晶體X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告全解

1、中南 大 學(xué)X 射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料學(xué)專業(yè)1305 班班級(jí)姓名學(xué)號(hào)0603130500同組者無實(shí)驗(yàn)日期2015年12 月05日指導(dǎo)教師黃繼武評(píng)分分評(píng)閱人評(píng)閱日期一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 掌握 X 射線衍射儀的工作原理、操作方法；2) 掌握 X 射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品制備方法；3) 學(xué)會(huì) X 射線衍射實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立完成一個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試；4) 學(xué)會(huì) MDI Jade 6 的基本操作方法；5) 學(xué)會(huì)物相定性分析的原理和利用 Jade進(jìn)行物相鑒定的方法；6) 學(xué)會(huì)物相定量分析的原理和利用 Jade進(jìn)行物相定量的方法。本實(shí)驗(yàn)由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)組成，

2、實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。二、實(shí)驗(yàn)原理1 衍射儀的工作原理特征 X 射線是一種波長(zhǎng)很短 ( 約為 200.06 nm) 的電磁波， 能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的 X 射線中，包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的 X 射線，1稱為特征（或標(biāo)識(shí)） X 射線?？紤]到 X 射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離相近， 1912 年德國(guó)物理學(xué)家勞厄 ( M.von Laue) 提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為 X 射線的空間衍射光，即當(dāng)一束 X 射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)， 在其他方向上減

3、弱。 分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子 ( W. H. Bragg, W. L Bragg) 在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了 NaCl、KCl 等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式布拉格定律：2dsin =n式中 為 X 射線的波長(zhǎng)， n 為任何正整數(shù)。 當(dāng) X 射線以掠角 （入射角的余角，又稱為布拉格角） 入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為 d 的晶面面上時(shí)， 在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。2 物相定性分析原理1) 每一物相具有其特有的特征衍射譜， 沒有任何兩種物相的衍射譜是完全

4、相同的2) 記錄已知物相的衍射譜，并保存為 PDF 文件3) 從 PDF 文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相4) 多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡(jiǎn)單疊加， 互不干擾，檢索程序能從 PDF 文件中檢索出全部物相3 物相定量分析原理X 射線定量相分析的理論基礎(chǔ)是物質(zhì)參與衍射的體積活重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比。當(dāng)不存在消光及微吸收時(shí)，均勻、無織構(gòu)、無限厚、晶粒足夠小的單相時(shí)，多晶物質(zhì)所產(chǎn)生的均勻衍射環(huán)上單位長(zhǎng)度的積分強(qiáng)度為：式中 R 為衍射儀圓半徑， Vo 為單胞體積， F 為結(jié)構(gòu)因子， P 為多重性因子， M 為溫度因子， 為線吸收系數(shù)。三、儀器與材料1) 儀器： 18KW 轉(zhuǎn)靶 X

5、 射線衍射儀2)數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDI Jade 63) 實(shí)驗(yàn)材料： CaCO3+CaSO4、 Fe2O3+Fe3O4四、實(shí)驗(yàn)步驟1 測(cè)量數(shù)據(jù)1) 準(zhǔn)備樣品；2) 打開 X 射線衍射儀；3) 按下“ Door”按鈕，聽到報(bào)警；4) 向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；25) 向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；6) 打開“控制測(cè)量”程序，輸入實(shí)驗(yàn)條件和樣品名，開始測(cè)量；表 1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max 2500 型 X 射線衍射儀10-808°/min40KV250mA7) 按相同的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2 物相鑒定1

6、) 打開 Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；2) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊 S/M 工具按鈕，進(jìn)入“ Search/Match”對(duì)話界面 ;3) 選擇“ Chemistry filter ”，進(jìn)入元素限定對(duì)話框，選中樣品中的元素名稱，然后點(diǎn)擊 OK 返回對(duì)話框，再點(diǎn)擊 OK；4) 從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示 PDF 卡片，按下 Save按鈕，保存 PDF 卡片數(shù)據(jù)；5) 在主要相鑒定完成后，對(duì)剩余未鑒定的衍射峰涂峰，做“ Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。6) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“打印機(jī)”圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“ Save”按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。7) 以

7、同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相 , 物相鑒定實(shí)驗(yàn)完成。3 物相定量分析1) 在 Jade窗口中，打開一個(gè)多相樣品的衍射譜；2)完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時(shí)，選擇有RIR 值的 PDF 卡片；3) 選擇每個(gè)物相的主要未重疊的衍射峰進(jìn)行擬合，求出衍射峰面積；4) 選擇菜單“ Options|Easy Quantitative”，按絕熱法計(jì)算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù)；5) 按下“ Save”按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計(jì)算公式 :aKK baRIRaI aAl 2O 3, WabRIRba)Al 2O 3( IaIb K b五 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1 物相鑒定結(jié)果1）CaCO3+CaSO

8、43Vaterite, sy n - CaCO3 <Wt%=24.1 (3.7)>Gypsum - Ca(SO4)(H2O)2 <Wt%=75.9 (11.6)>Vaterite, sy n=24.1%Gypsum=75.9%Wt%Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks圖中鑒定出的物相為 CaCO3 與 Ca(SO4)( H2O) 2，與原給定物 CaCO3+CaSO4 相比存在不同，可認(rèn)為是原物質(zhì)存放時(shí)間較長(zhǎng)后吸收了空氣中的水蒸氣。2）Fe2O3+Fe3O44Iron diiron(III) ox ide - F

