南開大學(xué)材料學(xué)院結(jié)構(gòu)分析課后題答案(XRD、中子衍射、電子衍射)

1、結(jié)構(gòu)分析唐老師部分作業(yè)匯總第一次作業(yè)1、請寫出晶體的定義。試說明什么是單晶體？什么是多晶體？定義：質(zhì)點(diǎn)(原子、離子或分子)在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)?；緸橐粋€(gè)空間點(diǎn)陣所貫穿的整塊固體稱單晶體，簡稱單晶；由許多小單晶按不同取向聚集形成的固體稱多晶。2、晶格與點(diǎn)陣是何關(guān)系？晶體結(jié)構(gòu)與點(diǎn)陣、結(jié)構(gòu)基元是何關(guān)系？原子參數(shù)與陣點(diǎn)坐標(biāo)是何關(guān)系？晶體是由原子、離子或分子在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)地排列所構(gòu)成的固體物質(zhì)，將其中周期性排列的重復(fù)單元抽象成在空間以同樣周期性排列的相同幾何點(diǎn)，這些點(diǎn)所構(gòu)成的陣列稱為點(diǎn)陣(lattice)，或空間點(diǎn)陣、空間格子。沿三個(gè)不同的方向，通過點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣點(diǎn)可

2、以作許多平行的直線族和平行的晶面族，使點(diǎn)陣形成三維網(wǎng)格。這些將點(diǎn)陣點(diǎn)全部包括在其中的網(wǎng)格稱為晶格。帶有原子、離子、分子或其集團(tuán)的點(diǎn)陣就是晶格。晶體結(jié)構(gòu) = 點(diǎn)陣 + 結(jié)構(gòu)基元對于點(diǎn)陣點(diǎn)坐標(biāo)和原子參數(shù)，它們對于3個(gè)坐標(biāo)軸的方向是相同的，但是點(diǎn)陣點(diǎn)坐標(biāo)的度量單位是點(diǎn)陣周期，而原子參數(shù)的度量單位是晶胞參數(shù)。3、晶體的晶胞類型共分為哪幾種？空間格子(點(diǎn)陣)可分為幾類？每一類晶系各有多少種空間點(diǎn)陣格子形式？請分別寫出。晶胞是描述晶體微觀結(jié)構(gòu)的基本單元，有素晶胞和復(fù)晶胞之分。如果點(diǎn)陣點(diǎn)都處于平行六面體的頂點(diǎn)，每個(gè)平行六面體只有一個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)，此空間格子稱為素格子，以P表示；如果體心還有點(diǎn)陣點(diǎn)，則此空間格子稱為

3、體心格子，以I表示；如果所有平面格子中心有點(diǎn)陣點(diǎn)，則稱為面心格子，以F表示；如果僅一對相對的平面格子中心有點(diǎn)陣點(diǎn)，則此空間格子稱為底心格子，視相對面位置分別以A, B或C表示。晶體分為7個(gè)晶系(立方、六方、四方、三方、正交、單斜和三斜),依據(jù)特征對稱元素和正當(dāng)點(diǎn)陣單位的劃分規(guī)則,晶體的點(diǎn)陣分為14種空間點(diǎn)陣型式：簡立方(cP)、體心立方(cI)、面心立方(cF)、簡六方(hP)、簡四方(tP)、體心四方(tI)、R心六方(hR)、簡正交(oP)、C心正交(oC)、體心正交(oI)、面心正交(oF)、簡單斜(mP)、C心單斜(mC)和簡三斜(aP)。4、請寫出Laue第一方程式的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說

4、明各物理量含義。表達(dá)式：a(cos1cos1) H。其中，為光程差，a為點(diǎn)陣周期，為入射線的波長，H取整數(shù)(0, ±1, ±2, )，稱為Laue第一干涉指數(shù)，1為入射X射線與點(diǎn)陣直線的夾角，1為散射X射線與點(diǎn)陣直線的夾角。5、請寫出Bragg定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說明各物理量含義。表達(dá)式：2d(hkl)sinnn。式中d(hkl)為晶面間距，n為Bragg角或掠射角，n為衍射級數(shù)，取整數(shù)1、2、，對應(yīng)稱一級、二級、衍射，為入射線的波長。第二次作業(yè)1、滿足Laue方程或Bragg方程是否一定能產(chǎn)生衍射？ 不一定,實(shí)際上，滿足衍射方程只是可能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，是否一定有衍射發(fā)生還需

