X射线衍射原理及应用.ppt

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1、X射线衍射原理及应用贾建峰物理工程学院材料结构分析材料性能化学成分物相组成相结构相形貌相分布相大小缺陷材料结构分析方法：建立在材料的各种物理化学效应基础上物理方法：光束、X射线束，电子束、中子束、其它粒子等利用X射线束和电子束与材料相互作用产生效应来对材料进行分析测试的方法是材料近代分析中最重要的方法材料科学研究前言XRD相关术语相是指在没有外力作用下，物理、化学性质完全相同、成分相同的均匀物质的聚集态。物质从一个相转变为另一个相的过程称为相变。物相是物质微观状态的反映。物相？？？前言确定待测样品是由哪些物相（或晶相）所组成。确定相应物相的晶格类型、晶胞尺寸、以及晶胞中

2、的原子排列。物相分析的主要方法：各种衍射技术各种光谱技术什么是物相鉴定前言什么是物相鉴定XRD物相鉴定是通过晶体衍射图谱对其结构的反映来鉴别物相！与身份鉴定类比：前言物相鉴定与指纹鉴别一样有冤假错案存在！！！前言X射线衍射谱——晶体和X射线的相互作用（微观结构-宏观反应）前言衍射技术主要应用领域1，晶体结构分析：人类研究物质微观结构的第一种方法。2，物相定性分析3，物相定量分析4，晶粒大小分析5，非晶态结构分析，结晶度分析6，宏观应力与微观应力分析7，择优取向分析前言X射线（晶体）衍射技术原理第一部分晶体和X射线的相互作用X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射（也称

3、为经典散射）非相干散射定义物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射波符合干涉条件，因此称为相干散射。干涉条件：1，频率相同2，相位差固定3，振动方向一致X射线衍射——相干散射的结果X射线晶体衍射晶体铅屏X射线管因此，晶体可看作三维立体光栅。与光栅实验相同，产生了光强特定空间分布规律现象X射线衍射的成功证明了两个问题1.X射线具有波动性。人们对可见光的衍射现象有了确切的了解：光栅常数(a+b)只要与点光源的光波波长为同一数量级，就可产生衍射，衍射

4、花样取决于光栅形状。2.晶体具有周期性结构。晶体学家和矿物学家对晶体的认识：晶体是由原子或分子为单位的共振体（偶极子）呈周期排列的空间点阵——M.A.Bravais已计算出14种点阵类型。固体包括：晶体（单晶体、多晶体）、非晶体晶体结构：原子规则排列，排列具有周期性，或称长程有序。有此排列结构的材料为晶体周期性的结构可以用晶格表示晶格的格点构成晶格点阵晶体结构周期性——立体光栅确定固体中原子排列形式是研究固体材料宏观性质和各种微观过程的基础晶体中可以划分为很多的晶面族。不同的晶面族有不同的间距，即，晶格常数——d。晶体结构周期性——立体光栅晶体周期性的空间结构可以作为衍

5、射光栅晶体结构周期性——立体光栅晶体是一种三维周期结构的光栅二维周期三维周期一维周期晶体结构周期性——立体光栅但是晶体的结构周期，即晶格常数，通常比可见光的波长小得多(可见光波长一般在380-780nm之间，常见晶体的晶格常数约为几个埃)，因此，可见光不能在晶体中出现衍射。X射线的性质穿透能力强（能穿透除重金属外的一定厚度金属板）能使气体等电离折射率几乎等于1（穿过不同媒质时几乎不折射、不反射，仍可视为直线传播），因而不能利用折射来聚焦通过晶体时可以发生衍射对生物细胞和组织具有杀伤力波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软

6、X射线。X射线的产生固体靶源同步辐射等离子体源同位素核反应其他由原子内层轨道中电子跃迁或高能电子减速所产生X射线的产生——固体靶源X射线管高速运动的电子突然受阻时，与物质原子之间发生能量交换，从而产射X射线X射线的产生——固体靶源强度波长15kV连续X射线谱minX射线管的光谱结构强度波长25kV连续X射线谱minKK1K2特征X射线谱不同管压下X射线强度-波长关系曲线X射线的产生——固体靶源元素特征X射线的命名规则能量n=3(M层）n=2(L层）n=1(K层）K系L系K1K2K1K3L4L3L1X射线的产生——固体靶源物相分析、结构分析主要

7、使用K作为单色X射线源LK层跃迁概率大，K线强度大。K线比相邻的连续谱线的强度大90倍左右，比K线强度大4~5倍，在K线系中K1:K2:K=100:50:22。取K线作为光源，K、K、L系、M系等辐射因强度弱而容易去除。K1、K2线波长和能量差别很小，通常将这两条线称为K线，其波长是K1、K2波长的加权平均值，即X射线的产生——固体靶源物相分析、结构分析通常使用Cr、Fe、Co、Cu、Mo等靶材靶材选取原则：波长与样品晶格常数匹配靶材发出的K线波长尽可能远离试样中组要元素的K系吸收限，通常靶比试样高一个原子