《X射线及其衍射》课件

X射线及其衍射X射线是一种电磁辐射，波长范围在0.01纳米到10纳米之间。X射线可以穿透许多物质，因此在医学、工业和科学研究中都有着广泛的应用。X射线的基本性质11.穿透性X射线可以穿透许多物质，如人体、木材、金属等，并可在感光片上成像。22.荧光效应X射线照射某些物质时，会使物质发出可见光。33.电离作用X射线可以使气体电离，并可使某些物质发生化学变化。44.光电效应X射线可以从某些物质中击出电子。X射线的产生与发射1电子加速加速电子撞击金属靶2电磁辐射产生高能电磁辐射3X射线发射发射包含连续谱和特征谱X射线产生于电子束与金属靶的相互作用。加速的电子轰击金属靶，导致其内部电子能级跃迁，释放出X射线辐射。X射线辐射包含连续谱和特征谱，特征谱对应于靶材原子的特征能级跃迁。X射线的检测与测量X射线检测是利用X射线与物质相互作用的特性来对物质进行分析和检测的技术。X射线测量则是对X射线的强度、能量、波长等物理量进行测量，为X射线检测提供定量信息。常见的X射线检测方法包括X射线荧光分析、X射线衍射分析、X射线断层扫描等。这些方法广泛应用于材料科学、生物医学、工业生产等领域。X射线波长的测定方法原理布拉格衍射法利用晶体对X射线的衍射现象，通过测量衍射角和晶体间距，计算X射线波长。光栅衍射法利用光栅对X射线的衍射现象，通过测量衍射角和光栅常数，计算X射线波长。布拉格衍射定律原理当X射线束入射到晶体时，会发生衍射现象。布拉格衍射定律解释了X射线衍射的条件。当入射X射线束与晶体中晶面间距满足一定关系时，衍射光线会发生干涉，形成衍射峰。公式nλ=2dsinθλ是X射线的波长d是晶面间距θ是入射角，即X射线束与晶面的夹角n是衍射级数，n=1,2,3...晶体结构分析X射线衍射是研究晶体结构的一种重要手段，它利用X射线照射晶体，通过分析衍射图案，可以确定晶体中原子或离子的排列方式，以及它们之间的距离和角度。晶体结构分析在材料科学、化学、生物学、地质学等领域有着广泛的应用，例如，可以用来确定材料的成分、结构、缺陷、相变、应力等信息。晶体系统与基本晶胞晶体系统七大晶体系统：立方、四方、六方、三方、正交、单斜、三斜基本晶胞重复单元，体现晶体结构特征，可用于描述晶体晶格晶胞的空间排列，描述晶体周期性结构晶格和晶面指数晶格晶格是描述晶体结构的基本单元，它由一系列规则排列的点组成，这些点代表着晶体中原子或离子的位置。每个点都具有相同的物理性质和环境。晶面晶面是指晶体中一系列原子或离子排列成的平面，它们与晶格点之间的关系可以用晶面指数来表示。晶面指数晶面指数用三个整数来表示，它们分别对应于晶面在晶格三个轴上的截距的倒数。晶体对称性与空间群晶体对称性晶体具有高度规则的几何形状，反映了其内部原子排列的对称性。空间群空间群描述了晶体结构的对称性，包括平移对称性和点群对称性。对称操作常见的对称操作包括旋转、反射、反演等，这些操作能够将晶体结构映射到自身。空间群分类根据对称性操作的不同，空间群被分成230种不同的类型，每种类型对应着一种特定的晶体结构。单晶衍射原理1X射线照射X射线照射到单晶体上2衍射发生X射线与晶体原子发生衍射3衍射图案形成特定衍射图案4晶体结构分析衍射图案，确定晶体结构单晶衍射是一种利用X射线衍射现象来分析单晶体结构的方法。它通过分析X射线被单晶体衍射后的衍射图案，可以确定晶体的晶格类型、晶胞参数、原子位置以及晶体对称性等重要信息。单晶衍射图案单晶衍射图案是由X射线照射单晶体时产生的衍射现象。它由一系列明暗相间的点或斑点构成。每一个点或斑点对应于晶体中特定晶面对X射线的衍射。这些点或斑点的位置和强度信息可以用来确定晶体的结构。不同晶体具有不同的衍射图案。单晶衍射图案是研究晶体结构的重要工具，它可以帮助我们了解晶体内部原子的排列方式。单晶衍射实验方法1样品制备首先需要将单晶样品制备成合适的形状和尺寸，并将其固定在衍射仪的样品台上。2数据采集使用X射线照射样品，并利用探测器收集衍射信号，得到一组衍射数据。3数据处理对收集到的衍射数据进行处理，例如校正背景噪声、积分等，以获得晶体结构信息。多晶衍射原理多晶体样品由大量微小的晶体组成，每个晶体大小在微米级或更小。随机取向多晶体中的晶粒取向是随机的，各个晶体以不同方向排列。衍射锥每个晶面都可以产生衍射，形成一个锥形的衍射光束。衍射环多个衍射锥交汇在检测器上，形成一系列同心圆环，称为衍射环。粉末衍射多晶衍射也被称为粉末衍射，是研究多晶体材料结构的一种重要方法。多晶衍射图案多晶衍射图案是指由大量随机取向的晶体产生的衍射图谱。由于晶体取向随机，衍射信号将形成一系列同心圆环，这些圆环的半径与晶体晶格间距和入射X射线波长有关。多晶衍射图案可以用来分析物质的晶体结构、晶格参数、相组成、晶粒尺寸、微观应力等，在材料科学、化学、物理学等领域具有广泛的应用。多晶衍射实验方法1样品制备粉末样品均匀分散，避免堆积2衍射仪设置选择合适的扫描范围和步长3数据采集获取衍射信号，并进行处理4数据分析确定晶体结构、粒度等信息多晶衍射实验方法主要包括样品制备、衍射仪设置、数据采集和数据分析四个步骤。