X射线衍射物相定性分析

材料现代测试方法2012.021现在是1页\一共有49页\编辑于星期一提纲（Outline)引言（Introduction-Why,WhatandHow）材料与材料科学与工程（MaterialsandMSE)材料表征(MaterialsCharacterization)课程内容(SubjectContent)表征原理(GeneralPrinciple)X射线衍射XRayDiffraction(XRD)历史回顾（Historyretrospection）X射线性质和产生（NatureandproductionofXray）X射线与物质相互作用（InteractionofXraysandmaterials）2现在是2页\一共有49页\编辑于星期一过程、组成ProcessingComposition结构Structure性能效能

Properties结构形成过程“材料工艺”中心环节<材料学基础>构件、器件的制备“材料选择”PerformanceMaterialsScienceandEngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkagesWhatisMaterialsScienceandEngineering?3现在是3页\一共有49页\编辑于星期一MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.4现在是4页\一共有49页\编辑于星期一研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等技术。为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程.(材和料）

“Seeing”isbelievingMSEandMaterialsCharacterization材料科学与工程和材料表征5现在是5页\一共有49页\编辑于星期一MaterialsCharacterization狭义的材料表征指研究材料组成、结构（及性能？)的仪器分析方法。材料组成？Composition，ComponentandConstituentsWhatdoyoumeanorthinkofwhenyousayorseethe3“C”s?Isitenoughtoknowelementalcomposition(元素组成）?QualitativeandQuantative6现在是6页\一共有49页\编辑于星期一三聚氰胺（化学式：C3H6N6），俗称蜜胺、蛋白精

食品工业中常常需要测定食品的蛋白质含量，由于直接测量蛋白质技术上比较复杂，所以常用一种叫做凯氏定氮法的方法，通过测定氮原子的含量来间接推算食品中蛋白质的含量。由于三聚氰胺与蛋白质相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白质含量较高的假象。“相”组成更为重要？！7现在是7页\一共有49页\编辑于星期一Whatismaterialstructure?

材料结构？组元（元素、相）

组元的排列、结合方式8现在是8页\一共有49页\编辑于星期一多层次的物质结构

Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.宏观：Macroscopic(>0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介观：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亚原子：Subatomic(<0.1nm)Electrons,protons,neutrons材料科学研究范畴Domainofmaterialscience9现在是9页\一共有49页\编辑于星期一材料表征MaterialsCharacterization元素（化学）组成

ElementalAnalysis相分析Phaseidentification相变Phasetransformation不同层次的结构Structureatdifferentlevels,Macrotomoleculesandatoms表面与界面Surface,interface微观、光谱、衍射与成像、各种热分析方法Microscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods10现在是10页\一共有49页\编辑于星期一材料研究需要各种分析表征手段，要求我们掌握它们的原理并在实践中加以灵活运用。11现在是11页\一共有49页\编辑于星期一课程内容第一章X射线衍射分析（卢都友duyoulu@第二章电子显微分析（刘云飞）第三章振动光谱分析（韦亚兵）第四章热分析（李晓云）12现在是12页\一共有49页\编辑于星期一材料的分析与表征原理

MaterialsCharacterization材料信号输入信号输出材料与输入信号相互作用，产生输出信号。比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。13现在是13页\一共有49页\编辑于星期一材料的分析与表征

MaterialsCharacterization信号输入信号输出光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等材料了解掌握和灵活运用各种表征手段。光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等14现在是14页\一共有49页\编辑于星期一X射线衍射分析15现在是15页\一共有49页\编辑于星期一X射线的发现－Historyretrospection

1895年，德国物理学家Röntgen（伦琴）(Bornin1845inGernmany)在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）16现在是16页\一共有49页\编辑于星期一PerfectdiscoveryNomistakes.

Fewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Exploitthesubjectcompletely. Threepapersexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Quickapplication

