第3章-x射線(xiàn)衍射分析.ppt

1、1、第三章x射線(xiàn)衍射分析，理工學(xué)院郭敏杰，第二，第三章x射線(xiàn)衍射分析，3.1 X射線(xiàn)前言3.2 X射線(xiàn)物理學(xué)基礎(chǔ)3.3 X射線(xiàn)衍射3.4 X射線(xiàn)粉末衍射方法3.5 X射線(xiàn)衍射和應(yīng)用，3，前言簡(jiǎn)要評(píng)述今后的任務(wù)只是對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了補(bǔ)充和修改，做得不怎么好。 然而，x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)喚醒了沉睡的物理學(xué)界。 倫琴發(fā)現(xiàn)了x射線(xiàn)，引起了一系列重大發(fā)現(xiàn)，引起了人們更加深入、更加廣闊的天地，揭開(kāi)了現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕。 4，1倫琴發(fā)現(xiàn)x射線(xiàn)，倫琴Wilhelm Konrad r ntgen 5，1845-1923德國(guó)韋爾茨堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)者1901年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，5，1845年3月27日出生于德國(guó)

2、萊內(nèi)普。 1868年，倫琴?gòu)娜鹗刻K黎世聯(lián)邦工科大學(xué)畢業(yè)，成為機(jī)械工程師。 1869年獲得哲學(xué)博士學(xué)位。 從1889年到1893年擔(dān)任耶拿大學(xué)和伍德勒斯大學(xué)的教授。 1894年至1900年任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)和慕尼黑物理研究所所長(zhǎng)。 他是柏林和慕尼黑科學(xué)院的通訊院士。 1923年2月10日因癌癥在慕尼黑去世，享年78歲。 倫琴、倫琴對(duì)科學(xué)的最大貢獻(xiàn)是1895年從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)x射線(xiàn)，之后深入研究其性質(zhì)，為許多科學(xué)領(lǐng)域提供了有效的研究手段。 他還有一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。 所謂的x射線(xiàn)電流。 同時(shí)，也在研究彈性、液體的毛細(xì)作用、氣體比熱、結(jié)晶中的熱傳導(dǎo)、壓電效應(yīng)及偏振光的磁旋轉(zhuǎn)等。 倫琴對(duì)科學(xué)有崇高的獻(xiàn)身精神。

3、 他無(wú)條件地把x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)獻(xiàn)給了全人類(lèi)，自己沒(méi)有申請(qǐng)專(zhuān)利。 6，2.x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，1895年，倫琴已經(jīng)是50歲的人，當(dāng)時(shí)他任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)和該校物理研究所所長(zhǎng)。 1895年11月8日，正好倫琴在實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)進(jìn)行陰極射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)，偶然的事件引起了他的注意。 當(dāng)時(shí)，房間一片漆黑，放電管用黑紙包著。 他突然發(fā)現(xiàn)1米以下的小桌子上閃爍著鉑氰化鋇制成的屏幕。 他很奇怪，離開(kāi)熒光屏繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。 即使觀(guān)看熒光屏的閃光燈，也會(huì)隨著放電過(guò)程的節(jié)拍斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)。 他拿起書(shū)、板、鋁片等各種東西放在放電管和熒光屏之間，發(fā)現(xiàn)各種東西的效果不同。 有的無(wú)法阻止，有的無(wú)法阻止。 7、連琴認(rèn)識(shí)到這可能是某種特殊的放射線(xiàn)，它

4、具有特別強(qiáng)的滲透力，從來(lái)沒(méi)有觀(guān)察過(guò)。 我馬上集中精力進(jìn)行了徹底的研究。 他把自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里好幾天，連助手和家人都不通知。 他把密封在木箱里的砝碼放在這個(gè)放射線(xiàn)照射下拍照，得到模糊砝碼照片的他拿著圓規(guī)拍照，得到金屬框的深痕跡的他把金屬片拿來(lái)拍照，拍攝金屬片內(nèi)部不均勻的情況。 他深入研究這種新現(xiàn)象，甚至廢寢忘食。 平時(shí)幫助他工作的倫琴夫人覺(jué)得他舉止異常，覺(jué)得他隱瞞了什么，甚至產(chǎn)生了懷疑。 六個(gè)星期過(guò)去了，倫琴確認(rèn)這是新的放射線(xiàn)。 可以告訴自己的親人，1895年12月22日，他邀請(qǐng)?zhí)?shí)驗(yàn)室，用太太的手拍了第一張人工x射線(xiàn)照片(圖)。 9，9，1895年底，他以通信方式公開(kāi)了這一發(fā)現(xiàn)。 以新的放