5、要考慮到衍射強(qiáng)度，因此晶體產(chǎn)生衍射的充分必要條件是： (1).滿足Bragg方程(2)衍射強(qiáng)度非0。 2、描述晶體衍射現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分別適用于哪種類型晶體？用于描述晶體衍射現(xiàn)象的理論有兩種：動(dòng)力學(xué)理論和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論。動(dòng)力學(xué)理論適用于大塊完整晶體，而運(yùn)動(dòng)學(xué)理論適用于嵌鑲結(jié)構(gòu)晶體(即多晶).3、什么是系統(tǒng)消光？產(chǎn)生的原因是什么？不同類型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)消光現(xiàn)象有什么規(guī)律？在晶體衍射中，一些符合Bragg定律的衍射點(diǎn)有規(guī)律地、系統(tǒng)地消失的現(xiàn)象稱為系統(tǒng)消光。點(diǎn)陣消光是因晶胞中原子(陣點(diǎn))排布位置而導(dǎo)致的|F|2=0的現(xiàn)象。實(shí)際晶體中，位于陣點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)基元若非由一個(gè)原子組成，則結(jié)構(gòu)基元內(nèi)各原子

6、散射波間相互干涉也可能產(chǎn)生|F|2=0的現(xiàn)象，這種在點(diǎn)陣消光的基礎(chǔ)上，因結(jié)構(gòu)基元內(nèi)原子位置不同而進(jìn)一步產(chǎn)生的附加消光現(xiàn)象，稱為結(jié)構(gòu)消光。 系統(tǒng)消光出現(xiàn)的規(guī)律：簡單點(diǎn)陣(P)結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)消光；體心點(diǎn)陣(I)結(jié)構(gòu)，僅當(dāng)衍射面指數(shù)之和h+k+l為奇數(shù)時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)消光；面心點(diǎn)陣(F)結(jié)構(gòu)，當(dāng)衍射面指數(shù)h、k、l為異性數(shù)(部分為偶數(shù)、部分為奇數(shù))的晶面族出現(xiàn)系統(tǒng)消光；底心點(diǎn)陣(C)結(jié)構(gòu)，底心點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)h、k為異性數(shù)的晶面族出現(xiàn)系統(tǒng)消光；金剛石結(jié)構(gòu)，發(fā)生系統(tǒng)消光的條件為：(1) h、k、l為異性數(shù)；或(2) h、k、l均為偶數(shù)而(h+k+l)/2為奇數(shù)；密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)，當(dāng)(h+2k)為3的倍數(shù)、

7、而l為奇數(shù)時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)消光。4、三種底心點(diǎn)陣(A, B, C)結(jié)構(gòu)的消光規(guī)律是否相同?試通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)說明之。不相同。對于底心點(diǎn)陣（A,B,C），I|Fhkl|=f21+ei(h+k+l)2.。對于底心點(diǎn)陣（A）：h=0,當(dāng)K+L=0,時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)消光；對于底線點(diǎn)陣（B）：K=0，h+L=0時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)消光；對于底心點(diǎn)陣（C）：L=0，h+k=0時(shí)，出現(xiàn)系統(tǒng)消光。5、決定多晶粉末的衍射強(qiáng)度有多方面因素，除結(jié)構(gòu)因素外，還主要包括哪些方面因素？ 包括吸收因子, A(q )、多重性因子, Phkl、溫度因子, e-2M、角因子, Lp()6、為什么實(shí)際工作中X射線晶體衍射通常選擇波長范圍在0.52.5&

8、#197;？ 根據(jù)Bragg方程可以看出，只有當(dāng)所用X射線的波長與晶面間距在數(shù)值上很接近時(shí)才能產(chǎn)生衍射，而如果波長過短使衍射角過小則難以測量，因此X射線晶體衍射通常使用的射線波長約為0.52.5Å。 第三次作業(yè)1、X射線的本質(zhì)是什么？誰首先發(fā)現(xiàn)了X射線？X射線的本質(zhì)是一種電磁波，倫琴首先發(fā)現(xiàn)了X射線，Lanue揭示了X射線的本質(zhì)。2、何謂元素特征X射線譜？它是如何產(chǎn)生的？陽極靶材原子的核外電子受陰極高能電子的撞擊從而激發(fā)形成空位，外層高能態(tài)電子躍遷到低能態(tài)空位從而釋放能量標(biāo)識(shí)X射線。核外各層電子的標(biāo)識(shí)X射線構(gòu)成了連續(xù)X射線譜特征X射線的產(chǎn)生與陽極靶原子中內(nèi)層電子的躍遷有關(guān)。如果射線管