9、e3O4 <Wt%=96.5 (26.6)>Hematite - Fe2O3 <Wt%=3.5 (1.0)>Iron diiron(III) ox ide=96.5%Hematite=3.5%Wt%Quantitative Analysis from Profile-Fitted Peaks鑒定結(jié)果與原給定物相同，吻合完好，物質(zhì)為Fe2O3+Fe3O4。2 定量分析結(jié)果aKK baRIRaAl 2O 3bRIRbAl 2O 3WaI aI b K ba )( I a5Wb1 WaCaCO3RIRCaCO31.141） K Ca( SO4 )( H2 O )2Ca (SO

10、 )( H2O)20.68RIR41.68WCaCO3I CaCO3CaCO340470.256( I CaCO3I Ca ( SO4 )( H2O )2( 404717243 0.68)K Ca ( SO4 )( H 2O )2 )WCa ( SO4 )( H 2 O) 21WCaCO310.256 1.744Fe3 O4RIR Fe3O 45.311.822） KFe ORIR Fe2O32.912 3WFe3O 4I Fe3 O4150410.965(I Fe3O 4Fe3O4（）I Fe2O 3 K Fe2O 3 )15041 3001.82WFe2 O31 WFe3O410.9650

11、.0353 點(diǎn)陣常數(shù)精確測(cè)定結(jié)果1）CaCO32）Ca(SO4)( H2O) 26783）Fe2O34）Fe3O49六 結(jié)果與討論1 衍射現(xiàn)象與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系X 射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量的原子散射波互相干涉的結(jié)果。每種晶體所產(chǎn)生的的衍射花樣都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。 概括地講，一個(gè)衍射花樣的特征， 可以認(rèn)為由兩個(gè)方面內(nèi)容組成： 一方面是衍射線在空間的分布規(guī)律（衍射幾何），另一方面是衍射線束的強(qiáng)度。衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定的， 而衍射線的強(qiáng)度則取決于原子的品種和它們?cè)诰О械奈恢?。為了通過衍射現(xiàn)象來分析晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種問題， 必須在衍射現(xiàn)象與晶體結(jié)構(gòu)

12、之間建立起定性的定量的關(guān)系?，F(xiàn)只討論布拉格方程。1）布拉格方程2dsin =n式中 d 為相鄰兩個(gè)晶面之間的距離；為入射線或反射線與晶面的交角；為 X 射線波長(zhǎng)； n 為正整數(shù)。該式是 X 射線在晶體中產(chǎn)生衍射必須滿足的基本條件，它反映了衍射線方向與晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系， 首先由英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子于 1912 年導(dǎo)出。布拉格方程與勞厄方程雖然表達(dá)方式不同，但其實(shí)質(zhì)是相同的。2）布拉格方程的討論用布拉格定律描述 X 射線在晶體中的衍射幾何時(shí)，是把晶體看做是由許多平行的原子面堆積而成，把衍射線看作是原子面對(duì)入射線的反射。這也就是說，在 X 射線照射到的原子面中所有原子的散射波在原子面反射方向上的

13、相位是相同的，是干涉加強(qiáng)的方向。從布拉格方程可以看出，在波長(zhǎng)一定的情況下，衍射線的方向是晶面間距 d 的函數(shù)。不同晶系的晶體， 或者同一晶系而晶胞大小不同的晶體， 其衍射花樣是不同的。由此可見，布拉格方程可以反映出晶體結(jié)構(gòu)中晶胞大小及形狀的變化。但是，布拉格方程并未反映出晶胞中原子的品種和位置。 譬如，簡(jiǎn)單晶胞和體心晶胞衍射花樣的區(qū)別， 由單一種類原子構(gòu)成的體心晶胞和由A 、B 兩種原子構(gòu)成的體心晶胞衍射花樣的區(qū)別，在布拉格方程中均得不到體現(xiàn)，因?yàn)椴祭穹?0程中不包含原子種類和坐標(biāo)的參量。 因此，在研究晶胞中原子的位置和種類的變化時(shí)，還需要有其他的判斷依據(jù)。從上述產(chǎn)生衍射的條件可以看出，并不

14、是隨便把一個(gè)晶體置于 X 射線照射下都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。 例如，一束單色光照射一個(gè)固定不動(dòng)的單晶體， 就不一定能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，因?yàn)樵谶@種情況下，反射球面完全有可能不與倒易陣點(diǎn)相交。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法時(shí)，一定要保證反射球能有充分的機(jī)會(huì)與倒易陣點(diǎn)相交，解決這個(gè)問題的方法是使反射球面掃過某些倒易陣點(diǎn)， 這樣，反射球永遠(yuǎn)有機(jī)會(huì)和倒易陣點(diǎn)相交而產(chǎn)生衍射。 要做到這一點(diǎn)， 就必須使反射球或晶體其中之一處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者相當(dāng)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2 物相分析如果試樣中只含一個(gè)或兩個(gè)相， 一般只要選一次三強(qiáng)線進(jìn)行檢索， 就可以查出所需要的條目和 PDF 卡片。但對(duì)三相或者更多相的分析，就復(fù)雜得多，因?yàn)橐粋€(gè)相一個(gè)相的鑒定， 由繁到簡(jiǎn)地進(jìn)行分析， 選取三強(qiáng)線的搭配方案更多， 因此重復(fù)檢索的次數(shù)就更多，但每次步驟相同。在進(jìn)行定性相分析時(shí)， 如果預(yù)先知道被測(cè)試樣中可能存在的相，可以先通過已知相的英文名稱檢查字母索引，找出有關(guān)的PDF 卡片與被測(cè)