X光系列實(shí)驗(yàn).ppt

1、X射線衍射,X射線技術(shù)基礎(chǔ) 德拜法鑒定物質(zhì) 勞厄法單晶定向,X射線發(fā)現(xiàn),X射線的發(fā)現(xiàn)是起源于對(duì)陰極射線的研究。 倫琴也對(duì)陰極射線感興趣，一個(gè)偶然事件吸引了他的注意 發(fā)現(xiàn)了一種穿透能力很強(qiáng)的射線X射線（倫琴射線）,W.K.Rontgen(1845-1923)德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)，是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，造詣很深的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，由于發(fā)現(xiàn)X射線，第一個(gè)獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1901年),概述,是一種穿透能力很強(qiáng)的射線 1912年勞厄等人（晶體衍射）確定是電磁波 波長(zhǎng)范圍 0.001-50nm 量子理論 -由光子組成的粒子流 E=hv=hc/,X射線技術(shù)經(jīng)百年的發(fā)展，不僅對(duì)其本質(zhì)和性質(zhì)有了深入的了解，而且在科研，

2、生產(chǎn)方面有著廣泛的應(yīng)用。例如：在物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、天文、材料、工程等。,因?qū)射線及應(yīng)用作出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家,1901年 W.K.Rontgen（倫琴） 光發(fā)現(xiàn) 1914年 M.V.Laue（勞厄） 晶體衍射 1915年 Bragg（布拉格） 晶體結(jié)構(gòu) 1917年 C.G.Barkla（巴克拉） 標(biāo)識(shí)譜 1924年 M.G.Siegbahn（塞格巴恩） 光譜學(xué) 1927年 A.H.Compton（康普頓） 康普頓效應(yīng) 1936年 P.J.W.Debye（德拜） 化學(xué) 1946年 H.J.Muller (馬勒） 醫(yī)學(xué) 1964年 D.C.Hodgkin（霍奇金） 化學(xué) 197

3、9年 Cormack Hounsfield（柯馬克、豪森菲爾德） 醫(yī)學(xué) 1981年 K.M.Siegbahn（塞格巴恩） 物理,X射線源,X射線管,同步輻射,電子同步加速器產(chǎn)生的，高速電子在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)發(fā)出的電磁輻射,特點(diǎn)： 1、方向性強(qiáng) 2、廣闊平滑連續(xù)譜 3、高強(qiáng)度高亮度 4、偏振 5、高穩(wěn)定 6、脈沖寬度小,高速電子打在靶上，產(chǎn)生X射線和熱量,X射線譜,標(biāo)識(shí)光譜,連續(xù)光譜,來(lái)源于電子轟擊陽(yáng)極時(shí)的軔致輻射， X射線管的管壓低時(shí)發(fā)出連續(xù)光譜,原子內(nèi)層次電子躍遷發(fā)出的輻射，與靶材有關(guān)，X射線管的管壓超過(guò)靶的某一激發(fā)電位時(shí)才有標(biāo)識(shí)光譜,X射線與物質(zhì)的相互作用,1、折射和反射 折射率 n = 1-

4、 全反射 臨界掠入射角： 2、衰減和吸收 3、X射線散射 a. 相干散射（或彈性散射） 瑞利散射 b. 非相干散射（非彈性散射） 康普頓散射 4、X射線衍射 通過(guò)排列有序物質(zhì) ,由相干散射疊加而產(chǎn)生,晶體,1、陣點(diǎn) 忽略粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)來(lái)代表粒子。 2、晶胞 平行六面體（陣點(diǎn)為頂，相鄰陣點(diǎn)聯(lián)線為邊） 晶格常數(shù) 3、晶面 任意三個(gè)不共線陣點(diǎn)的決定的平面。 晶面指數(shù)（h.k.l） 4、晶向 任一條過(guò)許多陣點(diǎn)的直線。 晶向指數(shù) h.k.l 5、晶面間距 相鄰平行晶面間的距離。 6、晶帶 平行于同一晶軸晶面的集合。,晶體X射線的衍射,1、布拉格方程 2dsin= n 2、晶體結(jié)構(gòu)的X射線實(shí)驗(yàn)方法 a

