多晶体衍射分析方法XR.ppt
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1、1第四章第四章多晶体衍射分析方法多晶体衍射分析方法(XRD)【教学内容教学内容】1多晶体衍射分析方法的基本原理。多晶体衍射分析方法的基本原理。2多多晶晶体体研研究究方方法法德德拜拜法法及及德德拜拜照照片片计算。计算。3多晶体研究方法多晶体研究方法衍射仪结构及工作衍射仪结构及工作原理,衍射图的获得与衍射线的线形分原理,衍射图的获得与衍射线的线形分析。析。2【重点掌握内容重点掌握内容】1X射射线线衍衍射射仪仪结结构构与与工工作作原原理理,包包括括衍衍射射仪仪的的构构造造和和几几何何光光学学、X射射线线探探测测的的工工作原理等。作原理等。2X射线衍射分析样品的制备。射线衍射分析样品的制备。3X射线衍
2、射的测量方法。射线衍射的测量方法。3【了解内容了解内容】了解德拜了解德拜-谢乐的粉末照相法,包括实验方谢乐的粉末照相法,包括实验方法和结果分析。法和结果分析。【教学难点教学难点】衍射线的线形分析。衍射线的线形分析。4【教学目标】1掌掌握握X射射线线衍衍射射分分析析的的方方法法,尤尤其其X射射线衍射仪的方法。线衍射仪的方法。2能根据实际情况选定实验参数和应用这能根据实际情况选定实验参数和应用这种去解决实际问题的能力,以及动手能种去解决实际问题的能力,以及动手能力。力。5一、粉末法的基本原理一、粉末法的基本原理大多数的材料是多晶质的大多数的材料是多晶质的,在在X射线衍射分析的射线衍射分析的三个主要
3、方法三个主要方法中我们最中我们最常用的是常用的是粉末法粉末法。67何谓粉末法?何谓粉末法?粉粉末末法法故故名名思思义义,它它样样品品是是“粉粉末末”,即即样样品品是是由由细细小小的的多多晶晶质质物物质质组组成成。理理想想的的情情况况下下,在在样样品品中中有有无无数数个个小小晶晶粒粒(一一般般晶晶粒粒大大小小为为1,而而X射射线线照照射射的的体体积积约约为为1mm3,在在这这个个体体积积内内就就有有109个个晶晶粒粒),且且各各个个晶晶粒粒的的方方向向是是随随机机的,无规则的,或者说,各种取向的晶粒都有。的,无规则的,或者说,各种取向的晶粒都有。8单色X射线源当当X射线照射到晶体上时,要产生衍射
4、的射线照射到晶体上时,要产生衍射的必要条件是必要条件是掠过角必须满足布拉格方程掠过角必须满足布拉格方程。采用单色采用单色X射线照射时射线照射时:是也是固定的。因此,要使是也是固定的。因此,要使X射线产射线产生衍射需通过改变生衍射需通过改变角,即转动晶体,以角,即转动晶体,以创造满足布拉格方程的条件。创造满足布拉格方程的条件。2dsin=9粉末法中达到这个目的的方式粉末法中达到这个目的的方式数量极多的各种取向的晶粒数量极多的各种取向的晶粒衍射锥衍射锥晶面根据晶面根据d值值成自己特有的一套衍射锥成自己特有的一套衍射锥入射入射X射线射线样品样品VIVIIIIII2 12 2r101112单晶多晶13
5、粉末法分类粉末法分类根根据据记记录录方方法法的的不不同同,粉粉末末法法分分为为二二大大类类,即照相法和衍射仪法。即照相法和衍射仪法。14二、粉末照相法二、粉末照相法德拜法德拜法照相法就是用底片来记录照相法就是用底片来记录X射线的衍射。射线的衍射。照相法中其最常用照相法中其最常用-德拜法德拜法:德德拜拜法法是是用用一一条条细细长长的的底底片片围围在在试试样样周周围围形形成成一一个个圆圆筒筒来来记记录录衍衍射射线线的的。当当X射射线线照照射射在在试试样样上上时时,形形成成的的衍衍射射锥锥在在底底片片上上留留下下一一个个个个圆圆弧弧(照片)。实验用的相机称为(照片)。实验用的相机称为德拜相机德拜相机
