現(xiàn)代儀器分析——X射線衍射分析

1、X射線衍射分析射線衍射分析X-ray Diffraction，XRD目錄目錄一、概述一、概述二、基本原理二、基本原理三、儀器構(gòu)造三、儀器構(gòu)造四、應(yīng)用四、應(yīng)用一、概述一、概述 X射線衍射分析（射線衍射分析（XRD）：是利用晶體形成的X射線衍射，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部原子在空間分布狀況的結(jié)構(gòu)分析方法。 特點(diǎn)特點(diǎn)：不損傷樣品、無污染、快捷、測(cè)量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。二、基本原理二、基本原理1、X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) X射線的本質(zhì)是電磁波電磁波，與可見光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像波粒二像性性。(1)波動(dòng)性(2)粒子性X射線衍射本質(zhì)：射線衍射本質(zhì)：衍射的本質(zhì)就是晶體中各原

2、子相干散射波疊加的結(jié)果。2、X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生X射線：射線：是是高速運(yùn)動(dòng)高速運(yùn)動(dòng)的粒子（一般用電子）與某種物的粒子（一般用電子）與某種物質(zhì)質(zhì)相撞擊相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。作用而產(chǎn)生的。條件：條件：1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng);3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。1236541-高壓變壓器;2-鎢絲變壓器；3-X射線管；4-陽(yáng)極；5-陰極；6-電子；7-X射線73、X射線管射線管封閉式封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（ ）二極管。）二極管?；窘M成包括：

3、 (1)陰極陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽(yáng)極陽(yáng)極：靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。 (4)焦點(diǎn)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。mmHg751010封閉式封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（ ）二極管。）二極管?；窘M成包括： (1)陰極陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽(yáng)極陽(yáng)極：靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。(3)窗口窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。 (4)焦點(diǎn)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。mm

4、Hg751010X X射線管射線管4、X射線衍射方法射線衍射方法X射線衍射分析方法變化不變化多晶體粉末法 (power method)變化不變化單晶體周轉(zhuǎn)晶體法(rotating-crystal method)不變化變化單晶體勞埃照相法(Laue method)晶體方法(method)變化不變化多晶體粉末法 (power method)變化不變化單晶體周轉(zhuǎn)晶體法(rotating-crystal method)不變化變化單晶體勞埃照相法(Laue method)晶體方法(method) 德拜法（德拜德拜法（德拜- -謝樂法）謝樂法） 照相法照相法 聚焦法聚焦法 多晶體衍射方法多晶體衍射方法 針

5、孔法針孔法 衍射儀法衍射儀法 勞埃（勞埃（LaueLaue）法）法 單晶體衍射方法單晶體衍射方法 周轉(zhuǎn)晶體法周轉(zhuǎn)晶體法 四圓衍射儀四圓衍射儀 衍射方向衍射方向問題是依靠布拉格方程的理論布拉格方程的理論導(dǎo)出的； 衍射強(qiáng)度衍射強(qiáng)度主要介紹多晶體衍射線條的強(qiáng)度，將從 一個(gè)電子的衍射強(qiáng)度研究起，接著研究一個(gè)原子的、一個(gè)晶胞的以至整個(gè)晶體的衍射強(qiáng)度，最后引入一些幾何與物理上的修正因數(shù)，從而得出多晶體衍射線條的積分強(qiáng)度。X X射線衍射可歸結(jié)為兩方面的問題：射線衍射可歸結(jié)為兩方面的問題：衍射方向和衍射強(qiáng)度。衍射方向和衍射強(qiáng)度。5、X射線衍射的方向和強(qiáng)度射線衍射的方向和強(qiáng)度 進(jìn)行進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)分析時(shí)

6、，重要的要把握兩類信息：時(shí)，重要的要把握兩類信息： 衍射方向（衍射方向（角）角）衍射方向反映了晶胞的大小以及形狀因素，可以利用布拉格方程描述。 衍射強(qiáng)度（衍射強(qiáng)度（I I ）造成結(jié)晶物質(zhì)種類千差萬別的原因不僅是由于晶格常數(shù)不同，重要的是組成晶體的原子種類以及原子在晶胞中的位置不同所造成的。反映到衍射結(jié)果上，則表現(xiàn)為反射線的有無或強(qiáng)度的大小，這就是強(qiáng)度信息。衍射方向衍射方向布拉格布拉格( (W.L.BraggW.L.Bragg) )方程方程的導(dǎo)出的導(dǎo)出2dsin=n由求得面間隔，即結(jié)晶內(nèi)原子或離子的規(guī)則排列狀態(tài)。將求出的衍射X射線強(qiáng)度和面間隔與已知的表對(duì)照，即可確定試樣結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，此即定性分

7、析。從衍射X射線強(qiáng)度的比較，可進(jìn)行定量分析。X射線的波長(zhǎng)衍射角；d結(jié)晶面間隔n整數(shù)可用已知的X射線衍射角測(cè)定影響衍射強(qiáng)度的主要因子影響衍射強(qiáng)度的主要因子 1 1 結(jié)構(gòu)因子結(jié)構(gòu)因子 22 角因子（包括極化因子和洛倫茲因數(shù)）角因子（包括極化因子和洛倫茲因數(shù)） 3 3 多重性因子多重性因子 4 4 吸收因子吸收因子 55 溫度因子溫度因子三、三、X射線衍射儀的構(gòu)造射線衍射儀的構(gòu)造光源光源：高壓發(fā)生器與X光管精密測(cè)角儀精密測(cè)角儀光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器探測(cè)器光源光源高壓發(fā)生器與高壓發(fā)生器與X光管光管X X射線產(chǎn)生條件：電子流、高壓、真空室、靶面射線產(chǎn)生條件：電子流、高壓、真空室、靶面104V+105X

8、X光管：陶瓷光管：陶瓷X X光管光管 靶面：靶面：CuCu靶靶封閉管光源封閉管光源X X射線測(cè)角儀射線測(cè)角儀 測(cè)角儀測(cè)角儀是是X X射線衍射儀的射線衍射儀的核心部分核心部分 BraggBraggBrentanoBrentano衍射幾何衍射幾何設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理： R1R2，試樣轉(zhuǎn) 角，探測(cè)器轉(zhuǎn)2 角（ 2 / 偶合），或試樣不動(dòng)，光管轉(zhuǎn)，探測(cè)器轉(zhuǎn) （ /偶合） 精密光學(xué)系統(tǒng)精密光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器探測(cè)器 作用作用是接收樣品衍射線是接收樣品衍射線( (光子光子) )信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡? (瞬時(shí)脈沖瞬時(shí)脈沖) )信號(hào)。信號(hào)。 NaINaI閃爍計(jì)數(shù)器閃爍計(jì)數(shù)器具有低背底（具有低背底（0.4cps0.4cps）、高線）、高線性范圍性范圍2x102x106 6 cps cps；新型；新型YAPYAP晶體閃爍計(jì)數(shù)器的晶體閃爍計(jì)數(shù)器的線性范圍高達(dá)線性范圍高達(dá)1x101x107 7cpscps SiSi（LiLi）固體探測(cè)器）固體探測(cè)器具有極佳的能量分辨率。具有極佳的能量分辨率?？蛇x擇特定能量的光子進(jìn)行響應(yīng)。背景小于可選擇特定能量的光子進(jìn)行響應(yīng)。背景小于0.01cps0.01cps。X射線衍射技術(shù)