X射線衍射基本原理課件

X射線衍射

一、X射線的產(chǎn)生和性質(zhì)(一)、X射線的產(chǎn)生X射線是1895年德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的。X射線是高速運動的荷電粒子(例如電子)在突然減速時產(chǎn)生的。高速運動的電子與靶材作用可能存在兩種情況：(a)電子與原子的核心電場作用(b)電子與核外電子作用(二)、X射線特性X射線的波動性與粒子性是X射線具有的客觀屬性波動性：

X射線本質(zhì)是一種電磁波，它與可見光一樣，X射線以光速沿直線傳播，其電場強度矢量E和磁場強度矢量H相互垂直，并位于垂直于X射線傳播方向的平面上。通常X射線波長范圍為10～0.001nm，衍射分析中常用波長在0.05～0.25nm范圍內(nèi)。(三)、X射線譜(1)連續(xù)X射線譜

連續(xù)譜是由高能電子受到原子電場作用減速而引起的，應(yīng)用并不廣泛。不同陽極靶在35kV外加電壓下發(fā)出的X射線譜不同管壓下鎢陽極所發(fā)射的連續(xù)X射線譜(2)X射線特征譜當管電壓超過某一臨界值V激后，在連續(xù)X射線譜某幾個特定波長的地方強度突然明顯地增加。由于它們的波長反映了靶材料的特征，故稱之為特征X射線。不同管壓下鉬陽極所發(fā)射的X射線譜X射線特征譜有以下特點：(1)產(chǎn)生特征譜所需的最低電壓(臨界激發(fā)電壓V激)對不同靶元素是不同的，隨原子序數(shù)Z的增加而增加；(2)特征譜的波長隨靶元素原子序數(shù)Z的增加而變短；(3)當管電壓達到V激后再進一步升高時，特征譜的波長不變，但強度按所超過電壓的n次方增加。按量子理論原子是由原子核及繞核運動的電子組成的，電子分布在不同能級的殼層(軌道)上，即，K、L、M、N、0、P等層，能量逐漸增高。兩相鄰層間的能量差依K、L、M、N……的次序減小。當具有足夠能量的電子(大于或等于殼層電子的結(jié)合能)轟擊陽極靶時，可能將原子內(nèi)層的某些電子逐出，使原子電離而處于激發(fā)態(tài)，空位將被較高能量殼層的電子來填充，能量差則以X射線光子的形式輻射出來，結(jié)果得到具有固定能量，固定頻率或固定波長的X射線。如果是K層的電子按逐出，接著由其它較高能級的外層電子填充而產(chǎn)生的X射線稱為K系射線，由L層電子填充者稱為K。射線，由M層電子填充稱為K射線等等。同理，因L層電子被逐出而產(chǎn)生的X射線稱為L系射線，其它類推。特征x射線的產(chǎn)生機構(gòu)(四)、X射線與物質(zhì)交互作用(1)相干散射(2)非相干散射(3)熒光輻射(4)X射線的衰減(1)在單一原子面情況光程差為：=CB-AD=ABcos-ABcos=0A、B兩原子散射波在原子面反射方向上的光程差為零，說明它們的相位相同，是干涉加強的方向。由此看來，一個原子面對X射線的衍射可以在形式上看成為原子面對入射線的反射。單一原子面的反射

三、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

物相分析結(jié)晶度的測定晶粒尺寸的計算

晶體點陣參數(shù)的確定

宏觀應(yīng)力的測定物相分析

物相定性分析：一是確定材料的組成元素及其含量—成份分析二是確定這些元素的存在狀態(tài)，即是什么物相—物相分析物相定量分析：確定各組成相的含量內(nèi)標法、外標法、絕熱法、增量法、無標樣法、基體沖洗法、全譜擬合法等常規(guī)分析方法但是有些方法需要有純的物質(zhì)作為標樣,而有時候純的物質(zhì)難以得到,從而使得定量分析難以進行,從這個意義上說,無標樣定量相分析法具有較大的使用價值和推廣價值。

結(jié)晶度的測定

結(jié)晶度定義為結(jié)晶部分重量/總的試樣重量.現(xiàn)在非晶態(tài)合金應(yīng)用非常廣泛,如軟磁材料等,而結(jié)晶度直接影響材料的性能,因此結(jié)晶度的測定就顯得尤為重要了.測定結(jié)晶度的方法很多,但不論哪種方法都是根據(jù)結(jié)晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。晶粒尺寸的計算多晶體材料的晶粒尺寸是影響其物理、化學等性能的一個重要因素.用X射線衍射法測量小晶粒尺寸是基于衍射線剖面寬度隨晶粒尺寸減小而增寬這一實驗現(xiàn)象。用謝樂公式計算晶體點陣參數(shù)的確定點陣參數(shù)是晶態(tài)材料的重要物理參數(shù)之一,精確測定點陣參數(shù)有助于研究該物質(zhì)的鍵合能和鍵強,計算理論密度、各向異性熱膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)、固溶體的組分和固溶度、宏觀殘余應(yīng)力大小,確定相溶解度曲線和相圖的相界,研究相變過程,分析材料點陣參數(shù)與各種物理性能的關(guān)系等。X射線衍射法測定點陣參數(shù)是利用精確測得的晶體衍射線峰位2θ角數(shù)據(jù),然后根據(jù)布拉格定律和點陣參數(shù)與晶面間距d值之間的關(guān)系式(表1)計算點陣參數(shù)的值.宏觀應(yīng)力的測定在材料部件宏觀尺度范圍內(nèi)存在的內(nèi)應(yīng)力分布在它的各個部分,相互間保持平衡,這種內(nèi)應(yīng)力稱為宏觀應(yīng)力,宏觀應(yīng)力的存在使部件內(nèi)部的晶面間距發(fā)生改變,所以可以借助X射線衍射方法來測定材料部件中的應(yīng)力.按照布拉格定律可知,在一定波長輻射發(fā)生衍射的條件下,晶面間距的變化導致衍射角的變化,測定衍射角的變化即可算出宏觀應(yīng)變,因而可進一步計算得到應(yīng)力大小。實例分析1.A位摻雜金屬陽離子對稀土錳氧化物LaMnO3晶體結(jié)構(gòu)的影響，采用溶膠凝膠法制備La0.6A0.4MnO3(A代表cu，Ag，K，Na)多晶樣品母體材料。立方結(jié)構(gòu)-菱面體結(jié)構(gòu)

2.MCM-41有序介孔分子篩----Ti-MCM-41

圖3,在廣角X光衍射條件下，衍射圖譜無尖銳的峰形，說明未組裝前的MCM-41不存在晶型結(jié)構(gòu).在23左右有一個較大的吸收峰。MCM-41為非晶態(tài)材料，表現(xiàn)為短程有序而長程無序.