X射线衍射的几何原理-应用物理系

1、第三章第三章 X射线衍射的几何原理（射线衍射的几何原理（I）3.0 序言3.1布拉格定律3.2衍射矢量方程和厄尔瓦德图解3.3 劳埃方程组3.0 序言序言X射线晶体衍射现象不同衍射花样电子散射电磁波干涉作用测定晶体结构研究与结构相关的一系列问题周期性散射中心发出的相干散射波相互干涉一、产生衍射线的原因：一、产生衍射线的原因： 衍射线束的方向：由晶胞的形状和大小决定衍射线束的方向：由晶胞的形状和大小决定 衍射线束的强度：由晶胞中原子的位置和种类决定 衍射线束的形状、大小：由晶体的形状和大小决定二、二、X射线衍射理论：射线衍射理论：在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系在衍射现象与晶体结构

2、之间建立起定性和定量的关系三、衍射线束的四种表示形式：三、衍射线束的四种表示形式：布拉格定律布拉格定律衍射矢量方程衍射矢量方程厄瓦尔德图解厄瓦尔德图解劳埃方程劳埃方程即衍射方向与晶体结构关系的四种表示形式3.1布拉格定律布拉格定律一、干涉加强与布拉格实验一、干涉加强与布拉格实验;,22干涉加强或nnAM;,) 12(22) 12(干涉相消或nnAM X射线沿NaCl晶体（001）方向平行入射，将晶体绕O轴转动角度，同时转动计数管2：实验结构：当=300、640时，计数管有脉冲产生。二、布拉格定律的推证二、布拉格定律的推证1、一层原子面上散射X射线的干涉：方向衍射加强当,)cos(cosnaPR

3、KQ射线衍射满足反射律。当X,0,2、相邻原子面的散射X射线的干涉： 干涉加强的条件(布拉格方程)： ：入射线波长；d: 晶面间距； ：掠入射角、布拉格角或半衍射角； 2：衍射角： n: 为整数，称反射级数。ndSin21、选择反射、选择反射 X射线在晶体中的衍射实质上是晶体中各原子散射波之间的干涉结果。由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射线的反射。 一束可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射，而原子面对而原子面对X射线的反射并不是任意的，只有当射线的反射并不是任意的，只有当 、 、d三三者之间满足布拉格方程时才能发生反射者之间满足布拉格方程时才能发生反射，所以把X射线这种反射称为选择反

4、射。三、布拉格方程的讨论三、布拉格方程的讨论2、产生衍射的极限条件、产生衍射的极限条件 根据布拉格方程，sin 不能大于1， 因此： 对衍射而言，n的最小值为1，所以在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为2d，这也就是说，能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射的晶面中最大面间距的二倍，否则不能产生衍射现象。dndn21sin2，即3、干涉面和干涉指数、干涉面和干涉指数 将布拉格方程中的n隐含在d中得到简化的布拉格方程： 把（hkl）晶面的n级反射看成为与（hkl）晶面平行、面间距为(nh,nk,nl) 的晶面的一级反射。面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的原子面，而是为了简化布拉格

5、方程所引入的反射面，我们把这样的反射面称为干涉面。干涉面的面指数称为干涉指数。SindnddSinndHKLhklHKLhkl2,2则有：令4 4、衍射花样和晶体结构的关系、衍射花样和晶体结构的关系 从布拉格方程可以看出，在波长一定的情况下，衍射线的方向是晶面间距d的函数。如果将各晶系的d值代入布拉格方程，可得： 由此可见，布拉格方程可以反映出晶体结构中晶胞大小及形状的变化，但是并未反映出晶胞中原子的品种和位置。）222222(4sinLKHa）2222222(4sincLaKH）22222222(4sincLbKaH立方晶系：正方晶系：斜方晶系：Intensity (%)3540455055

6、60657075808590951001051101151200102030405060708090100(44.68,100.0)1,1,0(65.03,14.9)2,0,0(82.35,28.1)2,1,1(98.96,9.3)2,2,0(116.40,16.6)3,1,0(a) 体心立方 aFe a=b=c=0.2866 nmIntensity (%)3540455055606570758085909510010511011512001020304050607080901001,1,02,0,02,1,12,2,03,1,02,2,2(b) 体心立方 Wa=b=c=0.3165 nm(d

