XRD介绍解析课件.ppt
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1、2021/7/261(最新整理)XRD介绍解析2021/7/262XRDX-ray diffractionMade by Zhaojun2021/7/263主要问题 什么是XRD 为什么要做XRD XRD的结果能说明什么问题2021/7/264Rntgen or Roentgen ray(X ray)1895年11月8日,德国物理学家伦琴伦琴在研究真真空管的高压放电空管的高压放电时,偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细心的伦琴的注意。经仔细分析,认为这是真空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解,故称之为x射线。后来也称伦琴射线
2、伦琴射线。Background of XRD2021/7/265 伦琴发现,不同物质对x射线的穿透能力是不同的。他用x射线拍了一张其夫人手的照片。很快,x射线发现仅半年时间,在当时对在当时对x射线的本质还不清楚的情况下,射线的本质还不清楚的情况下,x射线在医学上得到了应用。发展了射线在医学上得到了应用。发展了x射线照像术。射线照像术。1896年1月23日伦琴在他的研究所作了第一个关于x射线的学术报告。1896年,伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文,发表在英国的nature杂志上。1910年,诺贝尔奖第一次颁发,伦琴因x射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。2021/7/266发现的发现
3、的X射线是什么呢?人们初步认为是一种电磁波,于是想通过光栅来观察射线是什么呢?人们初步认为是一种电磁波,于是想通过光栅来观察它的衍射现象,但实验中并没有看到衍射现象。原因是它的衍射现象,但实验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短,只射线的波长太短,只有一埃(有一埃(1)。)。1912年德国物理学家劳厄想到了晶体,它和年德国物理学家劳厄想到了晶体,它和x光的波长相近,是天然的光栅,光的波长相近,是天然的光栅,去找普朗克老师,但没得到支持,去找正在攻读博士的索末菲,两次实验后终去找普朗克老师,但没得到支持,去找正在攻读博士的索末菲,两次实验后终于做出了于做出了X射线的衍射实验。射线的衍射实
4、验。X射线射线晶体晶体劳厄斑劳厄斑晶体的三维光栅晶体的三维光栅2021/7/267 劳厄劳厄(M.von Laue)提出:晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射,衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强,在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样,便可确定晶体结构。这在他的实验中得到了证实 劳厄斑:劳厄斑:一箭双雕的实验结果一箭双雕的实验结果 证实了证实了X X射线是射线是电磁波电磁波,也证明了晶体排列的规律性,也证明了晶体排列的规律性2021/7/268 1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,成
5、功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式布拉格方程布拉格方程 Bragg father and son d为晶面间距,为入射束与反射面的夹角,为X射线的波长,n为衍射级数,其含义是:只有照射到相邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。2021/7/269Braggs law布拉格公式不但能解释劳厄斑点,而且能用于对晶体布拉格公式不但能解释劳厄斑点,而且能用于对晶体结构的研究。结构的研究。布拉格父子认为当能量很高的布拉格父子认为当能量很高的X射线射到晶射线射到晶体各层面的原子时,原子中的电子将发生强迫体各层面的原子时,原子中的电子将发生强迫振荡,从而向周