5、.勞厄法 b.轉(zhuǎn)晶法 c.粉末法,粉末法物質(zhì)鑒定,粉末法是用單色X射線射入粉末樣品而產(chǎn)生衍射方法,樣品粉末的粒度以通過(guò)250300目的篩子為度，以使 小晶粒在樣品中完全隨機(jī)排列，有各種可能的晶面取 向，單色X射線與樣品相遇時(shí)，總有一些面間距為d（hkl） 的晶面滿足布拉格定律的要求產(chǎn)生衍射。 由于這些晶面與入射線和衍射線皆成角，故其衍 射線是以入射線方向?yàn)檩S，圓錐角為4 的圓錐面。,粉末樣品的X射線衍射,a. 當(dāng)滿足 2dsin= b. 小晶粒在樣品中隨機(jī)排布，有各種可能的晶面取向 c. 面間距d不同，也不同,衍射圓錐的形成,德拜相機(jī),德拜相機(jī)由帶蓋圓筒相盒、樣品夾、夾片機(jī)構(gòu)、入射光闌（準(zhǔn)直器

6、）、出射光闌（吸收錐）、熒光屏等部分組成。,德拜相的形成,低角區(qū),高角區(qū),實(shí)驗(yàn)中(不對(duì)稱裝片),低角區(qū),高角區(qū),德拜相機(jī)底片的三種安裝方法,a低角對(duì)稱 b高角對(duì)稱 c不對(duì)稱,在底片中心打一個(gè)小洞，底片安裝時(shí)將小洞裝在圖a，b位置，以便讓X射線射入或射出，叫做高角或低角對(duì)稱裝片法，在底片兩端約1/4處打兩個(gè)小洞，如c，叫做不對(duì)稱裝片。 我們用到的是不對(duì)稱裝片。,不對(duì)稱裝片優(yōu)點(diǎn),在不對(duì)稱底片上，L是不需要測(cè)量的，可以由德拜環(huán)的位置算出，它準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于180度角，按照比例關(guān)系 =90*l/L 這樣我們只要測(cè)出德拜環(huán)的位置就可以算出l和L，就可以得出而無(wú)須測(cè)R，這樣避免了測(cè)量R帶來(lái)的較大誤差。,德拜照相

7、,1.樣品的制備和安裝 將粉末樣品用樹(shù)脂均勻的粘在直徑大約為0.5mm的玻璃管上，制成直徑0.71mm，長(zhǎng)約10mm的豎實(shí)圓柱棒，亦可直接用多晶細(xì)絲作為樣品。 用橡皮泥將樣品棒固定在相盒中的樣品夾頭上，然后較直，反復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)偏斜扭擺現(xiàn)象。 2.光路調(diào)整 按照X射線機(jī)操作程序（通冷卻水，開(kāi)啟低壓預(yù)熱，開(kāi)啟高壓逐步升高管壓管流）使機(jī)器正常工作，在調(diào)光路時(shí)，X射 線功率應(yīng)盡量小。 選擇適當(dāng)?shù)臑V波片。將調(diào)好的相機(jī)安裝到相機(jī)座導(dǎo)軌上，并推至X射線管窗口前，裝上轉(zhuǎn)皮帶使樣品試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)X射線管窗口閘門(mén)，調(diào)整相機(jī)俯仰和機(jī)架的左右、高低，將出射光闌的熒光屏上的光點(diǎn)移到中心，使其最亮，并看到光點(diǎn)中部有樣品的影

