近代實(shí)驗(yàn)2x射線(xiàn)多晶衍射法

1、X 射線(xiàn)多晶衍射法學(xué)號(hào)：201211201049：實(shí)驗(yàn)日期：2016 指導(dǎo)教師：【摘要】本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菍W(xué)習(xí)掌握多晶 X 衍射粉末衍射儀的原理和基本操作，熟悉定性物相分析的步驟和 PDF 數(shù)據(jù)庫(kù)的使用方法，了解定量物相分析、精確測(cè)定晶粒大小測(cè)量等實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)中測(cè)出了樣品 D 的混合比例 5:2，也測(cè)量了 TiO2 粉末、ZnO 粉末，玻璃，薄膜等 X 衍射圖像。實(shí)驗(yàn)基本符合預(yù)期。：定性物相分析多晶衍射法X 射線(xiàn)一、引言:X 射線(xiàn)是波長(zhǎng)介于紫外線(xiàn)和射線(xiàn)之間的一種電磁波，其波長(zhǎng)位于 0.01100之間，而用于晶體結(jié)構(gòu)研究的 X 射線(xiàn)的波長(zhǎng)通常為 0.52.5，這個(gè)范圍的波長(zhǎng)與晶體的點(diǎn)陣面的間距大致相

2、當(dāng)。X 射線(xiàn)多晶衍射分為德拜照相法和衍射儀法， X 射線(xiàn)粉末衍射儀法在材料物相的定性、定量測(cè)定方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),如今衍射儀法已經(jīng)成為大多數(shù)衍射圖的方法。本實(shí)驗(yàn)中采用衍射儀法。目的是學(xué)習(xí)掌握多晶 X 衍射粉末衍射儀的原理和基本操作，熟悉定性物相分析的步驟和 PDF 數(shù)據(jù)庫(kù)的使用方法，了解定量物相分析、精確測(cè)定晶粒大小測(cè)量等實(shí)驗(yàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)原理:1.X 射線(xiàn)管在中產(chǎn)生 X 射線(xiàn)最好的方法是利用真空管。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(yáng)極間的高壓電壓后告訴撞擊到陽(yáng)極上，陽(yáng)極為產(chǎn)生 X 射線(xiàn)的靶源，電子與靶物質(zhì)發(fā)生碰撞而迅速并且放出大量的能量，在碰撞過(guò)程中產(chǎn)生具有特定波長(zhǎng)的

3、X 射線(xiàn)連續(xù)譜。當(dāng)電壓提高到某一臨界值后便會(huì)在一定波長(zhǎng)出現(xiàn)極強(qiáng)的單色 X 射線(xiàn)，同時(shí)輻射出特定波長(zhǎng)的光子，即標(biāo)識(shí)X 射線(xiàn)。在多晶粉末衍射實(shí)驗(yàn)中，要用濾光片將無(wú)用的連續(xù)譜 X 射線(xiàn)和標(biāo)識(shí)X 射線(xiàn)濾掉。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(dāng)波長(zhǎng)跟此數(shù)量級(jí)相近的X 射線(xiàn)入射到晶體上時(shí)，位于晶格點(diǎn)陣上的原子將對(duì)X 射線(xiàn)產(chǎn)生散射。同一晶面族上入射角相同的反射線(xiàn)在相互疊加時(shí)，如果它們的相位相同將產(chǎn)生。如圖 1 所示，M、N、P 為晶體內(nèi)間距為 d（h,k,l）的某一晶面族，腳標(biāo)表示晶面族的面指數(shù)為 h,k,l。入射 X射線(xiàn)與該晶面成角，M、N、P 上的反射線(xiàn)分別

4、為、,相鄰兩平面反射的兩條X 射線(xiàn)的光程差為=OA-OB=2 d（h,k,l）（1-cos2）/sin當(dāng)光程差為 X 射線(xiàn)波長(zhǎng)的整數(shù)倍 n 時(shí)，2 d（h,k,l）sin=n，n=1,2,3，即產(chǎn)生第 n 級(jí)最大值，此式成為布拉格方程。3.X 射線(xiàn)粉末衍射儀法晶體的粉末 X 射線(xiàn)衍射上各個(gè)衍射峰的強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的衍射角是由晶體結(jié)構(gòu)決定的。通常衍射峰取決于晶胞的大小和形狀，以此可以對(duì)樣品的組成進(jìn)行定性物相分析。定性物相分析定性物相分析的關(guān)鍵是將獲得的未知樣品的衍射與已知化合物的衍射進(jìn)行一一對(duì)比，當(dāng)未知材料的衍射數(shù)據(jù)滿(mǎn)足一下條件時(shí)，便可以確定樣品的組成成分：（1）樣品衍射中能找到某組分物相應(yīng)該出現(xiàn)的衍

