《X射線的衍射》課件

X射線的衍射X射線的基本性質(zhì)1穿透性X射線可以穿透許多物質(zhì)，例如人體、金屬和塑料，穿透能力與物質(zhì)的密度和原子序數(shù)有關(guān)。2熒光效應(yīng)當(dāng)X射線照射到某些物質(zhì)時(shí)，會(huì)使物質(zhì)發(fā)出可見光，例如X射線照射到熒光屏上，就會(huì)發(fā)出可見光。3電離作用X射線可以使氣體電離，這是X射線探測(cè)器的基本原理之一。4生物效應(yīng)X射線對(duì)生物體有傷害作用，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡或基因突變，因此使用X射線時(shí)要做好防護(hù)措施。X射線的產(chǎn)生機(jī)理1高速電子轟擊電子束撞擊金屬靶材，2原子內(nèi)層電子躍遷電子被激發(fā)，3X射線光子發(fā)射原子恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，X射線產(chǎn)生于高速電子轟擊金屬靶材，引起靶材原子內(nèi)層電子躍遷，從而發(fā)射出X射線光子。高速電子撞擊靶材原子，使靶材原子內(nèi)層電子被激發(fā)到高能級(jí)，然后躍遷回低能級(jí)，并釋放出能量，以X射線光子的形式輻射出來(lái)。X射線的波性質(zhì)電磁波X射線是電磁波譜中的一種，具有波粒二象性。波長(zhǎng)X射線的波長(zhǎng)范圍在0.01納米到10納米之間，比可見光波長(zhǎng)短得多。衍射現(xiàn)象X射線可以通過(guò)晶體發(fā)生衍射，產(chǎn)生干涉圖樣。布拉格反射條件1入射角入射X射線束與晶體平面的夾角。2反射角衍射X射線束與晶體平面的夾角。2晶格間距相鄰晶體平面之間的距離。布拉格方程公式2dsinθ=nλ含義當(dāng)入射X射線的波長(zhǎng)λ和晶體中晶格平面間距d滿足一定關(guān)系時(shí)，就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。晶格平面間距定義晶格平面間距是指相鄰晶格平面之間的距離。影響因素晶格平面間距受晶格常數(shù)和晶格方向的影響。重要性晶格平面間距是X射線衍射分析的重要參數(shù)。勞厄圓當(dāng)一束單色X射線入射到晶體上，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射的X射線在空間形成一系列圓錐形的衍射波，這些圓錐形的橫截面就是勞厄圓。勞厄圓是X射線衍射圖樣的一種表現(xiàn)形式，它反映了晶體內(nèi)部的原子排列方式。勞厄圓的直徑與晶體晶格常數(shù)有關(guān)，圓心位于入射X射線的中心，每個(gè)勞厄圓對(duì)應(yīng)于晶體的一個(gè)晶格平面。倒格子倒格子是真實(shí)空間晶格的傅里葉變換，它描述了晶體衍射的幾何特征。每個(gè)倒格點(diǎn)對(duì)應(yīng)于晶體中的一組晶面，其位置由晶面間距和晶面法向決定。倒格子空間的概念可以幫助我們更直觀地理解衍射現(xiàn)象，例如解釋衍射斑點(diǎn)的分布和強(qiáng)度。衍射的幾何描述1布拉格方程描述晶體衍射現(xiàn)象2倒格子描述晶體結(jié)構(gòu)3勞厄圓解釋衍射現(xiàn)象點(diǎn)陣衍射點(diǎn)陣衍射現(xiàn)象描述了X射線在周期性排列的原子陣列上的散射行為.X射線照射到晶體時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，形成一系列明暗相間的衍射斑點(diǎn)。衍射斑點(diǎn)的位置和強(qiáng)度反映了晶體的結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。晶體結(jié)構(gòu)分析衍射圖樣分析通過(guò)分析衍射圖樣，可以確定晶體的晶胞參數(shù)、空間群和原子位置。晶體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建根據(jù)衍射數(shù)據(jù)，利用軟件工具構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)精修對(duì)模型進(jìn)行精修，使模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。單晶衍射實(shí)驗(yàn)1樣品制備選擇合適的單晶，進(jìn)行切割、研磨和拋光。2安裝樣品將樣品固定在衍射儀的樣品臺(tái)上，并精確調(diào)整其位置。3數(shù)據(jù)采集使用X射線照射樣品，并收集衍射數(shù)據(jù)。4數(shù)據(jù)處理對(duì)收集到的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算晶胞參數(shù)。單晶衍射圖樣單晶衍射圖樣通常呈現(xiàn)為一系列的衍射斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)的位置和強(qiáng)度都與晶體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)分析衍射斑點(diǎn)的分布和強(qiáng)度來(lái)確定晶體的晶格結(jié)構(gòu)、晶胞參數(shù)、原子位置等信息。晶胞參數(shù)計(jì)算a晶胞在a軸方向上的長(zhǎng)度b晶胞在b軸方向上的長(zhǎng)度c晶胞在c軸方向上的長(zhǎng)度α晶胞b軸和c軸之間的夾角β晶胞a軸和c軸之間的夾角γ晶胞a軸和b軸之間的夾角粉末衍射實(shí)驗(yàn)樣品制備將樣品研磨成細(xì)粉末，確保樣品均勻分布，減少晶粒尺寸對(duì)衍射的影響。樣品裝填將粉末裝填到樣品架中，確保樣品表面平整，以獲得清晰的衍射圖樣。數(shù)據(jù)采集利用X射線衍射儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，記錄樣品對(duì)X射線的衍射信號(hào)。