10.X射线衍射法

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1、第十章X射线衍射法（XRD）第一节X射线衍射方向X射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量的原子散射波互相干涉的结果。晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。概括地讲，一个衍射花样的特征，可以认为由两个方面的内容组成：一方面是衍射线在空间的分布规律，（称之为衍射几何），衍射线的分布规律是晶胞的大小、形状和位向决定；另一方面是衍射线束的强度,衍射线的强度则取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。X射线衍射理论所要解决的中心问题:在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系。一、劳厄(Laue)方程二、布拉格（Bragg）方程：2dhklsinθ=nλ式中

2、n为整数（衍射级数），d为晶面间距，λ为入射X射线波长，θ称为布拉格角或掠射角，又称半衍射角，实验中所测得的2θ角则称为衍射角。第二节布拉格方程的讨论一、产生衍射的条件衍射只产生在波的波长和散射中间距为同一数量级或更小的时候。（λ≦2d）二、布拉格方程的应用布拉格方程在实验上有两种用途。首先，利用已知波长的特征X射线，通过测量θ角，可以计算出面间距d，这种工作叫做结构分析(structureanalysis)；其次，利用已知晶面间距d的晶体，通过测量θ角，从而计算出未知X射线的波长，这种方法就是X射线光谱学(X-rayspectroscopy)。三、衍射方向对

3、于一种晶体结构总有相应的晶面间距表达式。将bragg方程和晶面间距公式联系起来，就可以得到晶系的衍射方向表达式。衍射方向决定于晶胞的大小与形状。或者说，通过测定衍射束的方向，可以测出晶胞的形状和尺寸。至于原子在晶胞中的位置，可用通过分析衍射线的强度才能确定。第三节X射线衍射强度学习强度三理由：1.Bragg方程仅确定方向，不能确定强度，符合Bragg方程的衍射不一定有强度；2.不同衍射线有不同强度，了解强度有助于指标化；3.了解强度有助于了解晶格组成。因原子在晶体中位置不同或原子种类不同而引起的某些方向上的衍射线消失的现象称之为“系统消光”。根据系统消光的结果

4、以及通过测定衍射线的强度的变化就可以推断出原子在晶体中的位置。第四节X射线衍射仪X射线衍射仪（X-raydiffractometer，XRD）是利用探测器探测X光衍射线，利用后续电子线路记录X光衍射线的装置。一、衍射仪的组成：X光机、测角仪、探测器、记录器和操纵系统。由于同一试样的各条衍射线不是同时测出，所以要求X光机提供相当稳定的X光源。二、测角仪：测角仪是衍射仪的核心，是一个精密的机械构件，它的作用是支持试样，并使试样与探测器相关地转动，支持狭缝系统，限制X光光路。样品转过q角，其某组晶面满足Bragg条件，探测器必须转动2q才能感受到衍射线，所以两者转动

5、角速度之比为1:2。常称这一动作为θ~2θ联动。三、记录系统：衍射仪的记录系统包括放大探测器输出的电脉冲的线性放大器，选择一定幅度脉冲送入后续系统的单道脉冲高度分析器，以及两种记录电脉冲的仪器：计数率计和定标器。X射线管发出单色X射线照射在样品上，所产生的衍射由探测器测定衍强度，由测角仪确定角度2q，得到衍射强度随2q变化的图形。四、实验条件选择及试样制备1.测角器实验条件的选择a．发散狭缝(DS)的选择。通常，在定性分析时选用10发散狭缝，对于研究某些低角度出现的衍射峰时，选择10/2(或10/6)为宜。b．接收狭缝(RS)的选择。通常，在定性分析时选用0.

6、3mm，但当分析有机化合物的复杂谱线时，为了获得较高分辨率，宜采用0.15mm接收狭缝为好。c．防散射狭缝(SS)的选择。其角宽度与相应的发散狭缝角宽度相同。d．扫描速度(scanningspeed)的选择。随扫描速度的加快，导致峰高下降，线形畸变，峰顶向扫描方向移动。因此，为了提高测量精确度，希望选用尽可能小的扫描速度。2.试样制备：a．颗粒尺寸：在衍射仪分析中，其粒度应控制在5μm左右；b．试样厚度；c．择优取向；d．平面试样的制备。五、典型的衍射图全图扫描（连续扫描）是指测试一个角度或几个角度范围内的全部衍射线，让试样和探测器以1：2的角速度作匀速圆周运

7、动，在转动过程中同时将探测器依次所接收到的各晶面衍射信号输入到记录系统或数据处理系统，从而获得的衍射图谱。单线扫描是测试某一条衍射线的准确形状，以获得准确的线位或强度等。这时可以用慢速扫描，也可以用步进扫描。步进扫描又称阶梯扫描。六、附件与其他配套技术第五节多晶体的物相分析X射线物相分析的任务是利用X射线衍射方法，对试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物(其中也包括单质元素和固溶体)，即所谓物相，进行定性和定量分析。X射线物相分析给出的结果，不是试样化学成分，而是由各种元素组成的固定结构的化合物(即物相)的组成和含量。一、物相的定性分析1.基本原理任何一种

8、结晶物质(包括单质元素、固溶体和化合物