第1讲 X射线衍射物相定性分析

材料现代测试方法2012.021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?3MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.4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5MaterialsCharacterization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？！7Whatismaterialstructure?

材料结构？组元（元素、相）

组元的排列、结合方式8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14X射线衍射分析15X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）16PerfectdiscoveryNomistakes.

Fewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Exploitthesubjectcompletely. Threepapersexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Quickapplication

Dec28,1895publishedhispreliminarycommunication,Jan6,1896.17Bornin1845inGermany.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?18Rontgenbelievedstronglythatscienceshouldnotbepopularized(adilutinginhisview)thattruesciencewasnotforthesakeofgainorvanity,butshouldbepracticedtoshedlightonGod’struth,andthatonemustbeabsolutelycertaineverythingonewritesforapublicationisabsolutelyverifiable-nospeculationisallowed.Averybroadrangeofmethodsduetothetypeandrequirementsofmaterialscharacterization.Phaseidentification,qualitativeandquantitative,19X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)20X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。211、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

22X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24X射线的物理基础ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety251.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

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/cm