研究材料狭义的材料表征指研究材料组成、结构组成、结构（及性能？及性能？)的仪器分析方法。的仪器分析方法。n材料组成？材料组成？Composition，Component and ConstituentsnWhat do you mean or think of when you say or see the 3“C”s?nIs it enough to know elemental co

6、mposition(元素组成）元素组成）?nQualitative and Quantative 8三聚氰胺（三聚氰胺（化学式化学式：C3H6N6），），俗称蜜胺、俗称蜜胺、蛋白精蛋白精 食品工业食品工业中常常需要测定食品的中常常需要测定食品的蛋白质蛋白质含量，由于直接测量蛋白含量，由于直接测量蛋白质技术上比较复杂，所以常用一质技术上比较复杂，所以常用一种叫做种叫做凯氏定氮法凯氏定氮法的方法，通过的方法，通过测定氮原子的含量来间接推算食测定氮原子的含量来间接推算食品中蛋白质的含量。由于三聚氰品中蛋白质的含量。由于三聚氰胺与蛋白质相比含有更多的氮原胺与蛋白质相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一

7、些事件中子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白质含量较高的中以造成食品蛋白质含量较高的假象。假象。“相相”组成更为重要？！组成更为重要？！9What is material structure?材料结构？材料结构？组元（元素、相）组元（元素、相）组元的排列、结合方式组元的排列、结合方式10多层次的物质结构多层次的物质结构Matters are organized differently at different length scale.n n宏观：宏观：Macroscopic(0.1mm)Macroscopic(0.1mm)n n

8、Structure elements on the scale visible with human eye.Structure elements on the scale visible with human eye.n n微观：微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Microscopic(0.1micron-0.1mm)n nGrain or other mesoscopic objects consisting of a group Grain or other mesoscopic objects consisting of a group of atoms a

9、nd observable with a light microscopeof atoms and observable with a light microscopen n介观：介观：Mesoscopic(1-100nm)Mesoscopic(1-100nm)n nStructure between atomic and microscopicStructure between atomic and microscopicn n原子：原子：Atomic(0.1-1 nm)Atomic(0.1-1 nm)n nArrangement of atoms in materials,electron

10、ic bondingsArrangement of atoms in materials,electronic bondingsn n亚原子：亚原子：Subatomic(0.1 nm)Subatomic(0.1 nm)n nElectrons,protons,neutronsElectrons,protons,neutrons材料科学研究范畴Domain of material science11材料表征材料表征 Materials CharacterizationMaterials Characterizationn元素（化学）组成元素（化学）组成 Elemental Analysisn相分

11、析相分析 Phase identificationn相变相变 Phase transformationn不同层次的结构不同层次的结构 Structure at different levels,Macro to molecules and atomsn表面与界面表面与界面 Surface,interfacen微观、光谱、衍射与成像、各种热分析方法微观、光谱、衍射与成像、各种热分析方法Microscopy,spectroscopy and analysis,diffraction and imaging,thermal methods12课程内容第一章第一章 X射线衍射分析（卢都友）射线衍射分析

12、（卢都友）第二章第二章 电子显微分析（刘云飞）电子显微分析（刘云飞）第三章第三章 振动光谱分析（韦亚兵）振动光谱分析（韦亚兵）第四章第四章 热分析热分析（李晓云）（李晓云）14材料的分析与表征原理材料的分析与表征原理Materials Characterization材材料料信号信号输入输入信号信号输出输出材料与输入材料与输入信号相互作信号相互作用，产生输用，产生输出信号。出信号。比较输入比较输入和输出信和输出信号，获取号，获取材料的相材料的相关信息。关信息。1、输入什么信号；、输入什么信号；2、获取什么信号；、获取什么信号；3、输入信号与、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。材

13、料的相互作用，以及输出信号的产生过程。15材料的分析与表征材料的分析与表征Materials Characterization信号信号输入输入信号信号输出输出光子、电子、离子光子、电子、离子束、中子束、中子、热、热、磁、电、光磁、电、光 等等材料材料了解了解掌握掌握和灵和灵活运活运用各用各种表种表征手征手段。段。光子、电子、离子光子、电子、离子束、中子束、中子、热、热、磁、电、光磁、电、光 等等16X 射线衍射分析射线衍射分析17X射线的发现History retrospection1895年年，德国物理学家，德国物理学家Rntgen （伦琴）琴）(Born in 1845 in Gernma

14、ny)在研究阴极射在研究阴极射线时发现了了X射射线（1901年年获得首届得首届诺贝尔奖）18X射线的发展史1895年年，德国物理学家，德国物理学家Rntgen （伦琴）琴）在研究阴极射在研究阴极射线时发现了了X射射线（1901年年获得首届得首届诺贝尔奖）1912年年，德国的，德国的Laue(劳厄厄)第一次成功地第一次成功地进行行X射射线通通过晶体晶体发生衍射的生衍射的实验，验证了晶体的点了晶体的点阵结构理构理论。并确定了著名的晶体衍射。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程埃方程式。从而形成了一式。从而形成了一门新的学科新的学科X射射线衍射晶体衍射晶体学。学。（1914年年获得得诺贝尔奖）1913年年

15、，英国，英国Bragg（布喇格父子）（布喇格父子）导出出X射射线晶体晶体结构分析的基本公式，即著名构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并的布拉格公式。并测定了定了NaCl的晶体的晶体结构。（构。（1915年年获得得诺贝尔奖)221、衍射分析技术的发展n与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 24X 射线应用技术nX 射线形貌技术（Radiography）n医学诊断、治疗、工业探伤nX 射线光谱技术（Spectrum）n元素分析nX 射线衍射技术 （X ray Diffraction-XRD）n相分析、结构分析等25 课程要求和内容提纲理

