XRD衍射仪的工作原理PPT学习教案

1、会计学1XRD衍射仪的工作原理衍射仪的工作原理发现的发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种射线是什么呢？人们初步认为是一种电磁波，于是想通过光栅来观察它的衍射现象，但实电磁波，于是想通过光栅来观察它的衍射现象，但实验中并没有看到衍射现象。原因是验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短射线的波长太短，只有一埃（，只有一埃（1）。）。 实际上是无法分辩的。要分辨实际上是无法分辩的。要分辨X射线的光栅射线的光栅也要在埃的数量级才行。也要在埃的数量级才行。 人们想到了晶体。因为晶体有规范的原子排列，人们想到了晶体。因为晶体有规范的原子排列，且原子间距也在埃的数量级，是天然的三维光栅。且原子间距

2、也在埃的数量级，是天然的三维光栅。1895年年 德国物理学家德国物理学家-“伦琴伦琴”发现发现X射线射线1895-1897年年 伦琴搞清楚了伦琴搞清楚了X射线的产生、射线的产生、 传播、穿透力等大部分性质传播、穿透力等大部分性质 1901年伦琴获诺贝尔奖年伦琴获诺贝尔奖 1912年年 劳埃进行了晶体的劳埃进行了晶体的X射线衍射实验射线衍射实验第1页/共92页1912年德国物理学家劳厄想到了这一点，去找年德国物理学家劳厄想到了这一点，去找普朗克老师，没得到支持后，去找正在攻读博普朗克老师，没得到支持后，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终于做出了士的索末菲，两次实验后终于做出了X射线的射线的衍

3、射实验。衍射实验。X射线射线晶体晶体劳厄斑劳厄斑晶体的三维光栅晶体的三维光栅第2页/共92页第3页/共92页 (1)波动性 0.01100 (2)粒子性第4页/共92页 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（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。第5页/共92页钨灯丝接变压器玻璃金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图第6页/共92页然减速或停止然减速或停止产生X-射线第7页/共92页市场上供应的种类: (1)密封式灯丝X射线管； (2)可拆式灯丝X射线管.第8页/共92页第9页/共92页第

4、10页/共92页第11页/共92页1）连续谱的形状与靶的材料无关。）连续谱的形状与靶的材料无关。2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。压。第12页/共92页第13页/共92页第14页/共92页LKLKKhhWWh第15页/共92页第16页/共92页Cu靶靶X-Ray有一有一定的强度比：定的强度比： (Cu,K 1)： (Cu,K 1)： n=1K层n=2L层n=3M层K K K L1 L2 L3K系L系原子能 级跃迁时产生X-Ray的情 况 Cu 154.056pm; Cu 154.439pm; Cu 139.222pm第17页/共92页连续谱连

5、续谱(软软X射线射线)高速运动高速运动的粒子能的粒子能量转换成量转换成电磁波电磁波谱图特征谱图特征: :强强度随波长连度随波长连续变化续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底; ;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射线射线)高能级电高能级电子回跳到子回跳到低能级多低能级多余能量转余能量转换成电磁换成电磁波波仅在特定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰 衍射分析采用衍射分析采用第18页/共92页第19页/共92页第20页/共92页cos10243. 0 第21页/共92页射线的探测与防护射线的探测与防护 第22页/共92页第23页/共92页第24页/共92页第25页/共9

6、2页第26页/共92页布拉格定律布拉格定律 Braggs law 1913年英国布拉格父子（年英国布拉格父子（W.H .bragg .WLBragg)建立了一个公式建立了一个公式-布拉格公式。不但能布拉格公式。不但能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的研究。解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的研究。 布拉格父子认为当能量很高的布拉格父子认为当能量很高的X射线射到晶射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，射同频率的电磁波，即产生了电磁波的即产生了电磁波的散射，而每个原子散射，而每个原子则是散射

7、的子波波则是散射的子波波源；劳厄斑正是散源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。射的电磁波的叠加。第27页/共92页)cos(cos an第28页/共92页ndsin2第29页/共92页第30页/共92页第31页/共92页sin2ndhklnddhklHKLsin2HKLd第32页/共92页222224sin2LKHa22222224sincLaKH222222224sincLbKaHsin2d第33页/共92页第34页/共92页第35页/共92页第36页/共92页第37页/共92页第38页/共92页记录下衍射花样的圆圈底片，展平后可以测量弧记录下衍射花样的圆圈底片，展平后可以测量弧形线对的距离形线

8、对的距离2L，进一步可求出，进一步可求出L对应的反射圆对应的反射圆锥的半顶角锥的半顶角2，从而可以标定衍射花样。，从而可以标定衍射花样。第39页/共92页安装安装，并有卡环，并有卡环保证底片紧贴圆保证底片紧贴圆筒筒。第40页/共92页第41页/共92页第42页/共92页X射线衍射发生装置射线衍射发生装置第43页/共92页第44页/共92页第45页/共92页第46页/共92页第47页/共92页一张衍射图谱上衍射线的位置仅和原子排列周一张衍射图谱上衍射线的位置仅和原子排列周期性有关期性有关 强度则决定于原子种类、数量、相对位置等性强度则决定于原子种类、数量、相对位置等性质质 衍射线的衍射线的位置位