5、射線(xiàn)(初步通信)為題。 倫琴最初沒(méi)有揭示x射線(xiàn)的本質(zhì)。 由于當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電子，陰極射線(xiàn)管的本質(zhì)還不清楚。 于是倫琴把這新發(fā)現(xiàn)的放射線(xiàn)命名為x射線(xiàn)。倫琴以前就有人在研究陰極射線(xiàn)管的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了x射線(xiàn)，但沒(méi)有得到正確的認(rèn)識(shí)。 并且，倫琴磨練了很久，掌握了完美的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)，擺脫了任何偏見(jiàn)，在研究中一貫嚴(yán)格自覺(jué)，才有了抓住機(jī)會(huì)別人做不到的新發(fā)現(xiàn)。 正如法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德的名言一樣，“機(jī)會(huì)喜歡有準(zhǔn)備的頭腦。 ”“射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但正如楊振寧老師在評(píng)價(jià)這個(gè)故事時(shí)所說(shuō)，“科學(xué)家的靈感對(duì)于科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)非常重要，這個(gè)靈感來(lái)源于他豐富的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)。 10，3 .勞爾發(fā)展了x射線(xiàn)衍射理論，在1912年取得了驚

6、人的進(jìn)展，德國(guó)物理學(xué)家勞爾教授受到共振體間距的大小和散射關(guān)系的啟發(fā)，礦物學(xué)家把礦物視為共振體規(guī)律排列的假想，把當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的x射線(xiàn)照射到晶體上就有衍射的可能性于是，他用x光束射向硫酸銅結(jié)晶，試圖用顯影板收集散射的放射線(xiàn)。 第一次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，但第二次實(shí)驗(yàn)得到理想的結(jié)果，得到透射衍射圖案的照片(下圖)，如果使試樣旋轉(zhuǎn)，照片上的圖案點(diǎn)(稱(chēng)為勞埃點(diǎn))也隨之變化，證明了這些圖案點(diǎn)是由楊氏射擊引起的。 其次，使用SnS、PbS、NaCl等對(duì)稱(chēng)性高的結(jié)晶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，也得到了對(duì)稱(chēng)性好的衍射圖形。 很快就發(fā)現(xiàn)任何晶體都有這種現(xiàn)象，點(diǎn)圖案與晶體的原子晶格結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。勞爾實(shí)驗(yàn)、11、12、x射線(xiàn)、勞爾實(shí)驗(yàn)、勞

7、爾實(shí)驗(yàn)是為了實(shí)現(xiàn)x射線(xiàn)衍射而修訂的。 晶體相當(dāng)于三維晶格，衍射圖形(勞爾斯光斑)證實(shí)了x射線(xiàn)的波動(dòng)性。 勞爾，13，勞爾實(shí)驗(yàn)的成功可以看作是凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，勞爾奠定了作為放射線(xiàn)衍射學(xué)先驅(qū)的歷史地位。 14，4 .布拉格定律，1913年，W.L.Bragg父子對(duì)這些勞埃斑點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究，證明勞埃衍射圖案中的各斑點(diǎn)被認(rèn)為是晶體中原子密集的幾個(gè)晶面反射的，從而證明萩名的布拉格公式： n=2d 15、dsin、1、2、晶面、a、c、b、衍射中心、掃描角、d :晶面間隔(晶格常數(shù))、點(diǎn)間散射光的干涉、作為每個(gè)原子的同一層的晶面上的各原子散射光干涉，相鄰的兩個(gè)光的光路差為零。 布拉格

8、式、16、不同晶面間散射光的干涉、散射光干涉加強(qiáng)條件：布拉格式、布拉格式、17、布拉格定律的探討-選擇反射、晶體中的放射線(xiàn)衍射實(shí)質(zhì)上是晶體中的各原子干涉散射波彼此干涉的結(jié)果。 但是，衍射線(xiàn)的方向恰好相當(dāng)于原子向入射線(xiàn)反射，因此可以用布拉格定律代表反射規(guī)則來(lái)記述衍射線(xiàn)的方向。 在以后的討論中，用“反射”這個(gè)用語(yǔ)記述衍射問(wèn)題，或者將“反射”和“衍射”作為同義詞混合使用。 但是，來(lái)自x射線(xiàn)的原子面的反射和可見(jiàn)光的鏡面反射不同，前者有選擇地反射，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)其選擇條件是布拉格定律，而當(dāng)可見(jiàn)光的束以任意角度投影到鏡面上時(shí)，反射、即反射不受條件限制。 因此，將x射線(xiàn)的晶面反射稱(chēng)為選擇反射，反射具有選擇性是晶體

