多晶体衍射分析.ppt
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1、多晶体分析方法,目的:掌握X-ray衍射最基本的实验方法和装置。要求:学习、掌握粉末法的试样制备方法、照相法及衍射花样指数化、X-ray衍射仪的结构、计算测量方法、点阵常数的精确测定、误差的校正等。重点、难点:掌握粉末法的试样制备方法、照相法及衍射花样指数化、X-ray衍射仪的结构、计算测量方法、点阵常数的精确测定、误差的校正。理解衍射仪的工作原理,误差来源,相机的分辨本领、实验参数的选择。了解X-ray探测器的工作原理、测量中的主要电路、误差的数学修正方法。,英语词汇:Debye-scherrer methodfocusing methodpinhole methoddiffractomet
2、erelectronic counterX-ray spectrometerdifferentiate abilityerrordetectorpowder methodphotograph methoddiffraction designindexrevise思考题:X-ray衍射仪与照相法的优缺点?X-ray衍射仪的结构与测角仪的工作原理?粉末法试样的制备方法?衍射花样的指数化方法?,主要内容,4.1 粉末法综述4.2 粉末照相法4.3 X-ray衍射仪4.4 衍射仪的测量方法与实验参数4.5 点阵常数的精确测定,4-1 粉末法综述,粉末法是由德国的Debye和Scherrer于1916年
3、提出的。以单色X射线为基础,可提供晶体结构的大多数信息。,Peter Josephus Wilhelmus Debye 德拜(美国人)因研究耦极矩、X射线和电子衍射对分子结构知识所做的贡献于1936年获得诺贝尔奖,Develops,together with Peter Debye,a method to determine the atomic structure of crystals by means of X-rays(Debye-Scherrer-Method).,Scherrer,4-1 粉末法综述,粉末法可分为照相法和衍射仪法。照相法中根据试样和底片的相对位置不同可分为三种:1、
4、德拜谢乐法:底片位于相机圆筒内表面,试样在中心轴上。是晶体衍射分析中最基本的方法。2、聚焦照相法:底片、试样、X射线源均位于圆周上。3、针孔法:底片为平板与X射线束垂直放置,试样放在二者之间。,所有的衍射法其衍射束均在反射圆锥面上,圆锥的轴为入射束。各个圆锥均是由特定的晶面反射引起的。在粉末试样中有相当多个粉末颗粒,含有相当多的(hkl)晶面是随颗粒一起在空间随机分布。当一束 X-ray从任意方向照射到粉末试样上时,总会有足够多的(hkl)晶面满足布拉格方程,在与入射角呈2角的方向上产生衍射,衍射线形成一个相应的4顶角的圆锥。,常见的是多晶体的块状试样,如果晶粒足够细(30m以下)将得到与粉末
5、试样相似的结果,但晶体粗大时参与反射的晶面数量有限,所以发生反射的概率变小,这样会使得圆锥不连续,形成断续的衍射花样。,4-2 粉末照相法,一、德拜法及德拜相机二、实验方法三、相机的分辨本领,一、德拜法及德拜相机,德拜相机直径为57.3mm或114.6mm。这样设计的目的是当相机直径为57.3mm时,其周长为180mm,圆心角为360,所以底片上每一毫米长度对应2圆心角;当相机直径为114.6mm时,底片上每一毫米长度对应1圆心角,简化衍射花样计算公式。,光阑的主要作用是限制入射线的不平行度和固定入射线的尺寸和位置,也称为准直管。承光管的作用是监视入射线和试样的相对位置,同时吸收透射的X-ra