9、加速電壓足夠高，即由陰極發(fā)射的電子其動(dòng)能足夠大，則當(dāng)它轟擊陽極靶時(shí)，就可以使靶原子中某個(gè)內(nèi)層電子脫離原來所在能級，導(dǎo)致靶原子處于受激狀態(tài)。此時(shí)，原子中較高能級上的電子便將自發(fā)躍遷到該內(nèi)層空位上去，此退激過程伴有能量的釋放，多余能量以X射線量子輻射出去。3、 X射線衍射從實(shí)驗(yàn)方法上可大致劃分為哪幾種？4、X射線粉末衍射儀由哪幾大部分組成，核心部件是什么？粉末X射線衍射儀由X射線發(fā)生器、測角儀、探測記錄系統(tǒng)三部分組成，核心部件是測角儀。5、X射線衍射儀按結(jié)構(gòu)和用途可分為哪些類型？X射線衍射儀按其結(jié)構(gòu)和用途，主要可分為測定粉末試樣的粉末衍射儀和測定單晶結(jié)構(gòu)的單晶衍射儀，此外還有微區(qū)衍射儀、薄膜衍射儀

10、等特種衍射儀。 6、X射線探測器主要有哪些類型？包括計(jì)數(shù)器蓋格計(jì)數(shù)器、正比計(jì)數(shù)器和閃爍計(jì)數(shù)器、能量探測器、面探測器、陣列探測器。第四次作業(yè)1、在制備粉末試樣時(shí)，可以采用哪些方法有效降低晶粒的擇優(yōu)取向性？采用X射線衍射法測試粉末樣品時(shí)，對粉末的粒度一般有什么要求？為什么？克服擇優(yōu)取向沒有通用的方法，根據(jù)實(shí)際情況可以采用以下幾種：試樣粉末盡可能細(xì)，裝樣時(shí)用篩子篩入，先用薄玻片剁實(shí)并盡可能輕壓等；把試樣粉末篩落在傾斜放置的粘有膠的平面上通常也能減少擇優(yōu)取向，但是得到的試樣表面較粗糙；或者通過加入各向同性物質(zhì)(如MgO、CaF2等)與試樣混合均勻，混入物還能起到內(nèi)標(biāo)的作用。任何一種粉末衍射技術(shù)都要求試

11、樣是十分細(xì)小的粉末顆粒，使試樣在受光照的體積中有足夠多數(shù)目的晶粒。因?yàn)橹挥惺旨?xì)小的粉末顆粒的數(shù)目足夠多，才能滿足獲得正確的粉末衍射圖譜數(shù)據(jù)的條件：試樣受光照體積中晶粒的取向完全隨機(jī)，以保證用照相法獲得相片上的衍射環(huán)是連續(xù)的線條，或者保證用衍射儀法獲得的衍射強(qiáng)度值有很好的重現(xiàn)性。此外，將試樣制成很細(xì)的粉末顆粒，還有利于抑制由于制樣帶來的擇優(yōu)取向；而且在定量解析多相試樣的衍射強(qiáng)度時(shí)，可以忽略消光和微吸收效應(yīng)對衍射強(qiáng)度的影響。2、X射線衍射在結(jié)構(gòu)分析方面有哪些具體應(yīng)用？包括建立PDF數(shù)據(jù)庫、物相定性定量分析、結(jié)構(gòu)確定及精修、應(yīng)力分析、織構(gòu)分析等方面。3、為什么采用射線衍射方法可以進(jìn)行物相定性分析？

