xrdx射線的性質(zhì)分析方法

1、Faculty of Science BUCT第二章 X-射線衍射法X-ray Diffraction (XRD)1目錄引言2.1 X-射線的本質(zhì)、產(chǎn)生與探測(cè)2.2 晶體學(xué)知識(shí)2.3 X-射線衍射法原理2.4 X-射線粉末衍射（實(shí)驗(yàn)方法）2.5 X-射線在物相分析中的應(yīng)用 利用 X射線照射晶體(或某些非晶態(tài)物質(zhì))時(shí)產(chǎn)生的衍射研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)(即內(nèi)部原子排布)的分析技術(shù)。在金屬學(xué)中用於瞭解成分對(duì)結(jié)構(gòu)的影響金屬性能變化的本質(zhì)和金屬經(jīng)過各種處理過程時(shí)結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制。X射線衍射(X-Ray Diffraction:XRD)技術(shù)是揭示晶體內(nèi)部原子排列狀況最有力的工具，它在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中具有特殊的作用。在

2、催化劑研究中，它主要用于物相鑒定、物相分析及晶胞參數(shù)的測(cè)定，由它可以獲得許多有用的結(jié)構(gòu)信息，使催化劑的許多宏觀物理性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)相關(guān)連；也可用來研究物質(zhì)的分散度，鑒別催化劑所含的元素；還可用于研究制備工藝、處理?xiàng)l件對(duì)催化劑微觀結(jié)構(gòu)的影響。引言X-Ray Diffraction(XRD) 唯一的確認(rèn)材料中晶體相的手段 結(jié)構(gòu)性質(zhì) 應(yīng)力 粒子尺寸 Epitaxy晶體取向f附生 測(cè)定薄膜的厚度 無定型材料中的原子排布相組成優(yōu)先取向 缺陷結(jié)構(gòu)(包括聚合物)和界面上H Zhang2.1 X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)2.1.1 導(dǎo)論2.1.2 X射線的產(chǎn)生2.1.3 X射線的性質(zhì)H ZhangBUCTX-Ray

3、s ? wavelength :0.01 100 Angstrom 特征射線及其衍射 X射線是一種波長(zhǎng)很短(200.06A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。2.1.1 導(dǎo)論H ZhangBUCTX-Rays1895 Roentgen(X-Rays) 射線照相術(shù)RadiographyX射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離(10-8cm)相近1912年勞厄(德物 M.von Laue)提出一重要的科學(xué)預(yù)見：-晶體可以作為X射線的空間衍射光柵即當(dāng)一束 X射線通過晶體時(shí)將發(fā)生衍射衍射波疊加使射線強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣便可確定晶

4、體結(jié)構(gòu)。-實(shí)驗(yàn)所證實(shí) 1913年布拉格父子(英物 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)并提出了著名公式 Bragg 定律 -晶體衍射基礎(chǔ)Braggs law wavelength : 0.01 100 Angstrom 2.1.2 X-射線的產(chǎn)生由庫(kù)侖力產(chǎn)生固體靶源-現(xiàn)代 X 射線管(1.8-3 kW）-實(shí)驗(yàn)室用高強(qiáng)度 X 射線裝置（18 kW）同步加速器輻射等離子體源同位素核反應(yīng)其他特征 X-rays與X射線光譜涉及核內(nèi)層電子能級(jí)的改變。當(dāng)高能粒子（如電子、質(zhì)子）撞擊靶原子時(shí)，會(huì)使原子內(nèi)層的一個(gè)電子被撞出，使該原子處于受

5、激態(tài)。-被撞出電子的空位將立即被較高能量電子層上的一個(gè)電子所填充，在此電子層上又形成新的空位-該新的空位又能由能量更高的電子層上的電子所填充，如此通過一系列的躍遷（LK，ML，NM），直至受激原子回到基態(tài)。這一系列躍遷（無輻射躍遷除外）都以X射線的形式放出能量，即發(fā)射特征的X射線光譜。H ZhangBUCT特征 X-raysX射線管 固體靶源轉(zhuǎn)靶譜 (Kramer Law) 連續(xù)譜I(E) - IntensityE x-ray energy(Delta= 1eV) W/eVK - constant P0 incident power (W)Z - target atom numbern 1E0

6、 incident electron energy（KeV） 特征譜 X-lines : Ka,b and La,b etc. Ka : Ka1, Ka 2B ConstantF(x) Target material Cons.Ec Critical energy特征譜連續(xù)譜I(E)=BN(Z)F(x)(E0-Ec)mI(E)=P0KZn(E0-E)/E0142.1.3 X射線的性質(zhì) X射線的吸收 X射線的散射 X射線光學(xué) X射線探測(cè)器當(dāng)一束能量為E的X射線穿透物質(zhì)時(shí),它的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)槲镔|(zhì)的吸收而有所衰減，這是由于X射線和物質(zhì)相互作用的結(jié)果，其作用有以下兩種：（1）X射線光子被原子吸收，而原子本

7、身發(fā)生電離，發(fā)出光電子，這是光電子效應(yīng)。（2）它們可能仍然是光子，但偏離了原來的方向，即發(fā)生了散射。X射線透過一層均勻物質(zhì)時(shí)由于和物質(zhì)相互作用，發(fā)生了光電效應(yīng)和散射現(xiàn)象，直接透過減少了，強(qiáng)度減弱，其透射強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度I0的關(guān)系滿足下式： (1)式中d為物質(zhì)厚度，(E)為吸收系數(shù)，其大小反映物質(zhì)吸收X射線的能力，是X射線光子能量的函數(shù)。 X射線的吸收物質(zhì)對(duì)X射線的吸收是原子現(xiàn)象，對(duì)于復(fù)雜化合物，近似地等于結(jié)合成該物質(zhì)的各元素吸收之和，在這里適用相加法則的原因是：被吸收的X射線光子主要激發(fā)原子的內(nèi)能級(jí)，因此外殼層電子的狀態(tài)對(duì)吸收影響很小。前面已經(jīng)指出，物質(zhì)使X射線減弱是由兩個(gè)過程產(chǎn)生的，光電過程

8、和散射過程，因此質(zhì)量吸收系數(shù)也可分為兩個(gè)部分，即： 。 稱為質(zhì)量吸收系數(shù)， 稱為散射系數(shù)，對(duì)于X射線分析所用的波長(zhǎng)以及原子序數(shù)大于10的物質(zhì)來說， 在這種情況下 ，即減弱系數(shù)等于吸收系數(shù)。 X射線的吸收I=I0exp(-t)Line absorption coefficientl=log(I0/I)/t (cm-1)Mass absorption coefficientm=/ (cm2/g)Atom absorption coefficienta=/A/N (cm2/atom)Mol absorption coefficientmol=(/)A (cm2/mol對(duì)混合物和化合物m=wiI (wi mass ratios)對(duì)連續(xù)X射線m=wii (i different wavelength)重要!m photo electron + scattering + e+,e-Photo absorption section =