6、y,保护操作者的安全。,德拜像的花样在2=90是为直线,其余角度下均为曲线且对称分布。根据在底片上测定的衍射线条的位置可以确定衍射角,如果知道的数值就可以推算产生本衍射线条的反射面的晶面间距。反之,如果已知晶体的晶胞的形状和大小就可以预测可能产生的衍射线在底片上的位置。如2最小的线条是由晶面间距最大的晶面反射的结果。,二、实验方法,常用试样为圆柱形的粉末集合体或多晶体的细棒。圆柱直径一般为0.5mm左右。大块的金属 脆性样品 两相以上的合金粉末 消除内应力,1、试样制备:,1、圆柱试样制备:4种,1、在很细的玻璃丝(最好是硼酸锂铍玻璃丝)上涂一薄层胶水等粘结剂,然后在粉末中滚动,做成粗细均匀的
7、圆柱试样。2、将粉末填充在硼酸锂铍玻、醋酸纤维(或硝酸纤维)或石英等制成的毛细管中制成所需尺寸的试样。石英毛细管可用于高温照相。3、将粉末用胶水调好填入金属毛细管中,然后用金属细棒将粉末推出2-3mm,作为摄照式样,余下部分连同金属毛细管一起作为支撑柱,以便往试样台上安装。4、金属细棒可以直接用来做试样。由于拉丝时产生择优取向,因此衍射线条往往是不连续的。,2、底片安装,(1)正装法:低角的弧线接近中心孔,高角线则靠近端部。由于高角线有较高的分辨本领,有时能将双线分开。正装法的几何关系和计算均较简单,常用于物相分析等工作。,(2)反装法:高角线条集中于孔眼附近,衍射线中除角极高的部分被光阑遮挡
8、外,其余几乎全能记录下来。高角线弧对间距较小,由底片收缩造成的误差也较小,故常用于点阵常数的测定。(3)偏装法:具有反装法的优点,其外还可以直接由底片上测算出真实的圆周长,因此,消除了由于底片收缩、试样偏心以及相机半径不准确所产生的误差。是目前较常用的方法。(不对称装法),3、摄照规程的选择,(1)选择阳极靶和滤波片:先根据试样选择阳极靶,再根据阳极靶选择滤波片。(2)管压和管电流:选择合适的管压和管电流。(3)曝光时间参数。曝光时间与试样、相机、底片及摄照规程等许多因素有关,变化范围很大,所以要通过实验来确定。选用大直径相机时摄照时间需大幅度增加。拍摄结构复杂的化合物甚至需要十几小时。,4、
9、衍射花样的测定和计算,晶面间距、衍射角、强度,当相机直径2R=57.3mm时,=2L/2当相机直径2R=115.6mm时,=2L/4背射区当相机直径2R=57.3mm时,=90-2L/2当相机直径2R=115.6mm时,=90-2L/4X-ray波长已知,所以计算出角之后,可利用布拉格方程算出每对衍射圆弧所对应的反射面的面间距。,对于衍射现象相的对强度,当要求不很精确时,一般可用目测。把一张衍射花样中的线条分为很强、强、中、弱、很弱等五级,也可以把最强的线条定为100,余者则按强弱程度用百分数来表示。如需要精确的衍射强度数据,则需要用衍射仪法,并且要通过衍射强度公式进行计算。,5、衍射花样的指
10、标法,(1)衍射圆环对应的干涉指数求出对应于各个衍射弧对的角,对应1、2-,用布拉格方程可以求出一系列d1、d2-,要知道被测物质的晶体结构,需要标定出每条衍射线的晶面指数(干涉指数)。衍射花样的指数化就是确定每个衍射圆环所对应的干涉指数。,(2)方法,立方晶系,在进行指数化时,首先算出个衍射线条的sin2顺序列,然后对照,便可确定晶体结构类型和推断出个衍射线条的干涉指数。,衍射线的干涉指数,从表中可以看出,四种结构类型的干涉指数平方的顺序比是各不相同的。简单立方与体心立方的顺序比是有差别的:它们的Ni/N1顺序比似乎相同,仔细分析有差别。从Ni/N1顺序比和衍射线相对强度(多重因子)两方面来
11、区分这两种衍射花样。,(3)Ka、K线的划分,根据布拉格方程:入射线中K的强度比K大3-5倍,因此衍射花样中K的强度也要比K大得多,是鉴别K、K的重要依据。,对一个未知结构的衍射花样指数化之后,便可确定晶体结构类型,并可利用立方晶系的布拉格方程对每条衍射线计算出一个a值。原则上讲,这些数值应该相同,但由于试验误差的存在,这些数值之间是少有差别的。,三、相机的分辨本领,照相机的分辨本领可用衍射花样中两条相邻线条的分离程度来定量表征:它表示晶面间距变化时引起衍射线条位置相对改变的灵敏程度。,影响相机的分辨本领个因素、相机半径越大,分辨本领越高。、角越大,分辨本领越高。、X-ray的波长越长,分辨本