12、定性分析中常用的比較方法有哪些？任何結(jié)晶物質(zhì)都有其獨(dú)立的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)(點(diǎn)陣類型、晶胞大小、晶胞中質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目及坐標(biāo)等)。當(dāng)射線通過晶體時(shí)，產(chǎn)生獨(dú)特的衍射信號(hào)，對應(yīng)一系列特定的面間距d和相對強(qiáng)度I/I1值。其中d與晶胞形狀及大小有關(guān)，I/I1與質(zhì)點(diǎn)的種類及位置有關(guān)。所以，任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和I/I1是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映。不同物相混在一起時(shí)，它們各自的衍射信號(hào)將同時(shí)出現(xiàn)、互不干擾地疊加在一起，因此，可根據(jù)各自獨(dú)特的衍射數(shù)據(jù)來鑒定各種不同的物相。 常用方法：圖譜直接對比法、數(shù)據(jù)對比法、計(jì)算機(jī)自動(dòng)檢索鑒定法。4、X射線衍射的物相定量分析包括哪些方面內(nèi)容？用于物相定量的方法有哪幾種？內(nèi)容

13、：衍射峰位置的測量、點(diǎn)陣常數(shù)的測定和應(yīng)用、衍射線強(qiáng)度的測量和應(yīng)用。方法：直接對比法、內(nèi)標(biāo)曲線法、外標(biāo)法、無標(biāo)樣分析法。5、通過X射線衍射線增寬可以分析晶粒大小，其原理是什么？有哪些需要注意的方面？由Scherrer公式hkl0.89/(Dhklcoshkl) ，式中hkl為衍射峰寬，單位為弧度；為入射X射線波長；為晶面(hkl)的衍射角，D微晶粒大小。注意：（1）由于多晶試樣中各晶粒大小不一，因而用以上公式求得的晶粒大小實(shí)際上是各晶粒大小的平均值。（2）由于晶粒的形狀一般不是球形，故用不同(hkl)衍射求得的Dhkl是不同的。（3）在使用常規(guī)衍射儀時(shí)，使用上式可求得的晶粒大小的上限約為200n

14、m，若儀器的分辨率提高，該上限也可提高。 6、宏觀殘余應(yīng)力和微觀應(yīng)力對X射線衍射有何影響？一般國內(nèi)提到(宏觀)(殘余)應(yīng)力時(shí)都是指第I類內(nèi)應(yīng)力，而相應(yīng)地將第II類和第III內(nèi)應(yīng)力稱為“微觀應(yīng)力”。對于存在內(nèi)應(yīng)力的固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)(單晶?；蚨嗑Х勰?，第I類內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)為使X衍射線位移；第II類內(nèi)應(yīng)力主要表現(xiàn)在使衍射線寬化，有的也產(chǎn)生衍射線位移；笫III類內(nèi)應(yīng)力主要影響衍射強(qiáng)度。 7、何為織構(gòu)？織構(gòu)與擇優(yōu)取向有何區(qū)別？在多晶材料中，小晶粒的取向不一定是完全混亂的，某個(gè)或某些晶向會(huì)在某個(gè)或某些方向比較集中，此種現(xiàn)象就稱為擇優(yōu)取向。這種晶粒取向的相對集中的分布狀況形成的構(gòu)造就稱織構(gòu)。 第五次作業(yè)1、電子顯

15、微鏡大體上可分為哪兩大類型？大體上可分為掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。2、電子衍射分析方法主要有哪幾種？有選區(qū)電子衍射(SAED)、微束/微微束電子衍射(mED/mmED)、會(huì)聚束電子衍射(CBED)、背散射電子衍射(EBSD)、低能電子衍射(LEED)及低能正電子衍射(LEPD)、掃描電子衍射(SED)、高分辨電子衍射(HRED)、高分散性電子衍射(HDED)等。3、電子衍射的花樣有哪些類型？有斑點(diǎn)花樣、菊池線花樣、會(huì)聚束花樣。4、單晶的選區(qū)電子衍射花樣可以直觀反映出晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和位向，請寫出各種常見晶粒形貌對應(yīng)的衍射花樣斑點(diǎn)形狀。晶形 衍射斑形狀 小立方體 六角形星芒小球體 大球加球殼盤狀體 桿 針狀體 盤 5、多晶與單晶的選區(qū)電子衍射在花樣上有何異同？區(qū)別：單晶由于只有一個(gè)晶格，電子衍射圖樣是大量衍射亮點(diǎn)，排布成環(huán)狀。多晶是由多個(gè)晶粒組成的，其電子衍射花樣是連續(xù)的同心圓環(huán)。相同點(diǎn)：晶體對電子衍射都遵循Bragg定律。6、背散射電子衍射在結(jié)構(gòu)分析中有哪些應(yīng)用？取向成像、物相鑒定