理学X射线衍射-西安交通大学课件

X射线衍射西安交通大学精品课件X射线衍射介绍定义X射线衍射是指X射线束照射到物质时，由于物质内部原子或分子的周期性排列而发生的衍射现象。应用X射线衍射技术广泛应用于材料科学、化学、物理学、生物学等领域，可用于分析材料的结构、成分、相变、应力等信息。原理X射线衍射的原理基于物质内部原子或分子对X射线的散射，当X射线波长与晶体中原子间距相当或相近时，就会发生衍射现象。X射线的性质电磁波波长范围：0.01-10纳米高能穿透力强，可穿透物质，用于医学影像。物质相互作用与物质相互作用，产生散射和衍射现象。X射线的产生1电子束高能电子束轰击金属靶2轫致辐射电子减速，产生连续谱X射线3特征辐射电子激发靶原子内层电子，产生特征谱X射线X射线的应用医疗影像X射线可用于诊断各种疾病，例如骨折和肺炎。安全检查X射线用于机场和车站的安全检查，以检测行李中的危险物品。工业检测X射线用于检测材料缺陷和焊接质量。X射线衍射的基本原理晶体结构晶体是由原子、离子或分子以规则的三维周期性排列而成的。X射线X射线是一种具有波粒二象性的电磁辐射。衍射现象当X射线照射到晶体时，会发生衍射现象，即X射线被晶体中的原子散射，并形成衍射图样。布拉格条件1晶体结构布拉格条件描述了X射线在晶体中衍射的现象。2衍射角当X射线束入射到晶体时，如果入射角满足布拉格条件，则会发生衍射。3晶面间距布拉格条件表明，衍射角与晶体中晶面之间的间距有关。4应用布拉格条件是X射线衍射技术的基础，用于研究材料的结构和性质。晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子在空间的排列方式。晶体结构是决定材料物理化学性质的重要因素，包括熔点、硬度、导电性、磁性等。X射线衍射是研究晶体结构的重要手段。单晶衍射图样单晶衍射图样显示了X射线照射到单晶体上时的衍射信号，这些信号通常以一系列斑点呈现，每个斑点代表晶体中的特定晶面。这些斑点的排列方式和强度反映了晶体结构的信息。粉末衍射图样粉末衍射图样是粉末样品经X射线照射后得到的衍射图样。由于粉末样品中的晶体颗粒大小、形状和取向都不同，它们对X射线的衍射方向也各不相同，因此在衍射图样上出现许多衍射峰。这些衍射峰的位置和强度分别对应于晶体结构中的晶面间距和晶面的强度。粉末衍射图样可以用来确定晶体结构、晶胞参数、晶粒尺寸、应力应变等信息，在材料科学、化学、物理学、地质学等领域有着广泛的应用。晶胞参数的确定1晶胞尺寸a,b,c2晶胞角度α,β,γ3空间群对称性X射线衍射技术发展历程11912劳厄首次利用晶体对X射线进行衍射实验，证实了X射线波的性质和晶体内部的周期性结构。21913布拉格父子建立了著名的布拉格方程，为X射线衍射技术的应用奠定了理论基础。31920年代X射线衍射技术开始应用于材料科学，例如金属材料的相结构分析。41930年代X射线衍射仪器开始商业化生产，并在多个领域得到广泛应用。51950年代单晶X射线衍射技术得到发展，可以精确测定晶体结构。61980年代同步辐射X射线衍射技术出现，为材料科学研究提供了新的手段。X射线衍射仪器的组成1X射线源产生用于衍射实验的X射线。2样品台用于放置待测样品，并可进行旋转或移动。3衍射探测器记录样品衍射的X射线信号。4数据处理系统采集和分析衍射数据，生成衍射图谱。X射线源X射线管X射线管是产生X射线的核心部件。它主要由阴极和阳极组成。阴极阴极通常由钨丝制成，通电后会发射热电子，这些电子在电场作用下加速飞向阳极。阳极阳极由高熔点金属制成，例如钨或钼，热电子撞击阳极产生X射线。