16、解XRD和仪器工作原理，熟练掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。X射射线的物理基的物理基础 晶体晶体结构基构基础知知识 X射射线衍射几何条件和衍射衍射几何条件和衍射线强度度 X射射线衍射衍射仪 X射射线衍射物相定性分析原理及衍射物相定性分析原理及应用用26 X射线的物理基础射线的物理基础nThe nature of X raysnThe production and detectionnThe spectrum of X raysnInteraction of X-rays with materialsnSafety 271.The Nature of X rays1.The

17、 Nature of X rays X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为102到102埃的范围。（如右图所示）28波粒二相性波粒二相性properties of both waves and particlesproperties of both waves and particles波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质

18、相互作用现象，用动能和动量表征。波粒二相性公式：E=hv=h.c/，P=h/29 由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。能量与强度能量与强度 Energy and IntensityEnergy and Intensity能量能量：E=hv=（与波长成反比，频率成正比）与穿透能力相关。强度：强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积 上在单位时间内所通过的光子数目光子数目的能能量总和。量总和。常用的单位是J/cm2.s.强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素

19、决定的,即I=nhv.30Production of X RaysProduction of X Rays X ray tube（X射线管）射线管）31Working of X ray tube3233343.X3.X Ray spectrum Ray spectrum X X射线谱射线谱 当高能当高能电子与靶上原子碰撞子与靶上原子碰撞时，高能，高能电子突然受阻子突然受阻产生生负加速度。按照加速度。按照经典典电磁磁辐射理射理论，加速，加速带电粒子粒子辐射射电磁波，从而磁波，从而产生生连续X射射线。Sudden deceleration of fast-moving particlesConti

20、nuous and characteristic X Ray spectrum35=eV=0Continuous/white X Ray spectrum36短波限 n连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。n相互关系为：n式中e电子电荷，等于 静电单位；V电子通过两极时的电压降（静电单位）；h普朗克常数，等于n 相关习题：相关习题：37相关习题相关习题n试试计计算算用用50千千伏伏操操作作时时，X射射线线管管中中的的电电子子在在撞撞击击靶靶时时的的速速度度和和动动能能，所所发射的发射的X射线短波限为

21、多少？射线短波限为多少？38X射线的强度 n连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。n实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:39当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。连续X0,而不在0处。40是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。41特征/标识X射线谱根本原因：根本原因：原子原子内内层电子的子的跃迁迁高能高能电子撞子撞击出靶材料原子的内出靶材料原子的内层一个一个电子，被逐出子，被逐出电子的空位很快被外子的空位很快被外层的一个的一个电子

22、填占。而子填占。而这个个电子子空位又被更外空位又被更外层来的来的电子占有，如此一系列步子占有，如此一系列步骤使使该电离原子恢复正常状离原子恢复正常状态。每一步的。每一步的电子子跃迁迁产生特征生特征X射射线。42标识X射线的标识线分别为相邻电子层、隔层电子层、隔两层跃迁产生的特征线 K系系x射线：射线：其它电子层跃迁到K层产生。等 43L层电子跃迁到K层的概率比其它电子层跃迁到K层的概率大，即单位时间辐射出的 光子数多。比临近连续X 射线强度大90倍左右，是 的45倍44标识X射线的强度特征 IntensitynK系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：n当I标/I连最大，工作电压为K系激发

23、电压的35倍时，连续谱造成的衍射背影最小。454.x4.x射线与物质相互作用射线与物质相互作用Interaction between x rays and solid substancesInteraction between x rays and solid substances nX射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透射X射线 相干的非相干 的散射X射线热能吸收荧光X射线俄歇效应 光电效应46X射线的物理基础射线的物理基础 产生物理、化学和生化作用，引起各种

24、效应，产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：如：使一些物质发出可见的荧光；使一些物质发出可见的荧光；使离子固体发出黄褐色或紫色的光；使离子固体发出黄褐色或紫色的光；破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成合成引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；x射线与物质之间的物理作用，可分为射线与物质之间的物理作用，可分为X射线射线散射和吸收。散射和吸收。X射线与物质的作用射线与物质的作用472-5 X射线的探测与防护 n（1)X射线的探测；n（2）X射线的安全防护。48X射线的探测n荧光屏法；n照相法；n辐射探测器法：X

25、射线光子对气体和某些固态物质的电离作用可以用来检查X射线的存在与否和测量它和强度。按照这种原理制成的探测X射线的仪器电离室和各种计数器。4950X射线的安全防护nX射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。n电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。n辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。51思考题nX 射

26、线的本质、性质nX射线管工作原理？n连续X射线谱是如何产生的？为什么有短波长极限，短波长极限与哪些因素有关？n特征X射线谱是如何产生的？有何特点？标识方法？nX射线与物质相互作用时，物质对x射线的吸收及其应用？复习：晶晶体体学学基基本本概概念念,点点阵阵、晶晶胞胞、晶晶面面指指数数、晶面间距晶面间距 光栅衍射光栅衍射521.X射线的定义、性质。连续X射线和特征X射线的产生、特点。2.X射线与物质的相互作用。信号种类及应用。3.X射线衍射原理。布拉格方程的物理意义。Bragg方程，并对方程中的主要参数的范围确定进行讨论。5.X射线衍射实验方法。粉末衍射仪的工作方式、工作原理。6.X射线粉末衍射法物相定性分析过程及注意的问题。7.X射线粉末多晶衍射仪法测定物质晶体结构与单晶衍射法测定物质晶体结构的比较。8.X射线衍射试验主要有那些方法，他们各有那些应用。53