版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
1、第五章第五章 X射线衍射射线衍射vX射线是一种电磁波,具有波粒二象性。射线是一种电磁波,具有波粒二象性。vX射线的波长:射线的波长:0.00110nm用于衍射分析用于衍射分析的的X射线波长为射线波长为0.050.25nm)。v波动性的表现波动性的表现以一定的频率和波长在空间以一定的频率和波长在空间传播。传播。v微粒性的表现微粒性的表现以光子形式辐射和吸收时,以光子形式辐射和吸收时,具有一定的质量、能量和动量。具有一定的质量、能量和动量。5.1 X射线的物理基础射线的物理基础5.1.1 X射线的性质射线的性质产生原理产生原理高速运动的电子流高速运动的电子流 射线射线X 射线射线中子流中子流高能辐
2、射流高能辐射流被突然减速时均被突然减速时均能产生能产生X射线射线5.1.2 X射线的产生射线的产生产生条件产生条件v 产生自由电子如加热钨丝发射热电子)产生自由电子如加热钨丝发射热电子)v 加速电子使其高速定向运动在阴极、加速电子使其高速定向运动在阴极、阳极间施加高压)阳极间施加高压)v在电子运动路径上设置障碍物阳极靶在电子运动路径上设置障碍物阳极靶使其减速使其减速X射线X射线管的结构射线管的结构 v封闭式封闭式X射线管实质上就是一个大的真空射线管实质上就是一个大的真空10-510-7mmHg二极管。二极管。v基本组成包括:基本组成包括: v1)阴极:阴极是发射电子的地方。阴极:阴极是发射电子
3、的地方。 v产生电子并将电子束聚焦,钨丝烧成螺旋式,产生电子并将电子束聚焦,钨丝烧成螺旋式,通以电流钨丝烧热放出自由电子。通以电流钨丝烧热放出自由电子。v2)阳极:亦称靶,是使电子突然减速和发射阳极:亦称靶,是使电子突然减速和发射X射线的地方。射线的地方。v阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成,如铜、钻、镍、铁、铝等。制成,如铜、钻、镍、铁、铝等。v3)窗口:窗口是窗口:窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。射线从阳极靶向外射出的地方。 v4)焦点:焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方,焦点:焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方,正是从这块面积上发射出正是
4、从这块面积上发射出X射线。射线。 冷却水冷却水5.1.3 X射线谱射线谱 (1连续连续X射线射线v具有连续波长的具有连续波长的X射射线,构成连续线,构成连续X射线射线谱,它和可见光相似,谱,它和可见光相似,亦称多色亦称多色X射线。射线。产生机理产生机理 v能量为能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞的电子与阳极靶的原子碰撞v 碰撞一次产生一个能量为碰撞一次产生一个能量为hv的光子的光子短波限短波限 v连续连续X射线谱在短波方向有一个波长极限,称为短射线谱在短波方向有一个波长极限,称为短波限波限0,它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生,它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的的X射线。它只与管电压有关,不