5、射峰，且其實(shí)驗(yàn)的d 值與相對(duì)應(yīng)的已知 d 值在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)是一致的。（2）所有衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度順序應(yīng)與已知組分物相的強(qiáng)度順序原則上保持一致。但當(dāng)所有的樣品是薄膜或者由于方法不同而使晶粒具有擇優(yōu)取向時(shí)，衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度順序會(huì)有所變化。定量物相分析目前常用的定量分析法有內(nèi)標(biāo)法、參考強(qiáng)度比法、吸收衍射法等，但本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)標(biāo)法。對(duì)于平板樣品，物相的第 i 個(gè)衍射峰的強(qiáng)度為i=K i/上式中是物相的線(xiàn)吸收系數(shù)；K i是與晶體結(jié)構(gòu)因子、衍射角度相關(guān)的常數(shù)。若樣品為多相混合物，則物相的第i 個(gè)衍射峰的強(qiáng)度為i=（K iX ）/(/)mX 是物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；是物相的密度；(/)m 是混合體的質(zhì)量吸收系數(shù)。內(nèi)

6、標(biāo)法的基本公式為i/js=k（X /X s）此式表明衍射強(qiáng)度比與物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，小標(biāo)i 和 j 代表不同的晶面 hkl，k 是內(nèi)標(biāo)定標(biāo)的曲線(xiàn)斜率。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:本實(shí)驗(yàn)采用的是SHIMADZU 公司的XRD-6000 型 X 射線(xiàn)粉末衍射儀。該衍射儀主要由X 射線(xiàn)發(fā)生器、衍射測(cè)角儀、衍射及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成1、 開(kāi)機(jī)。依次打開(kāi)計(jì)算機(jī)、循環(huán)水機(jī)和衍射儀電源。裝好測(cè)試樣品。2、。啟動(dòng)衍射儀主控程序，依操作程序樣品的衍射數(shù)據(jù)，待完成結(jié)束且儀器自動(dòng)關(guān)閉X-ray 管高壓電源后，測(cè)量下一樣品。3、 數(shù)據(jù)處理。啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理，獲得衍射峰的峰位、半寬度、面積等數(shù)據(jù)。確定樣品組分。4、 確定晶粒及應(yīng)

7、力大小。5、 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為文本格式，作圖，打印。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:樣品 A樣品 A 數(shù)據(jù)通過(guò) pdf 數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)后可以判斷樣品 A 是TiO2樣品 B衍射角FWHNI25.23610.228838447.97820.203511837.73270.21968153.84780.22447354.99740.22297665.64300.234058樣品 B 數(shù)據(jù)通過(guò)樣品 B 的數(shù)據(jù)在PDF 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，可以判斷樣品B 是 ZnO樣品 C衍射角FWHNI31.81610.190963536.30730.1886108556.63650.168942934.47280.180542562.893

8、90.173035867.97860.1768298已知樣品 C 是樣品A 和樣品B 1:1 混合，通過(guò)對(duì)照樣品 A 和樣品 B 數(shù)據(jù)可知，樣品C數(shù)據(jù)的第 1,5,6,7 行數(shù)據(jù)屬于樣品 A，第 2,3,4,8 行數(shù)據(jù)屬于樣品 B。這樣就能根據(jù)樣品A，B 任意比例混合后 X 光多晶衍射數(shù)據(jù)，推算出實(shí)際的混合比。樣品 D衍射角FWHNI25.34880.206424931.81710.172420234.47840.179512036.30470.173232337.84690.21964753.94380.22104855.10.204456.63410.1743124選擇分別屬于第一行數(shù)據(jù)與第三行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和計(jì)算，經(jīng)計(jì)算A 與B 比例約為5:2薄膜的 X 衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果衍射角：33.5673半高：0.4229I：1469晶粒大小 195.600.4195五、結(jié)論和建議（總結(jié)）:衍射角FWHNI25.42400.180026031.88730.16137934.52600.12405036.36680.130913537.90700.17405253.98070.17865055.17170.19155156.68890.13785