理學(xué)X射線衍射-西安交通大學(xué)課件

X射線衍射西安交通大學(xué)精品課件X射線衍射介紹定義X射線衍射是指X射線束照射到物質(zhì)時(shí)，由于物質(zhì)內(nèi)部原子或分子的周期性排列而發(fā)生的衍射現(xiàn)象。應(yīng)用X射線衍射技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，可用于分析材料的結(jié)構(gòu)、成分、相變、應(yīng)力等信息。原理X射線衍射的原理基于物質(zhì)內(nèi)部原子或分子對(duì)X射線的散射，當(dāng)X射線波長(zhǎng)與晶體中原子間距相當(dāng)或相近時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。X射線的性質(zhì)電磁波波長(zhǎng)范圍：0.01-10納米高能穿透力強(qiáng)，可穿透物質(zhì)，用于醫(yī)學(xué)影像。物質(zhì)相互作用與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生散射和衍射現(xiàn)象。X射線的產(chǎn)生1電子束高能電子束轟擊金屬靶2軔致輻射電子減速，產(chǎn)生連續(xù)譜X射線3特征輻射電子激發(fā)靶原子內(nèi)層電子，產(chǎn)生特征譜X射線X射線的應(yīng)用醫(yī)療影像X射線可用于診斷各種疾病，例如骨折和肺炎。安全檢查X射線用于機(jī)場(chǎng)和車站的安全檢查，以檢測(cè)行李中的危險(xiǎn)物品。工業(yè)檢測(cè)X射線用于檢測(cè)材料缺陷和焊接質(zhì)量。X射線衍射的基本原理晶體結(jié)構(gòu)晶體是由原子、離子或分子以規(guī)則的三維周期性排列而成的。X射線X射線是一種具有波粒二象性的電磁輻射。衍射現(xiàn)象當(dāng)X射線照射到晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，即X射線被晶體中的原子散射，并形成衍射圖樣。布拉格條件1晶體結(jié)構(gòu)布拉格條件描述了X射線在晶體中衍射的現(xiàn)象。2衍射角當(dāng)X射線束入射到晶體時(shí)，如果入射角滿足布拉格條件，則會(huì)發(fā)生衍射。3晶面間距布拉格條件表明，衍射角與晶體中晶面之間的間距有關(guān)。4應(yīng)用布拉格條件是X射線衍射技術(shù)的基礎(chǔ)，用于研究材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體中原子、離子或分子在空間的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)是決定材料物理化學(xué)性質(zhì)的重要因素，包括熔點(diǎn)、硬度、導(dǎo)電性、磁性等。X射線衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。單晶衍射圖樣單晶衍射圖樣顯示了X射線照射到單晶體上時(shí)的衍射信號(hào)，這些信號(hào)通常以一系列斑點(diǎn)呈現(xiàn)，每個(gè)斑點(diǎn)代表晶體中的特定晶面。這些斑點(diǎn)的排列方式和強(qiáng)度反映了晶體結(jié)構(gòu)的信息。粉末衍射圖樣粉末衍射圖樣是粉末樣品經(jīng)X射線照射后得到的衍射圖樣。由于粉末樣品中的晶體顆粒大小、形狀和取向都不同，它們對(duì)X射線的衍射方向也各不相同，因此在衍射圖樣上出現(xiàn)許多衍射峰。這些衍射峰的位置和強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)于晶體結(jié)構(gòu)中的晶面間距和晶面的強(qiáng)度。粉末衍射圖樣可以用來(lái)確定晶體結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、晶粒尺寸、應(yīng)力應(yīng)變等信息，在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。晶胞參數(shù)的確定1晶胞尺寸a,b,c2晶胞角度α,β,γ3空間群對(duì)稱性X射線衍射技術(shù)發(fā)展歷程11912勞厄首次利用晶體對(duì)X射線進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了X射線波的性質(zhì)和晶體內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)。21913布拉格父子建立了著名的布拉格方程，為X射線衍射技術(shù)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。31920年代X射線衍射技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于材料科學(xué)，例如金屬材料的相結(jié)構(gòu)分析。41930年代X射線衍射儀器開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，并在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。51950年代單晶X射線衍射技術(shù)得到發(fā)展，可以精確測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)。61980年代同步輻射X射線衍射技術(shù)出現(xiàn)，為材料科學(xué)研究提供了新的手段。X射線衍射儀器的組成1X射線源產(chǎn)生用于衍射實(shí)驗(yàn)的X射線。2樣品臺(tái)用于放置待測(cè)樣品，并可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)。3衍射探測(cè)器記錄樣品衍射的X射線信號(hào)。4數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采集和分析衍射數(shù)據(jù)，生成衍射圖譜。X射線源X射線管X射線管是產(chǎn)生X射線的核心部件。它主要由陰極和陽(yáng)極組成。陰極陰極通常由鎢絲制成，通電后會(huì)發(fā)射熱電子，這些電子在電場(chǎng)作用下加速飛向陽(yáng)極。陽(yáng)極陽(yáng)極由高熔點(diǎn)金屬制成，例如鎢或鉬，熱電子撞擊陽(yáng)極產(chǎn)生X射線。