5、受其它因素的影射线。它只与管电压有关,不受其它因素的影响。响。v相互关系为:相互关系为:v式中:式中:e为电子电荷,为电子电荷,e=1.662 189210-19C;v V为电子通过两极时的电压降为电子通过两极时的电压降V。 0maxhcheVV24. 10(nm)X射线的强度射线的强度 vX射线的强度是指垂直射线的强度是指垂直X射线射线传播方向的单位面积上在单传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目位时间内所通过的光子数目的能量总和。的能量总和。 常用的单位是常用的单位是J/cm2.s。vX射线的强度射线的强度I是由光子能量是由光子能量hv和它的数目和它的数目n两个因素决两个因素决定
6、的,即定的,即I=nhv。连续。连续X射线射线强度最大值在强度最大值在1.50,而不在,而不在0处。处。v连续连续X射线谱中每条曲线射线谱中每条曲线下的面积表示连续下的面积表示连续X射线射线的总强度。也是阳极靶的总强度。也是阳极靶发射出的发射出的X射线的总能量。射线的总能量。(2特征特征X射线射线 v是在连续谱的基础是在连续谱的基础上叠加若干条具有上叠加若干条具有一定波长的谱线,一定波长的谱线,它和可见光中的单它和可见光中的单色相似,亦称单色色相似,亦称单色X射线。射线。 特征特征X射线产生机理射线产生机理特征谱线波长与原子序数之间特征谱线波长与原子序数之间 关系:关系:)(1Zc式中:式中:
7、c和和均为常数均为常数 X射线的产生及与物质的相互作用射线的产生及与物质的相互作用 5.1.5 X射线与物质的作用射线与物质的作用透射、散射、吸收透射、散射、吸收X射线的散射射线的散射 vX射线被物质散射时,产生两种现象:射线被物质散射时,产生两种现象:v相干散射;相干散射;v非相干散射。非相干散射。相干散射相干散射v物质中的电子在物质中的电子在X射线电场的作用下,射线电场的作用下,产生强迫振动。这样每个电子在各方产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射向产生与入射X射线同频率的电磁波。射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。相干散射。
8、v经过散射后,这些很弱的能量并不散经过散射后,这些很弱的能量并不散射在各个方向,而是集中在某些方向射在各个方向,而是集中在某些方向上,于是可以得到一定的花样,从这上,于是可以得到一定的花样,从这些花样中可以推测原子的位置,这就些花样中可以推测原子的位置,这就是晶体衍射效应的根源。是晶体衍射效应的根源。X 射 线 原子或离子中的电子受迫振动。振动着的电子振动着的电子成为次生成为次生X射射线的波源,向线的波源,向外辐射与入射外辐射与入射 X 射线同频率射线同频率的电磁波,称的电磁波,称为散射波。为散射波。v非相干散射非相干散射v当当X射线光量子冲击束缚力较小的电子或自射线光量子冲击束缚力较小的电子
9、或自由电子时,产生一种反冲电子,而入射由电子时,产生一种反冲电子,而入射X射射线光子自身则偏离入射方向。散射线光子自身则偏离入射方向。散射X射线光射线光子的能量因部分转化为反冲电子的动能而降子的能量因部分转化为反冲电子的动能而降低,波长增大。这种散射由于各个光量子能低,波长增大。这种散射由于各个光量子能量减小的程度各不相等,即散射线的波长各量减小的程度各不相等,即散射线的波长各不相同,因此,相互之间不会发生干涉现象,不相同,因此,相互之间不会发生干涉现象,故称为非相干散射。故称为非相干散射。v非相干散射分布在各个方向,强度一般很低,非相干散射分布在各个方向,强度一般很低,但无法避免,在衍射图上
10、成为连续的背底,但无法避免,在衍射图上成为连续的背底,对衍射工作带来不利影响。对衍射工作带来不利影响。 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。能用于布拉格公式。能用于对晶体结构的研究。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的子波波则是散射