9、置和和强度强度就完整地反映了晶体结构就完整地反映了晶体结构的二个特征，从而成为辨别物相的依据的二个特征，从而成为辨别物相的依据第48页/共92页第49页/共92页sin45. 3t第50页/共92页第51页/共92页第52页/共92页四四 X射线衍射方法的实际应用射线衍射方法的实际应用 第53页/共92页第54页/共92页第55页/共92页第56页/共92页第57页/共92页晶体的第一个衍射图： 五水合硫酸铜晶体(CuSO45H2O)第58页/共92页 弗兰克林(Franklin R) 所摄的DNA 的高质量X射线衍射图第59页/共92页第60页/共92页第61页/共92页第62页/共92页第

10、63页/共92页b.区别同种结晶性化合物的不同晶区别同种结晶性化合物的不同晶型型u例：等规聚丙烯IPPu（单斜晶系） 刚性增加，冲击强度下降u（六方晶系） 拉伸强度和拉伸模型下降， 而韧性增加a. 鉴别结晶性化合鉴别结晶性化合物物u将样品的XRD谱图与标准谱图PDF对照u物相鉴别更多应用于非聚合物材料中（金属，陶瓷，化合物）举例：举例：第64页/共92页HDPE 和和LDPE性能比较性能比较u HDPE LDPEu结构规整，结晶度高 结构规整性差，结晶度不高u材料不透明，强度好 材料透明，强度差u可以做容器，管道 做包装膜材料第65页/共92页c.研究插层结构研究插层结构u例：有机/无机“纳米

11、插层”复合物u纳米复合材料 分散相的尺寸至少有一维在纳米数量级（100nm）u聚合物/蒙脱土纳米复合材料 在微观上由纳米级聚合物层与纳米级粘土层形成 周期交替的“插层”结构u高耐热性、高强度、高模量、高气体阻隔性、低的膨胀系数第66页/共92页纳米插层材料衍射角及晶面间距的变纳米插层材料衍射角及晶面间距的变化化晶面间距：变大衍射角：变小第67页/共92页PP-g-MMT/MMTsampled/nmMMT4.661.90PP-g-MMT/MMMT=100:102.104.01第68页/共92页d.催化领域催化领域 在催化研究中，总要涉及催化剂活性、稳定性在催化研究中，总要涉及催化剂活性、稳定性、

12、失活机理等问题，催化剂的物相组成、晶粒大小、失活机理等问题，催化剂的物相组成、晶粒大小，等往往是决定其活性、选择性的重要因素。，等往往是决定其活性、选择性的重要因素。 X射线衍射仪可配置各种附件装置，测量出相射线衍射仪可配置各种附件装置，测量出相或反应动力学的各种信息，近年应用了原位技术，或反应动力学的各种信息，近年应用了原位技术，确切测量在不同气氛、温度、压力条件下催化剂等确切测量在不同气氛、温度、压力条件下催化剂等各种材料的结构组成变化，研究催化剂体系的反应各种材料的结构组成变化，研究催化剂体系的反应机理及活性物质。机理及活性物质。第69页/共92页222LKHdasin222LKHa第7

13、0页/共92页第71页/共92页第72页/共92页jnjjMHKLjwePFVVcmeRII12222203424021cossin)2(cos1132Vj为j相参加衍射的体积，C、Kj分别代表与待测量无关的物理量强度因子。2jjjVCKI 第73页/共92页含量通常用体积百分数vj或重量百分数wj，单位体积内Vj与vj、wj之间的关系，VVwVVVvjjjjjj，jjjwv)(1mnjjmwjmnjjjjjwvCKI)(21jmnjjjjjjwwCKI)(21第74页/共92页第75页/共92页（四）结晶度的测定（四）结晶度的测定第76页/共92页 结晶度是结晶峰面积与总面积之比 第77页/

14、共92页晶体粒度大小测定晶体粒度大小测定微晶尺寸在0-1000nm时，可以用Scherrer公式计算晶粒 D=K/COS D：所规定晶面族发向方向的晶粒尺寸 ：为该晶面衍射峰的半峰高的宽度 K：为常数取决于结晶形状，通常取1 ：为衍射角（五）晶体尺寸的测定（五）晶体尺寸的测定第78页/共92页晶粒越小，衍射线就越宽晶粒越小，衍射线就越宽晶粒无限大时晶粒无限大时 晶粒尺寸有限时晶粒尺寸有限时衍射线宽化主要影响因素： 1、仪器因素引起增宽 2、K双线引起宽化 3、晶格畸变引起宽化第79页/共92页合成纤维、薄膜是经过不同形式的拉伸工艺制成的。在拉伸和热处理过程中，高聚物的分子链沿拉方向排，用x射线衍射技术研究结晶聚合物的取向度是一种非常有用的方法，可分别用取向因子、取向度和极图表征高聚物的取向特征。（六）聚合物趋向度测定（六）聚合物趋向度测定第80页/共92页在x射线衍射仪上配置应力测试附件，能进行各种应力测试，如宏观应力，微观应力、超微观应力，可以通过有无畸变，晶体衍射线强度变化来得出此类应力。 （七）应力测试（七）应力测试第81页/共92页宏观应力的测定宏观应力的测定 X射线衍射测的是试样受到弹性变形时产生的应变(它在相当大的距离内均匀分布在试样上)，而应力系通过弹