Dec28,1895publishedhispreliminarycommunication,Jan6,1896.17现在是17页\一共有49页\编辑于星期一Bornin1845inGermany.Insmallandinformalgroupshecouldbeengaging,buttostudentsandjuniorcolleagueshewasknownasunapproachable.Hewasextremelynervousandunabletospeaktoaboveawhisper.Thispublicuneasinesswascombinedwithanunwaveringadherencetoprinciples.VonLaue1962.Theimpactofhisdiscoverywassooverwhelmingthathe,whowasover50atthetime,neverrecoveredfromit.For-asfewpeopleseemtorealize—everygreatintellectualdiscoveryisaheavyburdenforthemanwhomakesit….Themagnitudeofhisexploitcanberecognizedparticularlyifoneconsidersthatthelargenumberofotherphysists,someofthemofgreatrenown,whoexperimentedwiththesamekindofapparatusbeforeretegenanddidnotdiscoverythexray.Forsuchabreakthroughintocompletelyunsuspectedterritoryonemusthaveenormouscourageandinadditionaselfdisciplinewhichpreservesmentalcalmandclarityinthemidstofthegreatjoyandexcitementofthefirstfindings.Manyobservationshavetobemadeandcorrelatedtomakepossible(thethreepapers)whichexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Iknowonlyfewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Seldomhasascientificdiscoverycapturedthepublicfancysothoroughlyandsoquickly.ContributingtothiswasthealmostimmediaterecognitionofthemedicalapplicationofXrays.Hispreliminarycommunication,concerninganewkindofrayswaspublishedonDec28,1895.Asanewyear’sgreetingtocolleagues,hesentreprintsalongwithhisxrayphotos.Oneofthereprints,alongwithaphotoofhiswife’shand,quicklyfounditswaytoDr.MoritzJastrowitz,aphysician,whoatameetingoftheBerlinMedicalassociationonJan6,1896.Thediscoveryofx-raybyRontegenistheperfectexampleofSerendipity有意外发现珍宝的运气.Therewasnobasisforpredictingit.Thevalueofbasicresearchhasseldombeenbetterillustrated.ImagineifsomehospitalorhealthministryhadmadeacontractwithRontgentoinventadeviceforinspectingbrokenbones.WouldhehavebegunbybuildinganapparatusaroundtheHittorf-Crookestubeanditshigh-voltagecoils?18现在是18页\一共有49页\编辑于星期一Rontgenbelievedstronglythatscienceshouldnotbepopularized(adilutinginhisview)thattruesciencewasnotforthesakeofgainorvanity,butshouldbepracticedtoshedlightonGod’struth,andthatonemustbeabsolutelycertaineverythingonewritesforapublicationisabsolutelyverifiable-nospeculationisallowed.Averybroadrangeofmethodsduetothetypeandrequirementsofmaterialscharacterization.Phaseidentification,qualitativeandquantitative,19现在是19页\一共有49页\编辑于星期一X射线的发展史1895年，德国物理学家Röntgen（伦琴）在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）1912年，德国的Laue(劳厄)第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科—X射线衍射晶体学。（1914年获得诺贝尔奖）1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔奖)20现在是20页\一共有49页\编辑于星期一X射线的发展史1917年,巴克拉发现元素的标识X射线；1924年,

塞格巴恩创立了X射线光谱学；1936年，德拜、1946年，马勒，1979年，柯马克等人由于在X射线及其应用方面研究而获得化学，生理，物理诺贝尔奖；有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。21现在是21页\一共有49页\编辑于星期一1、衍射分析技术的发展与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单

22现在是22页\一共有49页\编辑于星期一X射线应用技术X射线形貌技术（Radiography）医学诊断、治疗、工业探伤X射线光谱技术（Spectrum）元素分析X射线衍射技术（XrayDiffraction-XRD）相分析、结构分析等23现在是23页\一共有49页\编辑于星期一课程要求和内容提纲理解XRD和仪器工作原理，熟练掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。

X射线的物理基础晶体结构基础知识

X射线衍射几何条件和衍射线强度

X射线衍射仪

X射线衍射物相定性分析原理及应用24现在是24页\一共有49页\编辑于星期一X射线的物理基础ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety25现在是25页\一共有49页\编辑于星期一1.TheNatureofXraysX射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102埃的范围。（如右图所示）26现在是26页\一共有49页\编辑于星期一波粒二相性

propertiesofbothwavesandparticles 波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。 粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质相互作用现象，用动能和动量表征。

波粒二相性公式：E=hv=h.c/λ，P=h/λ27现在是27页\一共有49页\编辑于星期一

由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。能量与强度EnergyandIntensity能量：E=hv=h.c/λ（与波长成反比，频率成正比） 与穿透能力相关。强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积 上在单位时间内所通过的光子数目的能 量总和。常用的单位是J/cm2.s.强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.28现在是28页\一共有49页\编辑于星期一ProductionofXRays－Xraytube

（X射线管）29现在是29页\一共有49页\编辑于星期一WorkingofXraytube30现在是30页\一共有49页\编辑于星期一31现在是31页\一共有49页\编辑于星期一32现在是32页\一共有49页\编辑于星期一3.X

Rayspectrum－X射线谱

当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照经典电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续X射线。Suddendecelerationoffast-movingparticlesContinuousandcharacteristicXRayspectrum

33现在是33页\一共有49页\编辑于星期一h.c/λ=eVλ=

h.c/eV λ0=1.24/VContinuous/whiteXRayspectrum34现在是34页\一共有49页\编辑于星期一短波限

连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e——电子电荷，等于

静电单位；V——电子通过两极时的电压降（静电单位）；h——普朗克常数，等于相关习题：35现在是35页\一共有49页\编辑于星期一相关习题试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？36现在是36页\一共有49页\编辑于星期一X射线的强度

连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:37现在是37页\一共有49页\编辑于星期一当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。38现在是38页\一共有49页\编辑于星期一是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。39现在是39页\一共有49页\编辑于星期一特征/标识X射线谱根本原因：原子内层电子的跃迁高能电子撞击出靶材料原子的内层一个电子，被逐出电子的空位很快被外层的一个电子填占。而这个电子空位又被更外层来的电子占有，如此一系列步骤使该电离原子恢复正常状态。每一步的电子跃迁产生特征X射线。40现在是40页\一共有49页\编辑于星期一标识X射线的标识线分别为相邻电子层、隔层电子层、隔两层跃迁产生的特征线

K系x射线：其它电子层跃