《X射線的衍射》課件

X射線的衍射X射線的基本性質(zhì)1穿透性X射線可以穿透許多物質(zhì)，例如人體、金屬和塑料，穿透能力與物質(zhì)的密度和原子序數(shù)有關(guān)。2熒光效應(yīng)當(dāng)X射線照射到某些物質(zhì)時，會使物質(zhì)發(fā)出可見光，例如X射線照射到熒光屏上，就會發(fā)出可見光。3電離作用X射線可以使氣體電離，這是X射線探測器的基本原理之一。4生物效應(yīng)X射線對生物體有傷害作用，會導(dǎo)致細胞死亡或基因突變，因此使用X射線時要做好防護措施。X射線的產(chǎn)生機理1高速電子轟擊電子束撞擊金屬靶材，2原子內(nèi)層電子躍遷電子被激發(fā)，3X射線光子發(fā)射原子恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，X射線產(chǎn)生于高速電子轟擊金屬靶材，引起靶材原子內(nèi)層電子躍遷，從而發(fā)射出X射線光子。高速電子撞擊靶材原子，使靶材原子內(nèi)層電子被激發(fā)到高能級，然后躍遷回低能級，并釋放出能量，以X射線光子的形式輻射出來。X射線的波性質(zhì)電磁波X射線是電磁波譜中的一種，具有波粒二象性。波長X射線的波長范圍在0.01納米到10納米之間，比可見光波長短得多。衍射現(xiàn)象X射線可以通過晶體發(fā)生衍射，產(chǎn)生干涉圖樣。布拉格反射條件1入射角入射X射線束與晶體平面的夾角。2反射角衍射X射線束與晶體平面的夾角。2晶格間距相鄰晶體平面之間的距離。布拉格方程公式2dsinθ=nλ含義當(dāng)入射X射線的波長λ和晶體中晶格平面間距d滿足一定關(guān)系時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。晶格平面間距定義晶格平面間距是指相鄰晶格平面之間的距離。影響因素晶格平面間距受晶格常數(shù)和晶格方向的影響。重要性晶格平面間距是X射線衍射分析的重要參數(shù)。勞厄圓當(dāng)一束單色X射線入射到晶體上，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射的X射線在空間形成一系列圓錐形的衍射波，這些圓錐形的橫截面就是勞厄圓。勞厄圓是X射線衍射圖樣的一種表現(xiàn)形式，它反映了晶體內(nèi)部的原子排列方式。勞厄圓的直徑與晶體晶格常數(shù)有關(guān)，圓心位于入射X射線的中心，每個勞厄圓對應(yīng)于晶體的一個晶格平面。倒格子倒格子是真實空間晶格的傅里葉變換，它描述了晶體衍射的幾何特征。每個倒格點對應(yīng)于晶體中的一組晶面，其位置由晶面間距和晶面法向決定。倒格子空間的概念可以幫助我們更直觀地理解衍射現(xiàn)象，例如解釋衍射斑點的分布和強度。衍射的幾何描述1布拉格方程描述晶體衍射現(xiàn)象2倒格子描述晶體結(jié)構(gòu)3勞厄圓解釋衍射現(xiàn)象點陣衍射點陣衍射現(xiàn)象描述了X射線在周期性排列的原子陣列上的散射行為.X射線照射到晶體時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，形成一系列明暗相間的衍射斑點。衍射斑點的位置和強度反映了晶體的結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。晶體結(jié)構(gòu)分析衍射圖樣分析通過分析衍射圖樣，可以確定晶體的晶胞參數(shù)、空間群和原子位置。晶體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建根據(jù)衍射數(shù)據(jù)，利用軟件工具構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)精修對模型進行精修，使模型與實驗數(shù)據(jù)更加吻合。單晶衍射實驗1樣品制備選擇合適的單晶，進行切割、研磨和拋光。2安裝樣品將樣品固定在衍射儀的樣品臺上，并精確調(diào)整其位置。3數(shù)據(jù)采集使用X射線照射樣品，并收集衍射數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)處理對收集到的衍射數(shù)據(jù)進行處理，并計算晶胞參數(shù)。單晶衍射圖樣單晶衍射圖樣通常呈現(xiàn)為一系列的衍射斑點，這些斑點的位置和強度都與晶體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。可以通過分析衍射斑點的分布和強度來確定晶體的晶格結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、原子位置等信息。晶胞參數(shù)計算a晶胞在a軸方向上的長度b晶胞在b軸方向上的長度c晶胞在c軸方向上的長度α晶胞b軸和c軸之間的夾角β晶胞a軸和c軸之間的夾角γ晶胞a軸和b軸之間的夾角粉末衍射實驗樣品制備將樣品研磨成細粉末，確保樣品均勻分布，減少晶粒尺寸對衍射的影響。樣品裝填將粉末裝填到樣品架中，確保樣品表面平整，以獲得清晰的衍射圖樣。數(shù)據(jù)采集利用X射線衍射儀進行數(shù)據(jù)采集，記錄樣品對X射線的衍射信號。