X射线衍射ppt课件(XRD).ppt
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1、X射线衍射(XRD),赵荟菁(ZHAO Huijing),主要内容,一、X射线及其产生原理二、X射线在晶体中的衍射三、X射线实验方法四、X射线衍射谱线分析五、X射线衍射的应用六、小角X射线散射,一、X射线及其产生原理,1.什么是X射线?,1895年由德国学者伦琴发现,由于该射线的性质长久不明,故称X射线,后来也称为伦琴射线;显示波粒二象性,与可见光本质相同,都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象;能透过可见光不可透过的物体;沿直线进行,在电场与磁场中并不偏转,在通过物体时不发生反射、折射现象,通过普通光栅不引起衍射。,2.X射线的波长范围,X射线是一种波长很短的电磁波,为10-2 102;其
2、短波段与射线长波段相重叠,其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。,2.X射线的波长范围,一、X射线及其产生原理,X射线除了波动性质之外,还呈现为不连续的“量子流”;量子能量()用下列公式表示:=hv=h c/,3.X射线的能量,h-普朗克常数;v-射线的频率c-光速;-波长,一、X射线及其产生原理,4.X射线的产生,使快速移动的电子骤然停止其运动,则电子的动能一部分可转变为X光能。,一、X射线及其产生原理,玻璃,金属聚灯罩,铍窗口,金属靶,X射线管剖面示意图,过程演示,过程演示,5.X射线光谱的种类,连续X射线光谱 大量快速移动的电子在靶面突然停止,其到达靶面的时间和条件不会相同,并且有些电子要
3、经过多次碰撞,能量逐步损失,电子的动能转变为X射线能量也有多有少。因此,由此产生的X射线谱是连续的。特征X射线光谱 由阴极飞驰来的电子,把原子的内层电子打到外层或者原子外面,从而在原子的内电子层留有缺席的位置。此时原子处于不稳定的激发状态,随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁,填补空位,以使位能下降。电子从高能级向低能级的这种跃迁将以光子的形式辐射出特征X射线谱。,一、X射线及其产生原理,连续X射线:,特征X射线:,一、X射线及其产生原理,特征X射线产生原理图,一、X射线及其产生原理,6.特征X射线,外层电子跃迁到K层释放的能量最多,因此整个K系X射线波长最短。K线系包括K和K线,K
4、线强度较低,因此结构分析中采用 K线阳极材料一般采用铜靶,Cu K线的波长为1.542 K系激发电压与工作电压,对于Cu靶,分别是9kV和50kV,强度比:,一、X射线及其产生原理二、X射线在晶体中的衍射三、X射线实验方法四、X射线衍射谱线分析五、X射线衍射的应用六、小角X射线散射,主要内容,X射线光谱法属于微区分析,研究从单原子层到几微米的材料表面X射线荧光法(X-ray fluorescence analysis,XRF)X射线吸收法(X-ray absorption analysis,XPA)X射线衍射法(X-ray diffraction analysis,XRD),二、X射线在晶体中
5、的衍射,1 空间点阵和晶胞,二、X射线在晶体中的衍射,晶体学基本知识,晶体是由原子或原子团在三维空间中周期性重复排列组成的固体。作为基本单元的原子或原子团叫结构基元,简称基元。为反映晶体中原子排列的周期性,以一个点代表一个基元,这个点就叫阵点,阵点在三维空间的周期性分布形成无限的阵列,称为点阵。具有代表性的基本单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元,称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。,直线点阵分布在同一直线上的点阵平面点阵分布在同一平面上的点阵空间点阵分布在三维空间的点阵,二、X射线在晶体中的衍射,1 空间点阵和晶胞,晶体学基本知识,二、X射线在晶体中的衍射,1 空间点阵和晶
6、胞,二、X射线在晶体中的衍射,晶体学基本知识,晶胞:按照晶体结构的周期性划分得到的平行六面体,晶体三维空间中具有周期性排列的最小单位(基本重复单元)。,晶胞参数(6个):平行六面体的三边(晶轴)的长度:a、b、c 平行六面体的三边的夹角:、,二、X射线在晶体中的衍射,2 七大晶系,布拉格点阵(14个)P简单点阵I 体心点阵F面心点阵C底心点阵,晶 面:结晶格子内所有的点全部集中在互相平行的等间距的平面上,这些平面称为晶面。晶面指数(密勒指数,Miller):标记同一晶体内不同方向的晶面。,二、X射线在晶体中的衍射,3 晶面指数和晶面间距,二、X射线在晶体中的衍射,3.1 晶面指数,二、X射线在
7、晶体中的衍射,3.1 晶面指数,晶面指数的确定方法:1)在点阵中设定参考坐标系;2)在一组互相平行的晶面中任选一个晶面,量出它在三个坐标轴上的截矩并用点阵的三个单位向量a,b,c来度量(若该晶面与某轴平行,则在此轴上截距为无穷大;若该晶面与某轴负方向相截,则在此轴上截距为一负值);3)取各截距的倒数;4)将三个倒数分别乘以分母的最小公倍数,把它们化为三个简单整数,并用圆括号括起,即为该组平行晶面的晶面指数。当泛指某一晶面指数时,一般用(hkl)代表。,二、X射线在晶体中的衍射,3.1 晶面指数,习题:确定晶面指数,二、X射线在晶体中的衍射,3.1 晶面指数,AGDF BEDGCEDF ACEG
