X射线衍射分析期末总结

1、大三-材料科学-材料X射线衍射与电子显微学 第一部分X射线衍射分析 第一章X射线物理学基础 1.1 X射线的本质 1. X射线本质：电磁辐射 2. X射线性质：波长较短；具有波粒二象性；穿透力极强；对生物细胞有很强的破坏作用。 1.2 X射线的产生 1. 产生原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能, 其中一小部分能量转变为 X射线，而绝大部分能量转变成热能使物体温度升高。 2. 产生条件：产生自由电子；使电子作定向的高速运动；在其运动的路径上设置一个障碍 物使电子突然减速或停止。 3. X射线管：阴极（发射电子），阳极（靶），窗口和焦点。 1.3 X射线谱 1.

2、 连续X射线 1） 特点：由一系列波长不同的X射线组成的；它有一个最短波长入0;在大于最短波 长的某一围，其波长是连续变化的。 2）成因：高速运动的电子撞到阳极时突然减速，动能转变为光能释放出来。 3） 连续X射线的最短波长入。（短波限）只与管电压 有关，与管电流和阳极材料无关。 4）连续X射线的强度与管电压、管电流和阳极材料有关。 2. 特征X射线谱 1）成因：原子的层电子被激发造成电子跃迁。 2） 特点：由若干条特定波长的 X射线构成，波长不连续。 3）特征X射线的频率和波长是恒定不变的。 4）种类：K系特征X射线；L系特征X射线；M系特征X射线等 5）波长只与阳极材料的原子种类有关，与外

3、界条件无关 6） 特征X射线的相对强度决定于电子在各能级间的跃迁几率（Ka KB; Ka 1 Ka 2 ）。 7） 特征X射线的绝对强度随 X射线管的电流 和电压的增加而增大。 8）用途：X射线衍射分析的主要光源；元素成分分析。 1.4 X射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用时，可发生散射、透射、吸收以及光电效应等现象。 1. 散射 1）相干散射：当X光子与原子的紧束缚电子碰撞时，X光子仅改变运动方向，能量没 有损失。散射线的波长与入射线的波长相同，并具有一定的相位关系，可以互相干 涉，形成衍射图样。用于 X射线衍射分析。 2）非相干散射：当X光子与自由电子或束缚很弱的电子碰撞时，运动方

4、向和能量发生 变化。不相干散射线由于波长各不相同，因此不会互相干涉形成衍射线。 2. 光电效应 1）荧光X射线：光电吸收后，原子处于激发态，层出现空位。这时，外层电子就要往 层的空位跃迁，多余的能量会以特征X射线的形式释放出来，这种特征 X射线称为 荧光X射线。 2） 俄歇电子：当外层电子往层空位跃迁时，其多余的能量不是以X射线的形式释放出 来，而是传给原子的外层电子使之脱离原子，变成自由电子。这个过程称为俄歇 作用。由俄歇作用产生的自由电子称为俄歇电子。 3. 吸收：线吸收系数 卩I，质量吸收系数 卩m （与X射线的波长以及吸收物质的原子序数 有关，可以反映不同元素吸收X射线的能力）。 4.

5、 吸收限：对于一定的元素而言，随着入射X射线波长缩短，质量吸收系数减小，到达某 一波长值，卩m突然增加，然后又逐渐减小，质量吸收系数突变点的波长值称为该元素 的吸收限。应用：X射线滤波片的滤波原理。 第二章 X射线衍射的几何原理 2.1晶体几何学简介 1. 2. 晶面和晶向指数 布喇菲点阵结点坐标：简单点阵：000;底心点阵：000，1/2 1/2 0;体心点阵：000， 1/2 1/2 1/2;面心点阵：000，1/2 1/2 0，1/2 0 1/2，0 1/2 1/2。 3. 晶面间距：立方晶系二汀 2.2倒易点阵 1. 倒易点阵的定义 设a、b、c代表正点阵S的基矢量，a*、b*、c*代

6、表相应的倒易点阵 S*的基矢量 a*b=O, a*c=0 b*b=1, c*b=O, a*a=1， b*c=0 c*c =1 x c - , c x d * a x h b*a =0， c*a =0， 2. 倒易点阵的性质 1） 在倒易点阵S*中，由原点指向倒易点阵点hkl的向量为Hhki, H =ha*+kb*+lc* , Hhki必和点阵S中的平面点阵（hkl）相垂直。 2）向量Hhkl的长度Hhkl和点阵S中的dhkl成反比，即Hikl=1/dhkl 3. 晶带：在晶体结构或空间点阵中，与某一取向平行的所有晶面均属于同一个晶带。 晶带轴：同一晶带中所有晶面的交线互相平行，通过坐标原点的那

7、条直线称为晶带轴。 晶带定律：Hu+Kv+Lw=O 晶带定律的应用：u=k1l2-k1，v=l 1h2-l 2h1，w=hk2-k1h2 2.3布拉格定律 布拉格定律 2d sin 0 =n入，n反应级数,2 0衍射角 反映出晶体结构中晶胞大小及形状的变化 2.4衍射矢量方程和厄尔瓦德图解 1. 衍射矢量|S-S o|= 2sin 0 = X / d hki , S入射线单位矢量，S0衍射线单位矢量 2. 厄尔瓦德图解 以入-1为半径画一圆，0点为倒易点阵原点，BP和晶体点阵S中的一族平面(hkl)平行, 取0P的长度为1/ dhki,这时向量0P即为倒易点阵S*中的向量H。 衍射矢量方程r