數(shù)據(jù)分析對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)、相組成、晶粒尺寸等信息。粉末衍射圖樣NaCl粉末衍射NaCl的粉末衍射圖樣具有明顯的特征峰，這些峰對(duì)應(yīng)于NaCl晶體結(jié)構(gòu)的晶面間距。CuO粉末衍射CuO的粉末衍射圖樣更加復(fù)雜，反映了其更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。相結(jié)構(gòu)分析確定晶體中的相組成計(jì)算各相的含量分析各相的晶體結(jié)構(gòu)相含量分析1定量分析根據(jù)不同相的衍射峰強(qiáng)度，計(jì)算各相的含量比例。2Rietveld精修利用Rietveld精修軟件，對(duì)粉末衍射圖譜進(jìn)行擬合，得到各相的含量、晶胞參數(shù)等信息。3應(yīng)用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域，用于確定多相材料中各相的含量。晶粒尺寸分析1Scherer公式利用X射線衍射峰的寬度來(lái)確定晶粒尺寸2微觀結(jié)構(gòu)提供有關(guān)材料的微觀結(jié)構(gòu)信息，如晶粒大小和形狀3性能影響晶粒尺寸對(duì)材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能和熱學(xué)性能有顯著影響應(yīng)變分析應(yīng)變晶體內(nèi)部由于外力或溫度變化引起的形變應(yīng)變分析通過(guò)X射線衍射測(cè)量晶體內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)方法利用衍射峰位移和峰寬變化來(lái)分析相變分析相變檢測(cè)X射線衍射可以準(zhǔn)確地識(shí)別材料中的相變，例如晶體結(jié)構(gòu)的改變、晶格參數(shù)的變化或新的相的出現(xiàn)。相變機(jī)理研究通過(guò)分析衍射圖樣的變化，可以深入研究相變的機(jī)理，例如相變的溫度、壓力、時(shí)間或其他因素的影響。相變動(dòng)力學(xué)可以研究相變的速度、過(guò)程和動(dòng)力學(xué)，例如相變的速率、相變的路徑和相變的控制因素。相分析的應(yīng)用領(lǐng)域材料科學(xué)識(shí)別材料的相組成、晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，例如金屬合金、陶瓷和聚合物?；瘜W(xué)分析化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，確定反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物純度。地質(zhì)學(xué)確定礦物和巖石的成分、結(jié)構(gòu)和形成條件，例如地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)資源開發(fā)。生物學(xué)分析生物材料的結(jié)構(gòu)和成分，例如蛋白質(zhì)和DNA。X射線差拉比衍射峰位移分析不同材料的衍射峰位置變化,可以確定材料的晶格常數(shù)變化。衍射峰強(qiáng)度變化通過(guò)分析衍射峰的強(qiáng)度變化,可以了解材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。衍射峰形狀變化分析衍射峰的形狀變化,可以判斷材料內(nèi)部是否存在不同的相態(tài)。動(dòng)力學(xué)衍射理論1多重散射考慮X射線在晶體中多次散射的影響2波動(dòng)方程基于麥克斯韋方程組推導(dǎo)出晶體中X射線傳播的波動(dòng)方程3邊界條件考慮晶體表面和內(nèi)部的邊界條件，求解波動(dòng)方程動(dòng)力學(xué)衍射理論是一種更精確的衍射理論，它考慮了X射線在晶體中多次散射的影響。與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論不同，動(dòng)力學(xué)理論能夠描述衍射強(qiáng)度隨入射角的變化，并解釋一些運(yùn)動(dòng)學(xué)理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，如反常透射等。動(dòng)力學(xué)理論在解析復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)、研究材料的內(nèi)部應(yīng)力等方面有重要應(yīng)用。動(dòng)力學(xué)衍射現(xiàn)象當(dāng)X射線束穿過(guò)晶體時(shí)，一部分射線被晶體反射，另一部分射線則穿過(guò)晶體，這兩種射線相互干涉，形成衍射圖樣。動(dòng)力學(xué)衍射理論考慮了晶體中所有原子的散射，因此它能夠解釋衍射圖樣中出現(xiàn)的各種復(fù)雜現(xiàn)象，例如衍射強(qiáng)度隨入射角的變化，衍射線形隨晶體厚度變化等。反射高能電子衍射反射高能電子衍射(RHEED)是一種表面敏感的分析技術(shù)，用于研究材料的表面結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)過(guò)程。在RHEED中，一束高能電子束以掠射角照射樣品表面，被表面原子散射，形成衍射圖案。RHEED圖案可以提供有關(guān)表面結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)模式、薄膜厚度和表面缺陷的信息。像散分析透鏡像差像散是透鏡像差的一種，指的是非點(diǎn)光源通過(guò)透鏡后，在成像平面上形成的兩個(gè)相互垂直的模糊線的現(xiàn)象。影響因素像散的影響因素包括透鏡的形狀、材料和制造精度，以及光束入射角等。分析方法像散分析可以通過(guò)測(cè)量成像平面上的模糊線長(zhǎng)度和方向來(lái)進(jìn)行，并以此計(jì)算像散的大小和方向。結(jié)構(gòu)解析實(shí)例通過(guò)X射線