11、的子波波源。源。5.2 X射线衍射原理布拉格方程)射线衍射原理布拉格方程)v晶体的定义:由原子、分子或离子等微粒在空间按晶体的定义:由原子、分子或离子等微粒在空间按一定规律、周期性重复排列所构成的固体物质。一定规律、周期性重复排列所构成的固体物质。 晶态结构示意图晶态结构示意图d非晶态结构示意图非晶态结构示意图布布 拉拉 格格 反反 射射o入射波入射波散射波散射波CAB, 2 , 1 , 0 n掠射角掠射角o晶格常数晶格常数 相邻两个晶面反射的两相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件射线干涉加强的条件 布拉格公式布拉格公式ndsin2CBAC, 2 , 1 , 0 n, 2 , 1 , 0
12、nsin2 d1/2sindn 关于Bragg方程的讨论v(1)X射线衍射与可见光反射的差异射线衍射与可见光反射的差异v(a)可见光在任意入射角方向均能产生反射,而可见光在任意入射角方向均能产生反射,而X射射线则只能在有限的布拉格角方向才产生反射。线则只能在有限的布拉格角方向才产生反射。v(b)可见光的反射只是物体表面上的光学现象,而衍可见光的反射只是物体表面上的光学现象,而衍射则是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结射则是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结果。果。v(2)产生衍射的极限条件:产生衍射的极限条件:v对于衍射而言,对于衍射而言,n的最小值为的最小值为1,所以在任何可观,所以
13、在任何可观测的衍射角下,产生衍射的条件为:测的衍射角下,产生衍射的条件为:2d。 v又因为又因为v若若n=1。所以要产生衍射,必须有。所以要产生衍射,必须有v d /2 X衍射分析的下限衍射分析的下限v(3)布拉格方程是布拉格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件件而非充分条件v有些情况下晶体虽然满足布拉格方程,但不一定有些情况下晶体虽然满足布拉格方程,但不一定出现衍射线,即所谓系统消光。出现衍射线,即所谓系统消光。v衍射仪法衍射仪法v(a测角仪测角仪v由光源臂、检测器臂、试样台和狭缝系统组由光源臂、检测器臂、试样台和狭缝系统组成。成。v-型测角仪:试样保持
14、不动,光源和检测器型测角仪:试样保持不动,光源和检测器以相同的同步转动,使以相同的同步转动,使X射线的入射角始终射线的入射角始终等于衍射角。等于衍射角。v-2型测角仪:光源保持不动,检测器的转型测角仪:光源保持不动,检测器的转动速度是试样转动速度的动速度是试样转动速度的2倍,使检测器的角倍,使检测器的角度读数始终是度读数始终是X射线的入射角读数的射线的入射角读数的2倍。倍。v垂直式测角仪一般采用垂直式测角仪一般采用-模式,水平式测角模式,水平式测角仪往往采用仪往往采用-2模式。模式。5.3 样品制备及实验方法样品制备及实验方法G-测角仪;测角仪;H试样台;试样台;C计数计数器;器;SX射线源;
15、射线源;F接收狭缝;接收狭缝;K刻度尺;刻度尺;D试样;试样;E支架支架梭拉梭拉(Soller)狭缝狭缝限制入射限制入射X光在垂直方向的光在垂直方向的发散度为发散度为35其他狭缝其他狭缝限制水平方向发散度为限制水平方向发散度为1(b探测器探测器v1正比计数器正比计数器 X射线使气体电离,从而能射线使气体电离,从而能使气体导电,电离电流与使气体导电,电离电流与X射线强度成正比。射线强度成正比。v2闪烁计数器闪烁计数器 由用由用1%铊活化的碘化钠构铊活化的碘化钠构成的荧光晶体和光电倍增管组成。成的荧光晶体和光电倍增管组成。X射线打射线打击晶体后产生一定量的荧光,由光电管进行击晶体后产生一定量的荧光