6、围发振荡,从而向周围发射同频率的电磁波,射同频率的电磁波,即产生了电磁波的即产生了电磁波的散射,而每个原子散射,而每个原子则是散射的子波波则是散射的子波波源;劳厄斑正是散源;劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。射的电磁波的叠加。2021/7/2610实质:对于一定波长实质:对于一定波长X X射线,一定的面间距的晶射线,一定的面间距的晶面只在特定的角度面只在特定的角度 产生衍射产生衍射选择性反射选择性反射。1 2 1 2 3 Q R 3 K P M N d L 2021/7/2611X射线衍射方向射线衍射方向 X射线的晶体衍射方向是指射线的晶体衍射方向是指与晶体周期性点阵结构相联系的原子散射产生的X射
7、线互相干涉迭加加强的互相干涉迭加加强的那些方向那些方向。次生次生X射线射线:晶体结构中的原子、电子在X射线作用下,每一个电子作受迫振动,形成了向四周发射电磁波的波源波源,即为次生X射线。当次生X射线的频率与入射X射线的频率相同,波的叠加而加强的方向称为X射线晶体衍射方向射线晶体衍射方向。2021/7/2612衍射强度衍射强度 影响衍射强度的因素主要有如下两点:(1)与衍射方向相联系的衍射指标衍射指标hkL;(2)晶胞中原子的种类种类和分布分布(空间坐标)。原子受X射线的作用,主要是对电子的作用,即原子的散射因子散射因子fj的数值决定于原子的电子结构,即相同电子层结构的原子散射因子fj相同。例k
8、+和Cl-两种离子的电子层结构相同,其散射因子相等,散射x射线强度相同。2021/7/2613X-ray X射线是一种波长很短(约为10.1 nm)的电磁波,能穿透一定厚度的物质,并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线,它具有与靶中元素相对应的特定波长,称为特征(或标识)X射线。2021/7/26142021/7/2615钨灯丝接变压器玻璃金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图2021/7/2616产生条件高速电子遇靶突然停止产生X-射线1.灯丝灯丝 产生自由电子产生自由电子2.高压高压 加速电子 使电子作定向的高速运动使电
9、子作定向的高速运动3.靶靶 阻挡电子 在其运动的路径上设置一个障在其运动的路径上设置一个障 碍物使电子突然减速或停止碍物使电子突然减速或停止 产生X-射线2021/7/2617X射线谱连续连续X X射线谱射线谱 X X射线强度与波长射线强度与波长的关系曲线,称之的关系曲线,称之X X射线谱。射线谱。在管压很低时,小在管压很低时,小于于20kv20kv的曲线是连的曲线是连续变化的,故称之续变化的,故称之连续连续X X射线谱,即射线谱,即连续谱。连续谱。1)连续谱的形状与靶的材料无关。)连续谱的形状与靶的材料无关。2)连续谱存在一最大的能量值,它取决于管电)连续谱存在一最大的能量值,它取决于管电压
10、。压。2021/7/2618特征特征X X射线谱射线谱 当管电压超过某临界值时,特征谱当管电压超过某临界值时,特征谱才会出现,该临界电压称激发电压。才会出现,该临界电压称激发电压。当管电压增加时,连续谱和特征谱当管电压增加时,连续谱和特征谱强度都增加,而特征谱对应的波长强度都增加,而特征谱对应的波长保持不变。保持不变。钼靶钼靶X X射线管当管电压等于或高于射线管当管电压等于或高于20KV20KV时,则除连续时,则除连续X X射线谱外,位射线谱外,位于一定波长处还叠加有少数强谱线,于一定波长处还叠加有少数强谱线,它们即特征它们即特征X X射线谱。射线谱。钼靶钼靶X X射线管在射线管在35KV35
11、KV电压下的谱线,电压下的谱线,其特征其特征x x射线分别位于射线分别位于0.630.63和和0.710.71处,后者的强度约为前者强处,后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的度的五倍。这两条谱线称钼的K K系系 2021/7/2619特征特征X X射线的产生机理射线的产生机理 处于激发状态的原子有自发处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向,此时回到稳定状态的倾向,此时外层电子将填充内层空位,外层电子将填充内层空位,相应伴随着原子能量的降低相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态。原子从高能态变成低能态时,多出的能量以时,多出的能量以X射线形射线形式辐射出来。因物质一定,式
