X射線多晶衍射實驗報告

1、X射線多晶衍射實驗報告摘要：本實驗主要利用X射線粉末干涉儀分別測定四種樣品A、B、C、D的衍射圖譜，對樣品進行了物相分析。通過X射線粉末衍射分析得到樣品A為的組分為晶體；樣品B為晶體，且樣品B的晶粒大小為：244.680.3360；樣品C為和的混合物，且與的質(zhì)量比例為1：1；樣品D同樣是和的混合物，質(zhì)量比例為50:11.關鍵詞：X射線粉末衍射；物相分析；衍射圖譜引言：X射線是一種波長很短的電磁波，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。1912年德國物理學家勞厄提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當一束 X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的

2、結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結構。獲得多晶衍射圖的方法有兩種：德拜照相法和衍射儀法。20世紀50年代初X射線粉末衍射儀開始代替德拜照相法記錄粉末衍射數(shù)據(jù)，而德拜照相法逐漸被淘汰，因為x射線粉末衍射儀法在材料物相的定性、定量測量方面有明顯的有優(yōu)勢。本實驗主要通過對X射線粉末衍射儀的了解與運用，從而進一步熟悉定性物相分析和PDF數(shù)據(jù)庫的使用方法，了解定性物相分析、精確測定晶格常數(shù)以及晶粒大小測量等實驗方法。實驗原理：1、X射線發(fā)生器X射線發(fā)生器主要是由X射線管、高壓發(fā)生器、管壓管流穩(wěn)定電路和各種保護電路組成。實驗中的X射線管主要是

3、利用真空管。在高真空的玻璃管里，被加熱的陰極所發(fā)射的熱電子，經(jīng)陰極和陽極間的高電壓加速后，高速撞擊到陽極上，陽極為產(chǎn)生X射線的靶源。電子與靶物質(zhì)發(fā)生碰撞而迅速減速，發(fā)生多次碰撞，逐次喪失能量，直至完全耗盡為止。在碰撞過程中會產(chǎn)生具有確定最短波長的X射線連續(xù)譜，輻射出特定波長的光子，即標識X射線。圖 1 X射線管示意圖1燈絲 2真空 3陽極4窗口 5管殼 6管座2、布拉格衍射方程晶體中原子的排列是有規(guī)律的、周期性的，原子間的距離在幾埃左右，當波長跟此數(shù)量級相近的X射線入射到晶體上，位于晶格點陣上的原子將對X射線產(chǎn)生散射。同一晶面族上入射相同的反射線在相互疊加時，如果它們的相位相同將產(chǎn)生干涉。為某

4、一晶面族的間距，h，k，l為晶面族的面指數(shù)，入射X射線與該晶面成角。相鄰兩平面反射的兩條X射線的光程差為。當光程差為入射X射線波長的整數(shù)倍n時， （1）即產(chǎn)生第n級干涉最大值。此式稱為布拉格方程。3、X射線粉末衍射在晶體粉末X射線衍射圖譜中，通常衍射峰對應的衍射角取決于晶體的大小和形狀，以此對樣品進行定性物相分析；而衍射峰的強度取決于晶胞內(nèi)原子的類型和分布，以此對樣品進行定量物相分析。(一)定性物相分析定性物相分析的關鍵就是將獲得的未知樣品的衍射圖譜與已經(jīng)化合物的衍射圖譜進行一一對比，當未知材料的衍射數(shù)據(jù)滿足以下條件時，便可以確定樣品的組成成分。(1)樣品衍射圖譜中能找到某組分物相應該出現(xiàn)的各

5、衍射峰，且其實驗的 值與相應的已知的 值在實驗誤差范圍內(nèi)誤差是一致的。(2)所有衍射峰的相對強度順序與已知組分物相的強度順序原則上保持一致，但當晶體晶粒具有擇優(yōu)取向時，衍射峰的相對強度順序會發(fā)生變化。實驗中采用粉末卡片衍射集（PDF）對比已知衍射圖譜。（二）定量物相分析目前最常用的定量物相分析法有內(nèi)標法、參考強度比法、吸收衍射法等。這些方法都需要利用制定好的各種標準及多次重復安放樣品，對儀器進行反復、仔細的校準。實驗中使用的是內(nèi)標法。為避免繁復的強度因子計算，可在試樣內(nèi)均勻混入一定量的標準物，再根據(jù)標準物和被測相的衍射線強度來求測物相的定量組成，這種方法就是內(nèi)標法。內(nèi)標物應有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，它