7、) 体心正交: a= 0.286nm, b=0.300nm, c=0.320nm(e) 面心立方：gFe a=b=c=0.360nmIntensity (%)3540455055606570758085909510010511011512001020304050607080901001,0,11,1,00,0,22,0,01,1,22,1,12,0,22,2,01,0,33,0,1 3,1,0Intensity (%)3540455055606570758085909510010511011512001020304050607080901000,1,11,0,11,1,00,0,20,2,02

8、,0,01,1,21,2,12,1,10,2,2 2,0,22,2,00,1,31,0,30,3,1 1,3,03,0,13,1,0Intensity (%)354045505560657075808590951001051101151200102030405060708090100(43.51,100.0)1,1,1(50.67,44.6)2,0,0(74.49,21.4)2,2,0(90.41,22.7)3,1,1(95.67,6.6)2,2,2(117.71,3.8)4,0,0 图3- X射线衍射花样与晶胞形状及大小之间的关系 (c) 体心四方a=b=0.286nm,c=0.320nm一

9、、任意两个阵点相干散射的示意图及简单推导方法一、任意两个阵点相干散射的示意图及简单推导方法3.2衍射矢量方程和厄尔瓦德图解衍射矢量方程和厄尔瓦德图解 取O为坐标原点，A点的位置矢量r=ma+nb+pc，S0和S分别为入射线和散射线的单位矢量，散射波之间的光程差为: 相差为： )(-MA-O00SSrSrSrNrSS022)(20cbapnmSS为整数）（，当NpnmSS N2)(20cba干涉加强。，或 N)( 0cbapnmSS*0cbaLKHrSSHKL满足干涉加强条件。为一倒易矢量时当 ,0SS 垂直于正点阵中的HKL晶面长度等于HKL晶面的晶面间距dHKL的倒数HKLrHKLr二、衍射

10、矢量方程二、衍射矢量方程 如图所示，当束X射线被晶面P反射时，假定N为晶面P的法线方向，入射线方向用单位矢量S0表示，衍射线方向用单位矢量S表示，则S-S0为衍射矢量。NS0SS- S0衍射矢量方程*,*0cbaLKHrSSHKL .,)(,0则产生衍射三角形时等腰构成一HKLrSS二、二、厄尔瓦德图解厄尔瓦德图解1、原理：、原理： 要使（要使（HKL）晶面发生反射，入射线必须沿一定方）晶面发生反射，入射线必须沿一定方向入射，以保证反射线方向的矢量向入射，以保证反射线方向的矢量 的端点恰好落在的端点恰好落在倒易矢量倒易矢量 的端点上，即的端点上，即 的端点应落在的端点应落在HKL的倒的倒易点上

11、。易点上。SSHKLr 由于晶体中存在各种方位和各种面间距的晶面，因此当入射线沿一定方位入射时，可能同时有若干束衍射线产生，则可用厄尔瓦德图解法求衍射束方向。2、作图、作图 1）做晶体的倒易点阵，O*为倒易原点； 2）入射线沿OO* 入射，且令 ； 3）以O为球心， 以 为半径画一个球反射球反射球； 4）若球面与倒易点A相交，则OA是一衍射线方向。0*SOO 1 由此可见，当X射线沿OO*方向入射，所有可能发生反射的晶面，其倒易点都应落在以O为球心，以1/为半径的球面上，即在球面上的倒易阵点可以发生反射，不在球面上的倒易点一定不可以反射，从球心指向倒易点的方向是相应晶面反射线的方向 。 以上求衍射线方向的作图法称为厄瓦尔德图解3.3 劳埃方程组劳埃方程组*:0cbaLKHrSSHKL由衍射矢量方程*)*(0cbaLKHSS分别以阿a、b、c乘以上式LSScKSSbHSS)()()(000a劳埃方程组矢量形式 倒易点阵是晶体学中极为重要的概念之一倒易点阵是晶体学中极为重要的概念之一可简化晶体学计算,形象解释衍射现象形象解释衍射现象1921由德国物理学家由德国物理学家Ewald引入引入X射线领域射线领域 从数学