粉沫X射线衍射

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1、第七篇X射线分析1895年，德国物理学家伦琴（Röntgen,W.C.）发现了穿透力特别强的X射线。和其它电磁波一样，X射线能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。在物质的微观结构中，原子和分子的距离（1~10A）正好在X射线的波长范围内，晶体对X射线的散射和衍射能够传递丰富的微观结构信息，所以，X射线衍射（XRD）方法是研究物质微观结构的主要方法。物质吸收X射线主要表现为光电效应、俄歇效应和热效应。光电效应产生光电子和二次X荧光，可用于物质成分的分析（X射线光电子能谱分析——XPS、X射线荧光光谱分析——XRF）。俄歇效应产生俄

2、歇电子，也可用于物质成分的分析。结合本校实验室实际情况，下面分三部分介绍粉末X射线衍射分析技术、单晶X-射线分析技术及X射线光电子能谱仪在物相分析、材料表面成分元素及其化合价态分析中的应用。第二十一章粉末X射线衍射分析21.1基本原理X射线衍射仪是利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析。广泛应用于冶金,石油,化工,科研,航空航天,教学,材料生产等领域。根据晶体对X射线的衍射特征－衍射线的位置、强度及数量来鉴定结晶物质之物相的方法，就是X射线物相分析法。21.1.1晶体学基本概念自然界中大约95%

3、固体物质可定义为晶体，分属七个晶系，14种布拉维格子。这七个晶系包括：立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、三方晶系、单斜晶系和三斜晶系。把组成各种晶体构造的最小体积单位称为晶胞，所以晶胞能反映真实晶体内部质点排列的周期性和对称性。不同的晶胞各自在三维空间平行的无间隙地堆砌，便组成各自不同晶体的整体内部构造，从而出现了各种不同的晶体。空间格子是通过真实晶体内部构造分析而抽象出来的，反映晶体内部构造中相当的构造单位在三维空间周期性排列规律的几何图形。晶胞和空间格子的区别在于，空间格子由晶体结构抽象而得到的，空间格子中的平行六面体是由不具有任何物

4、理、化学特性的几何点构成，而晶体结构中的晶胞则由实在的具体质点组成。—17—图21.1晶体的七个晶系图21.2晶体中不同的晶间距图21.3晶体的晶面指数—17—21.1.2X射线衍射分析基础（1）X射线衍射分析历史1895年，德国物理学家伦琴（Röntgen,W.C.）发现了穿透力特别强的X射线，他因此在1901年首次获得诺贝尔物理学奖。1912年德国物理学家劳厄（Von.Laue,M）等人发现X射线在晶体中的衍射现象，确证X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。1912年，英国物理学家布拉格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.)提出了

5、著名的Bragg方程：2dsinθ=nλ，开创X射线晶体结构分析的历史。美国中佛罗里达大学的理查德森表示，在X射线迎来诞生115周年之际，科学家仍在探索使用X射线的新方法。他说：“虽然伦琴在115年前发现了X射线，但X射线远远不是一种即将逝去的科学。”n1901       伦琴(Roentgen)发现X射线(1895)n1914       劳厄（Laue）晶体的X射线衍射n1915       布拉格父子(Bragg)分析晶体结构n1917巴克拉(Barkla)发现元素的标识X射线n1924       塞格巴恩(Siegbahn)X射线光

6、谱学n1927       康普顿(Compton等六人)康普顿效应n1936       德拜(Debye)化学n1946       马勒(Muller)医学n1964       霍奇金(Hodgkin)化学n1979柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学n1981塞格巴恩(Siegbahn)物理（2）X射线的产生X射线管由阳极靶材和阴极灯丝组成。灯丝中发出一定能量的电子，电子在高压电场的作用下轰击阳极靶材的表面，将阳极靶原子的第K层电子电离出来，处于高能激发态，其它外层的电子跃入，降低能量，发出X射线。X射线是一

7、种波长很短的电磁波，波长范围是0.05~0.25nm，具有很强的穿透力。常用的阳极靶材有Cu、Cr、Co、Mo、W、Fe、Ni等。X射线一般由连续X射线（白色X射线）和特征X射线谱组成。连续X射线：在X射线管中高能电子轰击阳极靶材时，产生不同的负加速度，因而发射各种波长的连续电磁波。由于电子的能量高，发射的电磁波是波长较短的X射线。电子与阳极靶面碰撞，产生很高的负加速度而发射连续X射线谱的现象，也称轫致辐射。特征X射线谱：特征X射线谱产生的机理与阳极靶材的原子内部结构是紧密相关的，是物质的固有特性。高速运动的电子将阳极靶原子的第K、L、M……等

8、壳层的电子电离出来，为保持体系的能量最低，更外层电子将跃迁到这些空位上，并释放出能量。该能量差ΔE=EL-EK=hν将以X射线的形式发射出去，从而产生