X射線聚焦與單色化聚焦通過(guò)透鏡或其他光學(xué)元件將X射線束匯聚到一個(gè)較小的區(qū)域，提高X射線強(qiáng)度，增強(qiáng)衍射信號(hào)。單色化通過(guò)濾波器或晶體衍射方法，去除多波長(zhǎng)X射線，獲得單一波長(zhǎng)的X射線，提高衍射數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。樣品制備粉末樣品將樣品研磨成細(xì)粉，均勻地裝入樣品架。單晶樣品選擇尺寸合適，質(zhì)量較好的單晶，用特殊的膠水固定在樣品架上。薄膜樣品將薄膜樣品固定在樣品架上，使其表面與X射線束垂直。衍射探測(cè)器CCD二維圖像采集，高靈敏度，廣泛應(yīng)用于單晶衍射。計(jì)數(shù)器一維數(shù)據(jù)采集，高精度，適用于粉末衍射。閃爍計(jì)數(shù)器高計(jì)數(shù)率，廣泛應(yīng)用于多種衍射技術(shù)。數(shù)據(jù)采集與分析1數(shù)據(jù)采集自動(dòng)控制衍射儀采集衍射信號(hào)2數(shù)據(jù)處理背景扣除、峰值擬合等3數(shù)據(jù)分析晶體結(jié)構(gòu)、相組成分析等X射線衍射技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域材料分析X射線衍射可以用于確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、相組成和晶粒尺寸等信息。晶體結(jié)構(gòu)分析通過(guò)分析衍射圖樣可以確定晶體的晶胞參數(shù)、空間群和原子坐標(biāo)等信息。薄膜分析X射線衍射可以用來(lái)研究薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、厚度、應(yīng)力等信息。材料分析材料的組成和結(jié)構(gòu)X射線衍射可以識(shí)別材料中的不同相，并確定其晶體結(jié)構(gòu)和晶胞參數(shù)。材料的性能和特性通過(guò)分析衍射圖案，可以推斷材料的機(jī)械性能、熱性能、電性能和磁性能。材料的缺陷和損傷X射線衍射可以檢測(cè)材料內(nèi)部的微觀缺陷，例如晶格缺陷和應(yīng)力應(yīng)變。相結(jié)構(gòu)分析通過(guò)分析X射線衍射圖譜的峰位、峰強(qiáng)度和峰形等信息，可以識(shí)別材料中存在的相，例如，金屬、陶瓷、聚合物等可以確定各相的含量，例如，合金中不同金屬元素的含量，復(fù)合材料中不同組分的含量可以研究材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如，晶粒大小、晶粒取向、缺陷等晶體結(jié)構(gòu)分析原子排列確定晶體中原子、離子或分子的空間排列方式，揭示晶體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。衍射圖樣分析X射線衍射圖樣，確定晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如晶胞尺寸、空間群和原子坐標(biāo)。模型構(gòu)建根據(jù)衍射數(shù)據(jù)構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)模型，并通過(guò)軟件模擬驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)力應(yīng)變分析1材料強(qiáng)度分析材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能。2殘余應(yīng)力研究材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布，如熱處理或加工過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力。3材料疲勞評(píng)估材料在反復(fù)載荷下的疲勞行為，預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。薄膜分析厚度測(cè)量X射線衍射可以精確測(cè)量薄膜的厚度，這對(duì)薄膜器件的性能至關(guān)重要。應(yīng)力分析可以通過(guò)分析薄膜的衍射峰位置和形狀來(lái)確定薄膜中的應(yīng)力，這對(duì)于了解薄膜的機(jī)械性能非常重要。相組成分析X射線衍射可以識(shí)別薄膜中的不同相，這對(duì)于理解薄膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)非常重要。晶體結(jié)構(gòu)分析X射線衍射可以確定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，這對(duì)于理解薄膜的物理性質(zhì)和性能非常重要。文物保護(hù)1材料分析X射線衍射可用于分析文物的材料成分和結(jié)構(gòu)，例如陶瓷、金屬和石材。2腐蝕監(jiān)測(cè)通過(guò)分析文物表面的微觀結(jié)構(gòu)變化，可以評(píng)估其腐蝕程度和保護(hù)措施的效果。3修復(fù)評(píng)估X射線衍射可以幫助評(píng)估文物修復(fù)材料的相容性和穩(wěn)定性，確保修復(fù)的長(zhǎng)期效果。醫(yī)藥研究藥物研發(fā)X射線衍射可用于藥物晶型分析，幫助確定藥物的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以優(yōu)化藥物的穩(wěn)定性和生物利用度。藥物制劑可用于分析藥物制劑的晶體結(jié)構(gòu)，控制藥物的溶解度、釋放速度等參數(shù)，提高藥物的生物利用度。藥效評(píng)價(jià)可用于分析藥物與生物靶標(biāo)的相互作用，幫助理解藥物的作用機(jī)制，為藥物開(kāi)發(fā)提供支持。納米材料研究太陽(yáng)能納米材料可以提高太陽(yáng)能電池的效率，創(chuàng)造更清潔的能源。醫(yī)療納米材料用于藥物輸送，診斷和治療疾病。電子納米材料可以制造更小、更強(qiáng)大的電子設(shè)備?？偨Y(jié)X射線衍射X射線衍射是一種重要的材料分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域?；驹鞽射線衍射基于X射線與晶體物質(zhì)的相互作用，通過(guò)分析衍射信號(hào)可以獲得物質(zhì)的晶