16、,由光电管进行光电转换而记录。光电转换而记录。v3盖革盖革-弥勒计数器弥勒计数器 一种气体电离探测器,一种气体电离探测器,是是H.盖革和盖革和P.弥勒在弥勒在1928年发明的,又称为年发明的,又称为盖革弥勒计数器,简写为盖革弥勒计数器,简写为G-M计数器。在计数器。在SAXS中该计数器用于测定弱的中该计数器用于测定弱的X射线。射线。(c扫描方式扫描方式v1连续扫描连续扫描v连续扫描就是让试样和探测器以连续扫描就是让试样和探测器以1:2的角速度作匀速圆周运的角速度作匀速圆周运动,在转动过程中同时将探测器依次所接收到的各晶面衍射动,在转动过程中同时将探测器依次所接收到的各晶面衍射信号输人到记录系统
17、或数据处理系统,从而获得的衍射图谱。信号输人到记录系统或数据处理系统,从而获得的衍射图谱。石英粉末样品的衍射仪记录曲线石英粉末样品的衍射仪记录曲线2步进扫描步进扫描步进扫描又称阶梯扫描。步进扫描又称阶梯扫描。步步进扫描工作是不连续的,进扫描工作是不连续的,试试样每转动一定的角度即样每转动一定的角度即停停止在这期间,探测器等止在这期间,探测器等后续后续设备开始工作,并以定设备开始工作,并以定标器标器记录测定在此期间内衍记录测定在此期间内衍射线射线的总计数,然后试样转的总计数,然后试样转动一动一定角度,重复测量,输定角度,重复测量,输出结出结果。果。(d扫描速度扫描速度v常采用常采用2/min4
18、/min。v 强度、分辨率强度、分辨率v扫描速度扫描速度 衍射峰位置向扫描方向偏移衍射峰位置向扫描方向偏移v 引起衍射峰的不对称宽化引起衍射峰的不对称宽化 v(e扫描范围扫描范围v2范围:范围: 290 v有机物和高分子材料有机物和高分子材料 260 v一般的定性分析:一般的定性分析:v扫描方式:连续扫描扫描方式:连续扫描v驱动方式:驱动方式: -2联动联动v靶材:一般选用铜靶靶材:一般选用铜靶v起始角度:有机物:起始角度:有机物: 25 ,无,无机物:机物: 1020 v终止角度:终止角度:6090 v扫描速度:一般选扫描速度:一般选0.02/s0.06/s四种典型聚集态衍射谱图的特征示意图
19、四种典型聚集态衍射谱图的特征示意图 (f典型聚集态衍射图特征典型聚集态衍射图特征(a) 晶态试样衍射,特征是衍射峰尖锐,基线缓平晶态试样衍射,特征是衍射峰尖锐,基线缓平 (b) 固态非晶试样散射,呈现为一个或两个相当宽的固态非晶试样散射,呈现为一个或两个相当宽的“隆隆峰峰” (c) 半晶样品的谱图,有尖锐峰,且被隆拱起,表明试样中晶半晶样品的谱图,有尖锐峰,且被隆拱起,表明试样中晶态与非晶态态与非晶态“两相差别明显两相差别明显(d) 半晶样品的谱图,不尖锐,表明试样中晶相很不完整半晶样品的谱图,不尖锐,表明试样中晶相很不完整 样品制备:样品制备:多晶衍射仪样品是平板式的,长宽多晶衍射仪样品是平
20、板式的,长宽2535 mm,厚度由样品的,厚度由样品的X射线吸收射线吸收系数和衍射角系数和衍射角2的扫描范围决定,高聚物一般为的扫描范围决定,高聚物一般为0.51 mm,要求厚度均,要求厚度均匀,且入射线照射面一定要尽可能平整。样品内微晶取向尽可能小。匀,且入射线照射面一定要尽可能平整。样品内微晶取向尽可能小。板材、片材用刀剪制样。薄膜常需将若干层叠粘成片。纤维需剪成粉末状,板材、片材用刀剪制样。薄膜常需将若干层叠粘成片。纤维需剪成粉末状,然后填入一定大小的框子里,用玻璃片压成表面平整的然后填入一定大小的框子里,用玻璃片压成表面平整的“毡片毡片”,连同框,连同框架插到样品台上。颗粒或粉末样品要