6、不應與試樣起作用，內(nèi)標物的較強的衍射峰應靠近被測相所選定測量的衍射峰，但不相互重疊，通常選立方晶體較好，因其對稱性高，衍射線條少；當然內(nèi)標法只能用于粉末試樣，內(nèi)標物應與被測試樣充分混合研窟所以內(nèi)標物的衍射線強度不應明顯受研磨的影響。實驗裝置：本實驗采用的是XRD-6000型X射線粉末衍射儀。該衍射儀主要由X射線發(fā)生器、衍射測角儀、衍射數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。1、 X射線發(fā)生器X射線發(fā)生器一般是由X射線管、高壓發(fā)生器、管壓管流穩(wěn)定電路和各種保護電路等部分組成。2、 測角儀測角儀是衍射儀中最精密的機械部分，用來準確測量衍射角，是衍射儀的核心部分。3、 探測儀與數(shù)據(jù)采集XRD-

7、6000型X射線粉末衍射儀的探測器采用NaI(TI)閃爍計數(shù)器，其基本結構由閃爍晶體、光電倍增管和前置放大器三部分組成。4、 操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)本實驗中衍射儀的運行控制、數(shù)據(jù)采集與分析都是通過一個計算機X射線分析實時操作系統(tǒng)完成的。圖2 X射線衍射儀結構示意圖實驗結果極其分析：1、樣品A采集數(shù)據(jù)，啟動PDF數(shù)據(jù)庫軟件，測定樣品A的衍射圖譜，如圖3所示，然后利用操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析出樣品A為晶體，圖3上標出了發(fā)生衍射的晶面族的晶面常數(shù)，對應的PDF卡片為21-1272。圖3 樣品A衍射圖譜表1 樣品A衍射角與強度關系表衍射角2I25.2489226537.745546538.520913847

8、.999267953.858637655.024939762.658931370.262414275.01912102、樣品B圖4 樣品B衍射圖譜表2 樣品B衍射角與強度關系表衍射角2I31.6751 448534.3305 289236.1631 762747.4606 175456.5255 288362.7930 236867.8876 206769.0305 10473、樣品C采集數(shù)據(jù)，啟動PDF數(shù)據(jù)庫軟件，確定所測樣品的組成成分，并根據(jù)比照出對應的面指數(shù)，得到如圖5所示：由定向物相分析法可知，樣品C為和的混合物，A物質(zhì)為，B物質(zhì)為，且兩者的質(zhì)量比為1：1。圖5 樣品C衍射圖譜4、樣品

9、D中A與B的質(zhì)量分數(shù)采集數(shù)據(jù)，啟動PDF數(shù)據(jù)庫軟件，確定所測樣品的組成成分，得到如圖6所示，已知樣品D的組分與樣品C相同，但是質(zhì)量比不同。圖5為樣品C的衍射圖譜。利用操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行判斷，可以分析出各衍射峰曲線來自于哪種晶體的衍射。找出其中幾個峰，其中一半是A（）晶體衍射的，余下是B（）晶體衍射的，讀取它們的。圖6為樣品D的衍射圖譜，同樣找到上步中的那幾條衍射峰，讀取。便可根據(jù)前面敘述的方法計算。根據(jù)測得樣品C和樣品D衍射圖譜時的數(shù)據(jù)便可以計算D樣品中的。圖6 樣品D衍射圖譜表3 計算D樣品中的衍射峰1（）2（）樣品C25.316231.7896Y13491550樣品D25.253931.7235Y1494384平均一下三組數(shù)據(jù)，最后得到在D樣品中，=50:11 。由于實驗中的過程誤差，所以該值存在一定誤差。5、薄膜圖7 樣品B薄膜衍射圖譜測得的B薄膜晶粒大小244.680.3360將樣品A，樣品C和B薄膜的衍射圖譜畫入同一圖中，如圖8所示：圖8 樣品A，C與薄膜的衍射圖譜實驗結論：本實驗利用X射線粉