X射线聚焦与单色化聚焦通过透镜或其他光学元件将X射线束汇聚到一个较小的区域，提高X射线强度，增强衍射信号。单色化通过滤波器或晶体衍射方法，去除多波长X射线，获得单一波长的X射线，提高衍射数据的准确性。样品制备粉末样品将样品研磨成细粉，均匀地装入样品架。单晶样品选择尺寸合适，质量较好的单晶，用特殊的胶水固定在样品架上。薄膜样品将薄膜样品固定在样品架上，使其表面与X射线束垂直。衍射探测器CCD二维图像采集，高灵敏度，广泛应用于单晶衍射。计数器一维数据采集，高精度，适用于粉末衍射。闪烁计数器高计数率，广泛应用于多种衍射技术。数据采集与分析1数据采集自动控制衍射仪采集衍射信号2数据处理背景扣除、峰值拟合等3数据分析晶体结构、相组成分析等X射线衍射技术的应用领域材料分析X射线衍射可以用于确定材料的晶体结构、相组成和晶粒尺寸等信息。晶体结构分析通过分析衍射图样可以确定晶体的晶胞参数、空间群和原子坐标等信息。薄膜分析X射线衍射可以用来研究薄膜的晶体结构、厚度、应力等信息。材料分析材料的组成和结构X射线衍射可以识别材料中的不同相，并确定其晶体结构和晶胞参数。材料的性能和特性通过分析衍射图案，可以推断材料的机械性能、热性能、电性能和磁性能。材料的缺陷和损伤X射线衍射可以检测材料内部的微观缺陷，例如晶格缺陷和应力应变。相结构分析通过分析X射线衍射图谱的峰位、峰强度和峰形等信息，可以识别材料中存在的相，例如，金属、陶瓷、聚合物等可以确定各相的含量，例如，合金中不同金属元素的含量，复合材料中不同组分的含量可以研究材料的微观结构，例如，晶粒大小、晶粒取向、缺陷等晶体结构分析原子排列确定晶体中原子、离子或分子的空间排列方式，揭示晶体内部的微观结构。衍射图样分析X射线衍射图样，确定晶体结构参数，例如晶胞尺寸、空间群和原子坐标。模型构建根据衍射数据构建晶体结构模型，并通过软件模拟验证模型的准确性。应力应变分析1材料强度分析材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量等力学性能。2残余应力研究材料内部的残余应力分布，如热处理或加工过程产生的应力。3材料疲劳评估材料在反复载荷下的疲劳行为，预测材料的疲劳寿命。薄膜分析厚度测量X射线衍射可以精确测量薄膜的厚度，这对薄膜器件的性能至关重要。应力分析可以通过分析薄膜的衍射峰位置和形状来确定薄膜中的应力，这对于了解薄膜的机械性能非常重要。相组成分析X射线衍射可以识别薄膜中的不同相，这对于理解薄膜的结构和性质非常重要。晶体结构分析X射线衍射可以确定薄膜的晶体结构，这对于理解薄膜的物理性质和性能非常重要。文物保护1材料分析X射线衍射可用于分析文物的材料成分和结构，例如陶瓷、金属和石材。2腐蚀监测通过分析文物表面的微观结构变化，可以评估其腐蚀程度和保护措施的效果。3修复评估X射线衍射可以帮助评估文物修复材料的相容性和稳定性，确保修复的长期效果。医药研究药物研发X射线衍射可用于药物晶型分析，帮助确定药物的晶体结构和物理化学性质，以优化药物的稳定性和生物利用度。药物制剂可用于分析药物制剂的晶体结构，控制药物的溶解度、释放速度等参数，提高药物的生物利用度。药效评价可用于分析药物与生物靶标的相互作用，帮助理解药物的作用机制，为药物开发提供支持。纳米材料研究太阳能纳米材料可以提高太阳能电池的效率，创造更清洁的能源。医疗纳米材料用于药物输送，诊断和治疗疾病。电子纳米材料可以制造更小、更强大的电子设备。总结X射线衍射X射线衍射是一种重要的材料分析技术，广泛应用于材料科学、物理学、化学、生物学等领域。基本原理X射线衍射基于X射线与晶体物质的相互作用，通过分析衍射信号可以获得物质的晶