8、=5，-5o = Ha 十Kb *十抚帝 第三章 X射线衍射的强度 1.电子对X射线散射后空间p点强度 1 + coe22.9 3.1 电子和原子对衍射强度的影响 常数项电子散射因数，偏振因数 J = 2.原子对X射线散射后P点的强度 九_ 一个原千中所有电子菇干敢射波的合成柢幅 原子散射因数 =个电子相干敌射波的振幅 原子散射因数决定于原子中电子分布密度以及散射波的波长和方向(sin 0 / X)。 3.2 单胞对衍射强度的影响 1. 结构振幅%毗 F _ 个晶胞的相干散射液振帽 卡灯=兀=不电卒相干嘏射肢的振幅 PUKf = ；二 Jf昭2瓦（旳 + Kuf 十 LwJ + isin2nH

9、v + Ku + 丄旳） 2. 结构因素1 ；:l2| 2表征了单胞的衍射强度，反映了单胞中原子种类、原子数目及原子位 置对（HKL 晶面衍射方向上衍射强度的影响 %订降严吋+明严竹f 3.消光规律 布拉菲点阵 出现的反射 消失的反射 简单立方 全部 没有 体心立方 H+K+L为偶数 H+K+L为奇数 面心立方 H K、L为全奇或全偶 H K、L奇偶混杂 把由于 =0而使衍射线消失的现象称为系统消光。 结构因素只与原子的种类及在单胞中的位置有关，而不受单胞形状和大小的影响。 4. 消光规律 1）点阵消光：在复杂点阵中，由于面心、体心或底心上有附加阵点而引起的=0的 现象称为点阵消光。 2） 结

10、构消光：对于那些由两类以上等同点构成的复杂晶体结构，除遵循它 们所属的布 喇菲点阵消光外，还有附加的消光条件，称为结构消光。 3.3 一个小晶体对X射线的散射 晶粒叫2对门2在同一 B值处，阳 愈大者，山（） 值愈小。 平板状试样的吸收: 3.温度因数 B定时，温度 T越高M越大，厂越小，衍射强度减小；T 一定时，衍射角B越大 -2M M越大，疋越小,衍射强度减小，所以背反射时的衍射强度较小。 4.多晶体衍射的积分强度公式 相对积分强度 叩加雹O宀 sinzQcos& 第四章 X射线衍射实验方法 4.1劳厄法：用连续X射线照射固定的单晶，用垂直入射 X射线的照相底片来纪录衍射 花样。 4.2粉

11、末照相法 1.德拜照相法 1）安装方法 a正装法：底片中心是安放承光管的位置，圆筒底 片开口在光阑两侧。衍射角2 从底片中心向两侧 逐渐增加 b反装法：底片中心有一个孔，是安放光阑的位置，圆筒底片开口在承光管两侧。衍 射角2耳从底片中心向两侧逐渐减小。 c不对称装法：底片上有两个孔，分别为安放光阑和承 光管的位置，圆筒底片开口在光阑和承光管之间。 2）计算步骤 ? 对各弧对标号 测量有效周长%/ + 测量并计算弧对间距 2L 40 21 匚亦 360 ? 估计各线条的相对强度值 ? 查卡片 2.标注晶面指数，判别点阵类型和计算点阵参数（物质属立方晶系） stnff2 3 4 + /C 十 ?

12、计算判别物质的点阵类型 简单立方点阵面指数平方和之比是1:2:345:6:8:9 体心立方点阵 2:4:6:8:10:12:14:16:18或者是 1:2:3:4:5:6:7:8:9 面 心 立 方 点 阵 应 为3:4:8:11:12:16:19:20 1:1.33:2.67:3.67:4:5.33:6.33:6.67 人射fcft 或者是 点阵参数计算：-心广孑亠： 4.3粉末衍射仪法（分析方法见第五章） 第五章X射线衍射物相分析 5.1物相定性分析 1. 物相分析步骤 1）取得样品的粉末衍射图 了解试样的来源，化学成分和物理特性有助于作出正确的结论。 5.2物相定量分析 1.外标法：是首

13、先将所测物相的纯物质另外单独标定，然后与多相混合物中待测相的相应 衍射强度相比较而进行的。 你 _ 叫（叫h 匕）。十冲（如b 2.标法：试样中加入已知含量的标准物相S （标物），由未知相A与已知相S的强度比 ，可求未知相A的含量。 3. 4. K值法：K值法又称基底冲洗法，是在改进标法的基础上发展起来的 匚-J 直接比较法：直接对比法不需要向被测试样中掺入标准物质而是以两相的强度比为基 础。 第六章 X射线衍射分析应用 6.1点阵常数的精确测定 “2爲叽3 点阵常数测量的精确度 -AO d 匸) a 1.点阵常数精确测定原理 2. 6.2多晶体试样晶体点阵类型确定 sin:0 = t W-

14、+ A: + /J 4a 1.简单立方点阵多晶体试样衍射线分布规律 =1:2:345:6:7:8 2.体心立方点阵多晶体试样衍射线分布规律 第二部分电子显微分析 第七章电子与物质的交互作用 1.电子束与固体物质相互作用产生的物理信号 皙理信号 产生深度 产生广度 用逢 分耕率 反RS 10A 等于电f哦it 用面枳 Rilii瞻貌和成倚椽 10 100 A 愤世电子谱 次电子 100 A 拘等十电子咽 30 100 A 扫描电（ft 背枚射电于 较大 大于电子束 形貌像、戒龄像 5U 2(X)0 A 扌由血尬 电子探针 吸收电子 电子穿透深 度 大于电子柬 1000 10000 A 扌|屈f电愷、 电子探针 遷射电于 矗覩、鮎构像 14 100 A 透射电鏡 持 iiEXWffc 略小于电子 大于电予电 元素定定件井