6、151.1.德拜相机德拜相机16172.2.实验方法实验方法(1)、试样的制备与要求试样的制备与要求 德拜法所使用的试样都是由粉末状的德拜法所使用的试样都是由粉末状的多晶体微粒所制成的圆柱形试样。通常称多晶体微粒所制成的圆柱形试样。通常称为粉末柱。柱体的直径约为为粉末柱。柱体的直径约为0.5mm。18粉末的要求粉末的要求粉末试样中晶体微粒的线性大小以粉末试样中晶体微粒的线性大小以在在10-3mm数量级为宜,一般要过数量级为宜,一般要过250-325目筛,或用手指搓摸无颗粒感时即可。目筛,或用手指搓摸无颗粒感时即可。粒径过粗粒径过粗,参与衍射的晶粒太少,会使,参与衍射的晶粒太少,会使德拜图上的弧
7、线变成点状而不连续;德拜图上的弧线变成点状而不连续;过细过细弧线弧线弥散变宽。弥散变宽。因此因此,研磨样品必须适度,颗粒太,研磨样品必须适度,颗粒太粗或可磨过细都会造成不良的照相结果。粗或可磨过细都会造成不良的照相结果。19粉末的制备:粉末的制备:脆脆性性的的无无机机非非金金属属样样品品,玛玛瑙瑙研研钵钵中中研研细。细。金属或合金试样用锉刀挫成粉末。金属或合金试样用锉刀挫成粉末。20粉末柱的的制作:粉末柱的的制作:用粉末制成直径用粉末制成直径0.5mm,长,长10mm的粉末柱。制的粉末柱。制作的方法主要有以下几种:作的方法主要有以下几种:(a a)用直径小于)用直径小于0.1mm的的细玻璃丝细
8、玻璃丝(最好是只(最好是只含轻元素的特种玻璃)含轻元素的特种玻璃)蘸上适量的胶蘸上适量的胶,将研好的将研好的粉末在玻璃片上均匀地平铺上一层,然后将蘸上粉末在玻璃片上均匀地平铺上一层,然后将蘸上胶的玻璃丝在胶的玻璃丝在其上滚过,形成圆柱状的粉末柱其上滚过,形成圆柱状的粉末柱。(为了使粉末粘得多,粘得紧,还可在上面再盖为了使粉末粘得多,粘得紧,还可在上面再盖上一片玻璃片进行滚搓。上一片玻璃片进行滚搓。)21(b)将晶体粉末与适量的)将晶体粉末与适量的加拿大树胶加拿大树胶混混合均匀,调成面团状,然后夹在两片毛合均匀,调成面团状,然后夹在两片毛玻璃之间,玻璃之间,搓成所是粗细的粉末柱搓成所是粗细的粉末
9、柱。(或或将粉末填入金属毛细管中,然后有金属将粉末填入金属毛细管中,然后有金属细棒推出,形成一个粉末柱。细棒推出,形成一个粉末柱。)(c)试样粉末装填于预先制备的胶管)试样粉末装填于预先制备的胶管或含轻元素的玻璃毛细管中,制成粉末或含轻元素的玻璃毛细管中,制成粉末柱。柱。22(2)底片的安装方法及其特点底片的安装方法及其特点德拜相机采用长条底片,安装前在光阑和德拜相机采用长条底片,安装前在光阑和承光管的位置处打好孔。承光管的位置处打好孔。底底片片的的安安装装方方式式根根据据圆圆简简底底片片开开口口处处所在位置的不同,可分为以下几种:所在位置的不同,可分为以下几种:23a.a.正装法:正装法:X
10、射线从底片接口处人射,照射线从底片接口处人射,照射试样后从中心孔穿出。底片展开后,衍射试样后从中心孔穿出。底片展开后,衍射花样的特点是,射花样的特点是,低角度的弧线低角度的弧线位于底片位于底片中央,高角度线则靠近两端。弧线呈左右中央,高角度线则靠近两端。弧线呈左右对称分布。正装法的几何关系和计算均较对称分布。正装法的几何关系和计算均较简单,用于一般的物相分析。简单,用于一般的物相分析。24b.反反装装法法:X射射线线从从底底片片中中心心孔孔射射人人,从从底底片片接接口口处处穿穿出出。其其特特点点是是弧弧线线亦亦呈呈左左右右对对称称分分布布,但但高高角角度度线线条条位位于于底底片片中中央央。它它
11、比比较较适适合合于于测测量量高高角角度度的的衍衍射射线线。由由于于高高角角线线有有较较高高的的分分辨辨本本领领,故故适适合合于于点点阵阵常常数精确测定。数精确测定。25C.偏偏装装法法(不不对对称称装装法法):在在底底片片的的1/4和和3/4处处有有两两个孔。衍射线条形成进出光孔不对称的的两组弧对。个孔。衍射线条形成进出光孔不对称的的两组弧对。该该方方法法能能同同时时顾顾及及高高低低角角度度的的衍衍射射线线,还还可可以以直直接接由由底底片片上上测测算算出出真真实实的的圆圆周周长长消消除除了了由由于于底底片片收收缩缩、试试样样偏偏心心以以及及相相机机半半径径不不准准确确所所产产生生的的误误差差,