9、內(nèi)的幾條原子面反射線(xiàn)干涉的結(jié)果。 18、布拉格方程的應(yīng)用，布拉格方程是x射線(xiàn)衍射分布中最重要的基礎(chǔ)公式，其形式簡(jiǎn)單，可以說(shuō)明衍射的基本關(guān)系，應(yīng)用非常廣泛。 從實(shí)驗(yàn)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，對(duì)晶體照射已知波長(zhǎng)的x射線(xiàn)，通過(guò)衍射角的測(cè)定求出晶體中的各晶面的面間隔d是結(jié)構(gòu)分析- X射線(xiàn)衍射學(xué)，另一方面，用已知的面間隔的晶體反射從試樣放出的x射線(xiàn)，由衍射角的測(cè)定求出x射線(xiàn)的波長(zhǎng)是x射線(xiàn)光譜學(xué)。該方法除了可進(jìn)行光譜結(jié)構(gòu)研究外，還可由x射線(xiàn)的波長(zhǎng)確定樣品的構(gòu)成元素。 電子探針是根據(jù)這個(gè)原理修訂的。 n=2d sin，19，5 .莫來(lái)定律是1914年x射線(xiàn)物理學(xué)進(jìn)展的重要一年，莫來(lái)(Henry Gwyn-Jeffreys

10、 Moseley )對(duì)x射線(xiàn)撞擊不同目標(biāo)金屬后產(chǎn)生的特征光譜線(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)研究， 所證明的任何元素的x射線(xiàn)光譜頻率的平方根是原子序號(hào)的函數(shù)：(1/)1/2=Q(Z-) X射線(xiàn)熒光分析的基礎(chǔ)根據(jù)莫來(lái)定律，將從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的未知元素的特征x射線(xiàn)光譜的波長(zhǎng)與已知元素的波長(zhǎng)進(jìn)行比較，確定它是什么樣的元素這是x射線(xiàn)光譜分析的基本依據(jù)，20，61943年：科學(xué)家得到DNA的x射線(xiàn)衍射圖，21，英國(guó)科學(xué)家威廉阿斯伯里先從細(xì)胞中提取DNA，然后將針刺入粘性DNA溶液中，針在提取時(shí)將由DNA分子組成的多個(gè)分子束各分子線(xiàn)對(duì)幾乎平行的DNA的多條分子線(xiàn)進(jìn)行x射線(xiàn)照射，星星在1943年首次得到了DNA的x射線(xiàn)衍射圖。

11、衍射圖形表明DNA具有規(guī)律的周期性結(jié)構(gòu)。 阿斯佩里提議，核苷酸的堿基對(duì)“像便士(英國(guó)的硬幣)一樣”一個(gè)一個(gè)重疊。 DNA的x射線(xiàn)衍射圖為最終弄清其結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。22、x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用是20世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大的成就之一，圍繞x射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用從事科研工作的科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)的近30人。 1901年倫琴(英)諾貝爾物理獎(jiǎng)1914年拉威(德)諾貝爾物理獎(jiǎng)1915年布拉格父子(英)諾貝爾物理獎(jiǎng)1936年迪拜(英/荷)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1962年奧森等3人獲得諾貝爾生物獎(jiǎng)1964年霍奇金(英/埃)，第23章3.1 X射線(xiàn)簡(jiǎn)介3.2 X射線(xiàn)物理學(xué)基礎(chǔ)3.3 X射線(xiàn)衍射3.4 X射線(xiàn)衍射方法3.5

12、 X射線(xiàn)粉末衍射和應(yīng)用，24，3.2 x射線(xiàn)物理學(xué)基礎(chǔ)，什么是1x射線(xiàn)？ 2 X射線(xiàn)的發(fā)生性質(zhì)3 X射線(xiàn)的發(fā)射和發(fā)射光譜4俄歇電子與同時(shí)發(fā)射5 X射線(xiàn)和物質(zhì)的相互作用6.X射線(xiàn)的散射7.X射線(xiàn)的衍射，25、1.x射線(xiàn)，x射線(xiàn)的本質(zhì)x射線(xiàn)與可見(jiàn)光相同，都顯示出波粒二象性，因此兩者的本質(zhì)相同，有干涉、衍射、吸收和光電效應(yīng)等x射線(xiàn)是由高能粒子與原子碰撞產(chǎn)生的電磁輻射，電磁輻射的輻射能通過(guò)光子傳遞，光子取得的路徑通過(guò)波動(dòng)場(chǎng)導(dǎo)出。 x射線(xiàn)這種波粒二象性可以用不同的實(shí)驗(yàn)條件表現(xiàn)。 顯示其波動(dòng)性的是光速直線(xiàn)傳播、反射、折射、衍射、偏振光和相干散射顯示其微粒子性的是光吸收、非相干散射、氣體電離、閃光發(fā)生等。