數(shù)據(jù)分析對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒尺寸等信息。粉末衍射圖樣NaCl粉末衍射NaCl的粉末衍射圖樣具有明顯的特征峰，這些峰對應(yīng)于NaCl晶體結(jié)構(gòu)的晶面間距。CuO粉末衍射CuO的粉末衍射圖樣更加復(fù)雜，反映了其更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。相結(jié)構(gòu)分析確定晶體中的相組成計算各相的含量分析各相的晶體結(jié)構(gòu)相含量分析1定量分析根據(jù)不同相的衍射峰強度，計算各相的含量比例。2Rietveld精修利用Rietveld精修軟件，對粉末衍射圖譜進行擬合，得到各相的含量、晶胞參數(shù)等信息。3應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域，用于確定多相材料中各相的含量。晶粒尺寸分析1Scherer公式利用X射線衍射峰的寬度來確定晶粒尺寸2微觀結(jié)構(gòu)提供有關(guān)材料的微觀結(jié)構(gòu)信息，如晶粒大小和形狀3性能影響晶粒尺寸對材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能和熱學(xué)性能有顯著影響應(yīng)變分析應(yīng)變晶體內(nèi)部由于外力或溫度變化引起的形變應(yīng)變分析通過X射線衍射測量晶體內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)方法利用衍射峰位移和峰寬變化來分析相變分析相變檢測X射線衍射可以準確地識別材料中的相變，例如晶體結(jié)構(gòu)的改變、晶格參數(shù)的變化或新的相的出現(xiàn)。相變機理研究通過分析衍射圖樣的變化，可以深入研究相變的機理，例如相變的溫度、壓力、時間或其他因素的影響。相變動力學(xué)可以研究相變的速度、過程和動力學(xué)，例如相變的速率、相變的路徑和相變的控制因素。相分析的應(yīng)用領(lǐng)域材料科學(xué)識別材料的相組成、晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，例如金屬合金、陶瓷和聚合物?；瘜W(xué)分析化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，確定反應(yīng)機理和產(chǎn)物純度。地質(zhì)學(xué)確定礦物和巖石的成分、結(jié)構(gòu)和形成條件，例如地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)資源開發(fā)。生物學(xué)分析生物材料的結(jié)構(gòu)和成分，例如蛋白質(zhì)和DNA。X射線差拉比衍射峰位移分析不同材料的衍射峰位置變化,可以確定材料的晶格常數(shù)變化。衍射峰強度變化通過分析衍射峰的強度變化,可以了解材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。衍射峰形狀變化分析衍射峰的形狀變化,可以判斷材料內(nèi)部是否存在不同的相態(tài)。動力學(xué)衍射理論1多重散射考慮X射線在晶體中多次散射的影響2波動方程基于麥克斯韋方程組推導(dǎo)出晶體中X射線傳播的波動方程3邊界條件考慮晶體表面和內(nèi)部的邊界條件，求解波動方程動力學(xué)衍射理論是一種更精確的衍射理論，它考慮了X射線在晶體中多次散射的影響。與傳統(tǒng)的運動學(xué)理論不同，動力學(xué)理論能夠描述衍射強度隨入射角的變化，并解釋一些運動學(xué)理論無法解釋的現(xiàn)象，如反常透射等。動力學(xué)理論在解析復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)、研究材料的內(nèi)部應(yīng)力等方面有重要應(yīng)用。動力學(xué)衍射現(xiàn)象當(dāng)X射線束穿過晶體時，一部分射線被晶體反射，另一部分射線則穿過晶體，這兩種射線相互干涉，形成衍射圖樣。動力學(xué)衍射理論考慮了晶體中所有原子的散射，因此它能夠解釋衍射圖樣中出現(xiàn)的各種復(fù)雜現(xiàn)象，例如衍射強度隨入射角的變化，衍射線形隨晶體厚度變化等。反射高能電子衍射反射高能電子衍射(RHEED)是一種表面敏感的分析技術(shù)，用于研究材料的表面結(jié)構(gòu)和生長過程。在RHEED中，一束高能電子束以掠射角照射樣品表面，被表面原子散射，形成衍射圖案。RHEED圖案可以提供有關(guān)表面結(jié)構(gòu)、生長模式、薄膜厚度和表面缺陷的信息。像散分析透鏡像差像散是透鏡像差的一種，指的是非點光源通過透鏡后，在成像平面上形成的兩個相互垂直的模糊線的現(xiàn)象。影響因素像散的影響因素包括透鏡的形狀、材料和制造精度，以及光束入射角等。分析方法像散分析可以通過測量成像平面上的模糊線長度和方向來進行，并以此計算像散的大小和方向。結(jié)構(gòu)解析實例通過X射線