12、领越高。、面间距越大,分辨本领越低。,Both used for basic powder Diffraction.,Philips XRD,Philips XPert,Philips High Resolution 4-Circle,Bruker 4-Circle,4-3 X-ray衍射仪,一、衍射仪的构造及几何光学照相与衍射仪的区别:照相法较原始,优缺点:摄照时间长,10-20小时;衍射线强度靠照片的黑度来估计,准确度不高;设备简单,价格便宜,用试样非常少(1mg),衍射仪至少要0.5g;可记录晶体衍射的全部信息,需要迅速确定晶体取向、晶粒度等时尤为有效;试样太重不便于用衍射仪时必不可少的
13、。相比之下,衍射仪法的优点较多,速度快、强度相对精确、信息量大、精度高、分析简单、试样制备简单等。衍射强度的测量是利用电子计数器,衍射仪的发展:劳埃相机、再有德拜相机、衍射仪衍射仪的思想是由布拉格提出:在德拜相机的光学布置下,若有个仪器能接收到X-ray并记录下来,那么让它绕试样旋转一周,同时记录转角和X-ray强度I就可以得到等同于德拜像的效果。考虑到衍射圆锥的对称性,只要转半周即可 关键要解决的技术问题:X-ray接收装置-计数管;衍射强度必须适当加大,可使用板状试样;相同的(hkl)晶面是全方向散射的,所以要聚焦;记数管的移动要满足布拉格条件。,由以下几个机构完成:,1、X-ray测角仪
14、-解决聚焦和测量角度问题;2、辐射探测仪解决记录分析衍射线能量问题。,是衍射仪的核心部件,相当于粉末法中的相机(1)样品台H:与中心重合,误差0.1mm(2)X-ray源(3)光路布置:光学布置上要求S、G位于同一圆周上,这个圆周角叫测角仪圆(4)测角仪台面:狭缝B、光阑F和计数管G固定于测角仪台E上,台面可以绕O轴转动,角位置可以从刻度盘K上读取(5)测量动作:连动,1、测角仪的构造,、测角仪的衍射几何,衍射几何的关键问题是一方面满足布拉格方程的反射条件,另一方面要满足衍射线的聚焦条件。,聚焦圆半径,聚焦原理,为达到聚焦目的,使X-ray管的焦点S、样品表面O、计数管接受光阑F位于聚焦圆上。
15、在理想情况下,试样是弯曲的,曲率与聚焦圆相同。对于粉末多晶体试样,在任何方向总会有一些(hkl)晶面满足布拉格方程产生反射,而且反射是向四面八方的,但是,那些平行于试样表面的(hkl)晶面满足入射角=反射角=的条件,此时反射线夹角为,正好为聚焦圆的圆周角,因为位于同一圆弧上的圆周角相同,所以,位于试样不同部位M,O,N处平行于试样表面的(hkl)晶面,可以把各自的反射线会聚到F点,达到聚焦的目的。由此可见,衍射仪的衍射花样均来自于于试样表面向平行的那些反射面的反射,这一点与粉末照相法是不同的。,在测角仪的测量动作中,计数器并不沿聚焦圆移动,而是沿测角仪圆移动。除X-ray管焦点S之外,聚焦圆于
16、测角仪圆只能有一个公共交点F,所以,无论衍射条件如何改变,只可能有一个(hkl)衍射线聚焦到F点接受检测,因此,沿测角仪圆移动的计数器只能逐个地对衍射线进行测量。,新问题,光源S固定在机座上,与试样C的直线位置不变,而计数器G和接受光阑F在测角仪圆大圆周上移动,随之聚焦圆半径发生改变。2增加时,弧SF接近,聚焦圆半径r减小;反之,2减小时,弧SF拉远,r增加。可以证明,其中R为测角仪半径。当=0时,聚焦圆半径为;=90时,聚焦圆半径等于测角仪圆半径。,按聚焦条件的要求,试样表面应永远保持与聚焦圆有相同的曲率。聚焦圆的曲率半径在测量过程中是不断改变的,而试样表面却难以实现这一点。因此,只能作为近
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