小角X射线散射原理散射角小角X射线散射（SAXS）技术利用X射线在材料内部产生的散射现象，测量散射光强随散射角的变化。散射强度散射强度与材料内部结构的尺寸、形状、排列和电子密度有关，从而获得材料的结构信息。应用范围SAXS广泛应用于纳米材料、高分子材料、生物大分子等领域，研究材料的微观结构和形态。小角X射线散射应用纳米材料表征小角X射线散射技术可以提供纳米材料尺寸、形状和结构的信息，例如纳米颗粒的尺寸分布和纳米孔材料的孔径大小。聚合物结构分析小角X射线散射可以揭示聚合物的形态和微观结构，例如晶体尺寸、链排列和链间相互作用。生物大分子研究小角X射线散射技术可以研究蛋白质、核酸和其他生物大分子的尺寸、形状和构象。材料科学与工程小角X射线散射应用于各种材料科学和工程领域，例如催化剂、复合材料和薄膜。薄膜衍射分析薄膜材料分析薄膜衍射分析可以确定薄膜的晶体结构、晶粒尺寸、应力等信息。多层薄膜研究分析多层薄膜的结构，如超晶格、多层膜等，可以了解不同层之间的相互作用。薄膜生长过程可以通过分析薄膜的衍射图案，研究薄膜生长过程中的晶体取向、缺陷等。薄膜应用薄膜衍射分析在半导体、光学、磁性材料等领域具有广泛的应用。表面与界面分析表面敏感性X射线衍射对表面和界面结构特别敏感。它可以揭示表面原子排列、粗糙度、层状结构和表面改性等信息。应用领域表面与界面分析在材料科学、纳米技术、催化、半导体制造、薄膜技术等领域有着广泛的应用。方法多样掠入射X射线衍射表面敏感衍射技术X射线光电子能谱低能电子衍射应力与应变分析材料内部应力X射线衍射可分析材料内部应力，包括残余应力和外加应力。应变测量通过分析衍射峰位置的偏移，可以精确测量材料的应变。晶格畸变应力和应变会引起晶格结构的畸变，影响衍射峰的形状和强度。材料性能评估结合应力和应变数据，可以评估材料的强度、韧性和塑性等性能。相转变与相分析11.相变类型相变是指物质在热力学条件下发生状态变化的过程，如固相、液相、气相或不同晶体结构之间的转变。22.相平衡相变和相平衡研究涉及物质在不同相之间转变的条件、平衡关系以及转变过程的动力学，例如相图分析。33.X射线衍射分析利用X射线衍射技术可以准确识别物质的晶体结构，并通过分析衍射图案变化来研究相变过程，包括相转变的类型、温度和压力等条件。44.应用相变与相分析在材料科学、化学、物理学等领域有广泛应用，例如金属材料的热处理、合金的开发、药物的晶型控制等。相图与相平衡相图是描述物质在不同温度、压力等条件下存在的相态及其相互关系的图。相图可以帮助我们理解物质在不同条件下的物理和化学性质。相平衡是指在给定条件下，物质的各个相处于稳定状态，其组成和性质不再发生变化。相平衡是物质体系处于热力学平衡状态的重要标志。相图是研究和分析物质相变、相稳定性以及相转变过程的重要工具。相图在材料科学、化学工程、地球科学等领域有广泛应用。热处理工艺分析X射线衍射可以有效地表征热处理工艺对材料的影响。1相变观察相变的发生和转变程度。2晶粒尺寸分析热处理后晶粒尺寸的变化。3残余应力评估热处理引起的残余应力分布。4组织结构揭示材料的微观结构演变。通过分析衍射图谱，可以评估不同热处理工艺对材料性能的影响，例如强度、硬度、韧性等。纳米材料分析尺寸效应纳米材料的尺寸效应是指当材料尺寸减小到纳米尺度时，其物理化学性质发生显著变化的现象。表面效应纳米材料的表面积与体积之比远大于宏观材料，因此表面效应在纳米材料中占主导地位。量子效应当材料尺寸减小到纳米尺度时，电子的量子化效应会变得显著，从而影响材料的光学、电学和磁学性质。生物大分子结构分析X射线衍射技术在生物大分子结构分析中发挥重要作用。利用X射线衍射数据，我们可以揭示蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构，了解其功能和机制。该技术帮助我们理解蛋白质折叠、药物靶点识别、酶催化机制等关键问题，为疾病诊断、药物研发等领域提供了重要支持。粉末衍射数据库与查询11.数据库内容数据库包含大量已知材料的衍射数据。22.搜索功能允许用户根据化学成分、晶体结构等条件搜索匹配的材料。33.比对分析将实验得到的粉末衍射数据与数据库中的标准谱图进行比对。44.材料识别通过匹配数据库中的标准谱图来识别未知材料的成分和结构。X射线衍射分析步骤1样品制备根据样品类型和分析目的，进行适当的样品制备，例如研磨、粉碎、过滤或晶体生长。2数据采集将样品放置在X射线衍射仪中，并根据实验目的选择合适的测量条件，例如扫描范围、步长和时间等。3数据处理对采集到的原始数据进行处理，例如校正背景噪声、扣除衍射仪参数的影响等，得到衍射图谱。4相位识别通过比对标准数据库或软件分析，确定样品中的晶体相。5晶体结构分析利用衍射峰的位置、强度和形状等信息，对样品的晶体结构进行详细分析，包括晶格参数、空间群、原子位置等。6结果解释将分析结果与样品的性质和研究目的结合起来，得出相关结论，并进行合理的解释。未来发展