8、子，這時(shí)相機(jī)、樣品和X射線已準(zhǔn)直。 3.拍攝 根據(jù)所用X射線管得靶材，樣品的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)的具體要求，選定管壓管流，并確定相應(yīng)的曝光時(shí)間，計(jì)時(shí)照相。 曝光結(jié)束后以相反程序關(guān)閉X射線機(jī)，但冷卻水必須延長(zhǎng)5分鐘方可關(guān)閉。 4.沖洗底片,物相分析的主要任務(wù),鑒定待測(cè)物由哪些物相組成（定性分析） 各組成的含量是多少（定量分析） 物相分析的主要依據(jù)參數(shù),各個(gè)衍射面族的面間距d 衍射線的相對(duì)強(qiáng)度I/I0,基本原理,每一種晶體物質(zhì)都有各自的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)x射線穿過(guò)晶體時(shí)，每一種晶體物質(zhì)都有自己獨(dú)特的衍射花紋。 衍射花紋的特征可以用各個(gè)衍射面族的面間距d（與晶胞的形狀和大小有關(guān) ）和衍射線的相對(duì)強(qiáng)度I/I0 （與粒

9、子的種類及其在晶胞中的位置有關(guān)）來(lái)表示。 這兩個(gè)衍射數(shù)據(jù)是晶體結(jié)構(gòu)的必然反映，而且它們?cè)诓煌膶?shí)驗(yàn)條件下得到一系列不變的數(shù)據(jù)，因此可以根據(jù)它們來(lái)鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相。,物相分析步驟,1、確定d值和強(qiáng)度I/I0值（估計(jì)） 2、查索引 3、得到編號(hào) 4、查卡片 5、確定物質(zhì)或物相,如何判斷高低角度衍射區(qū),衍射線偏離投射線的角度2叫做衍射角，而叫做布喇格角。 2小于90度的衍射區(qū)叫做低角區(qū)，大于90度的為高角區(qū)。 判斷的主要判據(jù)是K雙線， K雙線是由K1與K2組成。 di=/2Sini 2dcos 根據(jù)公式可以看出，當(dāng)較小的時(shí)候， 較小， 在低角區(qū)，分開(kāi)不夠明顯，所以是一條線，只有到了高角區(qū)才開(kāi)始明顯

10、的分為兩條，角度越高，分得越開(kāi)。 而且靠近2=180度的小洞的那一條淡些，大約淡一半左右 高低角的輔助判斷是樣品的影子，投射線束被樣品遮住，在低角的小洞處產(chǎn)生較淡的樣品的影子，此處2=0。,下面為一張德拜圖，底片使用不對(duì)稱的安裝方法。通過(guò)對(duì)各條紋位置的測(cè)量，進(jìn)而算出晶面間距d ，再根據(jù)條紋顏色的深淺可粗略估計(jì)相對(duì)強(qiáng)度I/I0。有了上述兩類對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)查PDF卡片，或借助于計(jì)算機(jī)檢索程序找到對(duì)應(yīng)的晶體的若干信息。,上圖給出的是在計(jì)算機(jī)檢索程序上運(yùn)行時(shí)的PDF卡片示例。從PDF卡片上，我們可以知道試樣的化學(xué)式和名稱，光學(xué)性質(zhì)，晶體學(xué)數(shù)據(jù)，如晶面間距，相對(duì)強(qiáng)度，晶體的類型，對(duì)應(yīng)的hkl等。,

11、勞厄法單晶定向,勞厄相機(jī),勞厄法是研究晶格對(duì)稱性及確定晶體取向的重要方法，在科研，生產(chǎn)中應(yīng)用很多，它是用連續(xù)譜X射線射入固定的單晶體，并由平板照相底片來(lái)記錄衍射花樣的全貌。,勞厄?qū)嶒?yàn)和勞厄斑點(diǎn),勞厄相的形成,1、X射線射入單晶體，可使2dsin =滿足（連續(xù)譜），衍射線在底片上 形成一斑點(diǎn) 2、同一晶帶，各晶面族的衍射線組成一圓錐面,晶帶曲線 圓錐面與底片的交線,透射法,背射法,450 橢圓 = 450 拋物線 450 900 雙曲線 = 900 直線,450 不相交 450 900 雙曲線 = 900 直線,極射赤面投影,為了由勞厄相確定 晶面方向，必須采用平面點(diǎn)來(lái)表示空間的方向,極射投影圖與晶面方向表