21、研磨到手触无颗粒感,然后添入框槽架插到样品台上。颗粒或粉末样品要研磨到手触无颗粒感,然后添入框槽中,用玻璃轻压抹平。高聚物树脂可用压机冷压制样。中,用玻璃轻压抹平。高聚物树脂可用压机冷压制样。样品托样品托HDPE和和LDPE的的X射线衍射谱射线衍射谱 (aHDPE高密度聚乙烯)高密度聚乙烯)(bLDPE低密度聚乙烯)低密度聚乙烯) 5.4 X射线衍射方法在材料研究中的应用射线衍射方法在材料研究中的应用5.4.1 结晶高分子材料的定性鉴别结晶高分子材料的定性鉴别%100180180 HR(a含含型晶体的型晶体的IPP X射线衍射图射线衍射图(b含含型晶体的型晶体的IPP X射线衍射图射线衍射图
22、(c被鉴定的被鉴定的IPP X射线衍射图射线衍射图 v取向指数取向指数R vH是某晶面衍射弧方位,强度分布曲线的半高宽是某晶面衍射弧方位,强度分布曲线的半高宽v完全取向时所得图形为衍射点,完全取向时所得图形为衍射点,H0,R=100%;v完全无取向时所得图形是圆环,完全无取向时所得图形是圆环,H180,R=0%accckIIIX通过方位角扫描测定取向指数的示意图通过方位角扫描测定取向指数的示意图(a)方位角方位角的定义;的定义;(b)方位角扫描得到的谱图方位角扫描得到的谱图5.4.2 取向度测定取向度测定5.4.3 结晶度的测定结晶度的测定根据:总衍射强度根据:总衍射强度=晶相与非晶相衍射强度
23、之和晶相与非晶相衍射强度之和式中:式中:Xc质量结晶度;质量结晶度; Ic晶态部分衍射强度;晶态部分衍射强度; Ia非晶态部分衍射强度;非晶态部分衍射强度; k单位质量非晶态与单位质量晶态的相对散射系数。单位质量非晶态与单位质量晶态的相对散射系数。 Ic由各衍射峰面积分别经校正后代入,由各衍射峰面积分别经校正后代入,Ia由弥撒隆峰面积由弥撒隆峰面积经校正后代入。理论上经校正后代入。理论上k1,实际中有时近似为,实际中有时近似为1。 通常直接以各衍射峰面积之和通常直接以各衍射峰面积之和Sc及弥散隆峰面积及弥散隆峰面积Sa代入上代入上式右端,得出近似结晶度式右端,得出近似结晶度Xc)。)。acccSSSX (a) 实曲线:某实曲线:某IPP丝的衍射图丝的衍射图(b)实曲线:某实曲线:某APP样品的衍射图样品的衍射图 分峰技术:六点法分峰技术:六点法在纯非晶峰上确定六点,分别在纯非晶峰上确定六点,分别是最大值处、是最大值处、0.9最大值处、最大值处、切点两个和基线交点两个。将切点两个和基线交点两个。将非晶峰绘带样品的衍射图上,非晶峰绘带样品的衍射图上,总衍射峰扣除非晶峰就得到结总衍射峰扣除非晶峰就得到
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 制造业务员工作总结
- 酒店管理岗位考核
- 美容行业前台接待工作总结
- 教师团队专业培训
- 厨具行业采购工作总结
- 2024年设备监理师考试题库带答案
- 2024年热的传递教案设计
- 创意市集活动赞助合同(2篇)
- DB33T 2111-2018 福利彩票视频型彩票销售管理规范
- 安徽省阜阳市阜南县2025届中考三模生物试题含解析
- 营销专业安全培训
- 2024年度五星级酒店厨师团队管理与服务合同3篇
- 2024年医疗健康知识科普视频制作合同3篇
- 广东省广州市花都区2024年七年级上学期期末数学试题【附答案】
- 期末测试模拟练习 (含答案) 江苏省苏州市2024-2025学年统编版语文七年级上册
- 上海市徐汇区2024-2025学年高一语文下学期期末试题含解析
- 安全风险隐患举报奖励制度
- 江苏省苏州市2023-2024学年高三上学期期末考试 数学 含答案
- 线性代数知到智慧树章节测试课后答案2024年秋贵州理工学院
- 建筑幕墙工程检测知识考试题库500题(含答案)
- 安防主管岗位招聘面试题及回答建议(某大型集团公司)2025年
评论
0/150
提交评论