8、 ABCAHC,二、X射线在晶体中的衍射,3.2 晶面间距,d(hkl)是指某一晶面(hkl)规定的平面族中两个相邻晶面之间的垂直距离;由晶面指数求得;晶面间距愈大,该晶面上的原子排列愈密集;晶面间距愈小,该晶面上的原子排列愈稀疏。,二、X射线在晶体中的衍射,X射线照射深度1030 m,X射线与物质的相互作用,相干散射:X射线射入物质时,在其电磁场的作用下,原子里面被束缚得较紧的电子将发生振动,且振动频率与所射入X射线的电磁场的振动频率相等,这些散射可以互相干涉加强,称为相干散射。它是X射线在晶体中产生衍射的基础。不相干散射(康普顿散射):当X射线作用到物质原子外围联系松懈的电子或自由电子时,
9、会将它们冲撞到另一方向(这些因获得一定能量而弹开的电子为反冲电子),同时X射线量子本身也因此而降低能量,这些剩下来的能量较小、频率较低的量子,也就是波长增加了的散射为不相干散射。荧光X射线:当X射线量子的能量足够大时,可以将物质原子中的内层电子撞击使原子处于受激状态,从而产生荧光X射线(次级X射线)热、穿透X射线,二、X射线在晶体中的衍射,4 晶体对X射线的衍射,衍射的本质:晶体中各原子相干散射 波叠加(合成)的结果。,射入晶体的X射线(原始X射线),引起了晶体中原子之电子的振动,振动着的电子因而发出X射线。,每个原子作为一个新的X射线光源向四周放射X射线,是为次生X射线,其强度小。,晶体中周
10、期重复的原子所产生的X射线发生干涉现象。,次生X射线互相叠加或抵消。,二、X射线在晶体中的衍射,晶体中产生衍射的条件:,不同光源射出的光线之间的行程差等于波长的整数倍时。,d 为晶面间距,=AO+OB=nl,n为整数,充分?必要?Or 充要条件?,二、X射线在晶体中的衍射,定 义:晶体衍射方向是指晶体在入射X射线照射下产生的衍射线偏离入射线的角度。影响因素:数目很大的原子在三维空间里呈点阵形式排列成晶体时,由于散射波之间的互相干涉,所以只有在某些方向上才产生衍射。衍射方向取决于晶体内部结构周期重复的方式和晶体安置的方位。测定晶体的衍射方向,可以求得晶胞的大小和形状。,决定方法:劳厄(Laue)
11、方程和布拉格(Bragg)方程,4.1 X射线的衍射方向,一、一条点阵行列对X射线衍射时的方程二、一层面网(晶面)对X射线衍射时的方程三、三维空间的结晶格子对X射线衍射时的方程,劳厄(Laue)方程,二、X射线在晶体中的衍射,AD-BC=a(cosh-cos 0)=hh为任意整数,一条点阵行列对X射线衍射时的方程,劳厄(Laue)方程,二、X射线在晶体中的衍射,劳厄(Laue)方程,二、X射线在晶体中的衍射,由原子行列衍射X射线形成的一套圆锥,一条点阵行列对X射线衍射,劳厄(Laue)方程,二、X射线在晶体中的衍射,劳厄(Laue)方程,二、X射线在晶体中的衍射,二、X射线在晶体中的衍射,一层
12、面网(晶面)对X射线衍射时的方程,两个方向的圆锥交线,一层面网(晶面)对X射线衍射,二、X射线在晶体中的衍射,衍射方向发生在以X轴和Y轴为轴线的两族衍射锥的相交线上,不是连续的衍射锥,而是不连续的衍射线,二维点阵:按周期a,b分别沿X、Y轴构成原子网面。,二维Laue方程:,a(cosh-cos 0)=hb(cosk-cos 0)=kh,k为任意整数,二、X射线在晶体中的衍射,三维空间的结晶格子对X射线衍射时的方程,a(cosh-cos 0)=hb(cosk-cos 0)=kc(cosl-cos 0)=l,三个方向的圆锥交角,劳厄方程组,cos2h+cos2k+cos2l=1 h,k,l为任意
13、整数,布拉格(Bragg)方程,布拉格把晶体看成是由许多平行的原子面堆积而成,把衍射现象理解为晶体点阵平面族对入射线的选择性反射,从而使衍射方向很容易看出来,布拉格对劳厄方程式给予了直观的解释。,Bragg方程推导示意图,二、X射线在晶体中的衍射,(a)可见光在任意入射角方向均能产生反射,而X射线则只能在有限的布拉格角方向才产生反射。(b)虽然Bragg借用了反射几何,但衍射并非反射,而是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结果。,(1)X射线衍射与可见光反射的差异,关于Bragg方程的讨论,二、X射线在晶体中的衍射,二、X射线在晶体中的衍射,4.2 X射线的衍射强度,一个电子对X射线的散射强
14、度,I0是入射X射线光强度。e为电子电荷,m为电子质量,c为光速,2为原始入射线与散射线间的夹角,r为散射电子与观察点之间距离,称为偏振因子。,一个原子对X射线散射强度为,Z为原子序数,入射X射线的波长比原子直径大很多,认为原子中Z个电子集中于一点,Zm为它们的总质量,Ze为总电荷,在实际X射线衍射中,所有X射线波长和原子的尺度是接近的,因此不能认为原子中电子集中于一点,各电子散射波之间有相位差,一个原子散射强度公式 为:,称为原子散射因数,Aa是一个原子散射的散射波振幅,Ae是一个电子散射的散射波振幅。,由几个原子的散射波互相叠加而形成的组合波可表示为,Fhkl称为衍射hkl的结构因子,它是
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