12、因此是最常用的方法。因此是最常用的方法。26不对称法底片上高、低角度位置判断:不对称法底片上高、低角度位置判断:A、低低角角度度线线一一般般较较为为细细而而明明锐锐,高高角角度度线线则则较较为宽而弥散为宽而弥散;B、一一般般情情况况下下,低低角角度度区区的的背背景景较较深深,高高角角度度区中心则较浅;区中心则较浅;由由于于样样品品的的荧荧光光辐辐射射等等原原因因,实实际际上上在在没没有有衍衍射射线线的的地地方方,底底片片上上也也都都有有一一定定的的黑黑度度,这这就就是是所所谓谓的的背背景景。(但但如如果果样样品品对对X射射线线强强烈烈吸吸收收,荧光幅射线严重时,也可能出现相反的情况。)荧光幅射
13、线严重时,也可能出现相反的情况。)27C、高角度区,特别是在其近处往往可以出、高角度区,特别是在其近处往往可以出现现双线双线。增大时增大时1线与线与2线分离得较开。线分离得较开。283、衍射线的测量与计算、衍射线的测量与计算1)角的测量与角的测量与d值的计算值的计算在德拜法中,在德拜法中,角是通过测量底片上对应衍射弧的弧对间距,并计算得到的。角是通过测量底片上对应衍射弧的弧对间距,并计算得到的。29测量到了角之后,通过布拉格方程就可以求得每条衍射线的d值。302)衍射强度的测量)衍射强度的测量在物相定性分析工作中,对衍射强度数在物相定性分析工作中,对衍射强度数据的精度要求并不高,可以用据的精度
14、要求并不高,可以用相对黑度相对黑度来代来代表衍射的相对强度。在实际工作中经常只用表衍射的相对强度。在实际工作中经常只用目估法目估法来测定相对强度。来测定相对强度。以一张德拜图中最黑的一条弧线之黑度以一张德拜图中最黑的一条弧线之黑度作为作为100或或10然后将其他弧线的黑度与之比然后将其他弧线的黑度与之比较,以定出它们各自的较,以定出它们各自的相对黑度相对黑度。(分为很强(分为很强(vs)、强、强(s)、中、中(m)、弱、弱(w)、很弱、很弱(vw)五级。)五级。)31对对强强度度要要求求较较高高时时,可可采采用用显显微微光光度度计计进进行行强强度度测测量量。一一般般用用显显微微光光度度计计来来
15、测测量量照照相相底底片片上上弧弧线线的的黑黑度度,再再经经换换算算,得得出衍射线的相对强度数据。出衍射线的相对强度数据。324、德拜图上、德拜图上K线与线与K线的鉴别线的鉴别德拜法德拜法为了不致减弱入射线的强度,以便为了不致减弱入射线的强度,以便缩短曝光时间,在缩短曝光时间,在粉晶照相过程中往往不粉晶照相过程中往往不用滤波片。用滤波片。同时有同时有K辐射与辐射与K辐射产生的两个反辐射产生的两个反射圆锥,在德拜图上留下两对弧线。射圆锥,在德拜图上留下两对弧线。必需对它们进行鉴别。必需对它们进行鉴别。33办办 法法1)德德拜拜图图上上K线线总总是是在在K线线的的靠靠近近低低角角度度一一侧侧,且且随
16、随增增大大,K线线与与K线线之之间间的的距距离也越大。离也越大。根根据据布布拉拉格格方方程程,sin与与波波长长成成正正比比。因因为为K辐辐射射的的波波长长较较K短短,因因此此由由同同一一面面同同所所产产生生的的K衍衍射射线线的的衍衍射射角角要要比比K衍衍射射线线的的衍衍射射角角小小,从从而而在在德德拜拜图图上上K线线总总是是在在K线线的的靠靠近近低低角角度度一一侧侧;且且随随增增大大,K线线与与K线线之之间间的的距距离离也也越越大大。二者之间存在着如下的固定关系二者之间存在着如下的固定关系常数常数342)由于入射线中)由于入射线中K的强度比的强度比K大大35倍,因此,在衍射花样中的倍,因此,
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