12、辐射出来。因物质一定,原子结构一定,两特定能级原子结构一定,两特定能级间的能量差一定,故辐射出间的能量差一定,故辐射出的特征的特征X射波长一定。射波长一定。当当K电子被打出电子被打出K层时,如层时,如L层电子来填充层电子来填充K空位时,则空位时,则产生产生K辐射。此辐射。此X射线的能射线的能量为电子跃迁前后两能级的量为电子跃迁前后两能级的能量差,即能量差,即 LKLKKhhWWh2021/7/2620特征特征X X射线的命名方法射线的命名方法 同样当同样当K空位被空位被M层电子填充时,则产生层电子填充时,则产生K辐射。辐射。M能能级与级与K能级之差大于能级之差大于L能级与能级与K能级之差,即一
13、个能级之差,即一个K光子光子的能量大于一个的能量大于一个K光子的能量;光子的能量;但因但因LK层跃迁的几层跃迁的几率比率比MK跃迁几率大,故跃迁几率大,故K辐射强度比辐射强度比K辐射强度大辐射强度大五倍左右。五倍左右。显然,显然,当当L层电子填充层电子填充K层后,原子由层后,原子由K激发状态变成激发状态变成L激激发状态,此时更外层如发状态,此时更外层如M、N层的电子将填充层的电子将填充L层空层空位,产生位,产生L系辐射。因此,当原子受到系辐射。因此,当原子受到K激发时,除产生激发时,除产生K系辐射外,还将伴生系辐射外,还将伴生L、M等系的辐射。除等系的辐射。除K系辐射系辐射因波长短而不被窗口完
14、全吸收外,其余各系均因波长长因波长短而不被窗口完全吸收外,其余各系均因波长长而被吸收。而被吸收。2021/7/2621Cu靶靶X-Ray有一有一定的强度比:定的强度比:(Cu,K 1):(Cu,K 2)=0.497(Cu,K 1):(Cu,K 1)=0.200n=1K层n=2L层n=3M层K K K L1 L2 L3K系L系原 子 能 级 跃 迁 时 产 生 X-Ray的 情 况 Cu 154.056pm;Cu 154.439pm;Cu 139.222pm2021/7/2622连续谱连续谱(软软X射线射线)高速运动高速运动的粒子能的粒子能量转换成量转换成电磁波电磁波谱图特征谱图特征:强强度随波
15、长连度随波长连续变化续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射线射线)高能级电高能级电子回跳到子回跳到低能级多低能级多余能量转余能量转换成电磁换成电磁波波仅在特定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰 衍射分析采用衍射分析采用软硬软硬X射线的区别射线的区别2021/7/2623X X射线衍射分析方法射线衍射分析方法 2021/7/2624X X射线衍射仪法射线衍射仪法 X X射线衍射仪是广泛使用的射线衍射仪是广泛使用的X X射线衍射装置。射线衍射装置。19131913年布拉格父子设计的年布拉格父子设计的X X射线衍射装置是衍射射线衍射装
16、置是衍射仪的早期雏形,经过了近百年的演变发展,今仪的早期雏形,经过了近百年的演变发展,今天的衍射仪如下图所示。天的衍射仪如下图所示。X X射线衍射仪的主要组成部分射线衍射仪的主要组成部分有有X X射线衍射发生装置、测角射线衍射发生装置、测角仪、辐射探测器和测量系统仪、辐射探测器和测量系统,除主要组成部分外,还有,除主要组成部分外,还有计算机、打印机等。计算机、打印机等。2021/7/2625广角测角仪和标准样品台2021/7/26262021/7/2627两种几何光路Bragg-Brentano Geometry1.扫描范围2.步长3.扫描速度2021/7/2628两种几何光路Parallel
17、 Beam Geometry1.掠射角大小2021/7/2629XRD实验条件选择实验条件选择(一)试样 衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种粉末。衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种粉末。对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样框架上,对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样框架上,并保持一个平面与框架平面平行;粉末试样用粘接剂调和并保持一个平面与框架平面平行;粉末试样用粘接剂调和后填入试样架凹槽中,后填入试样架凹槽中,使粉末表面刮平与框架平面一致使粉末表面刮平与框架平面一致。试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、应力状态和试样试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、应
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