13、26、x射線(xiàn)的本質(zhì)x射線(xiàn)也是電磁波的一種，波長(zhǎng)在108cm左右，x射線(xiàn)的發(fā)生： x射線(xiàn)與高速運(yùn)動(dòng)的粒子與某些物質(zhì)碰撞而突然減速，與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而發(fā)生。27、x射線(xiàn)的發(fā)生、x射線(xiàn)：在10-1102范圍內(nèi)的電磁波、k陰極、a陽(yáng)極(鉬、鎢、銅等金屬)、A K之間施加數(shù)萬(wàn)伏特的高壓，加速陰極發(fā)射的熱電子。28、變壓器、玻璃、鎢絲、金屬燈罩能量： 124 kev，其短波段與放射線(xiàn)長(zhǎng)波段重合，其長(zhǎng)波段與真空紫外的短波段重合。30、2.X射線(xiàn)的產(chǎn)生和性質(zhì)，31、加速器可以引出x射線(xiàn)，32、加速器可以引出x射線(xiàn)，33、加速器可以引出x射線(xiàn)，34、加速器可以引出x射線(xiàn)，35結(jié)構(gòu)測(cè)量=50250 p

14、 m=248102 999 10-4Pa 30mA 104kV，連續(xù)x射線(xiàn)，特征x射線(xiàn)，2.X射線(xiàn)的發(fā)生和性質(zhì)，36，靶材料的特征波長(zhǎng)和濾色器的選擇，選擇比靶常用的3. X射線(xiàn)的放射和放射光譜(x-rayemissionandemissionsppp 放射高速電子受到目標(biāo)的制動(dòng)使運(yùn)動(dòng)速度變化放射的電磁波。 電子在高壓下加速得到的動(dòng)能是K=eU，u是陽(yáng)極和陰極之間的電位差。 阻擋輻射的x射線(xiàn)含有各種波長(zhǎng)成分，即連續(xù)光譜。 短波長(zhǎng)(短波界限) 0對(duì)應(yīng)于整個(gè)電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光子能量，即0是對(duì)應(yīng)于0的制動(dòng)輻射頻率。 右圖表示以不同的加速電壓來(lái)自鎢靶的x射線(xiàn)連續(xù)光譜(實(shí)線(xiàn))。39，39，k狀態(tài)(發(fā)送k電子

15、)，l狀態(tài)(發(fā)送l電子)，m狀態(tài)(發(fā)送m電子)，n狀態(tài)(發(fā)送n電子)，發(fā)送的價(jià)格電子，標(biāo)識(shí)輻射與目標(biāo)金屬的原子殼層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 每種元素都有一定波長(zhǎng)的放射線(xiàn)光譜，可以作為識(shí)別該元素的標(biāo)識(shí)。 圖中虛線(xiàn)表示在35 kV的加速電壓下來(lái)自鉬目標(biāo)的2條標(biāo)識(shí)光譜線(xiàn)k和k重疊在連續(xù)光譜上的情況。 標(biāo)記x射線(xiàn)起因于靶原子的內(nèi)殼層電子被高速電子激發(fā)。41、連續(xù)光譜(或固件輻射):高速電子阻礙陽(yáng)極原子核場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，能量迅速損失，產(chǎn)生寬帶連續(xù)x射線(xiàn)光譜。 特征x射線(xiàn)：化學(xué)元素照射高能量光子或粒子時(shí)，例如激發(fā)內(nèi)層電子，產(chǎn)生空穴，外層電子遷移時(shí)，放射特征x射線(xiàn)。 (銠、鉻)、42、Cu靶的x射線(xiàn)光譜、E=mv2=eV、min=hc/E=hc/eV=pm、白色線(xiàn)、特征x射線(xiàn)、如圖所示。 關(guān)于k光譜線(xiàn)的頻率，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊(H.G.J.Moseley )總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)公式。 式中，r是領(lǐng)導(dǎo)條常數(shù)，z是原子序數(shù)。 這個(gè)定律被稱(chēng)為莫塞萊定律。 摩西律提供了一種精確測(cè)量z的方法。44、莫來(lái)定律反映了各元素的x射線(xiàn)標(biāo)記光譜定律的實(shí)驗(yàn)定律，光譜頻率的平方根與該元素在元素周期表中排列的序號(hào)呈線(xiàn)性關(guān)系。 摩西勒通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，元素的主要特性不是由原子量決定，而是由原子序數(shù)決定。 確立了原子序數(shù)和原子核電荷的關(guān)系。 摩西研究了元素的x射線(xiàn)