x射线衍射实验可以确定晶体结构吗

X射线衍射晶体结构分析

【摘要】

从X射线被德国物理学家伦琴发现后已经渗透到许多学科中，并得到广泛的

应用。通过X射线衍射晶体进行结构分析成为一种有效地手段。本实验运用X射线进行物质线衰减系数的测量，同时进行衍射晶体进行结构分析，测定晶格常数。 【关键词】 X射线 【引言】

衍射

晶体结构分析

X射线是1895年由德国物理学家伦琴在研究阴极射线是发现的。此后，X射

线已经渗透到许多学科中，并得到广泛的应用。通过X射线衍射晶体进行结构分析成为一种有效地手段。光波经过狭缝将产生衍射现象，为此，狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝以观察X射线的衍射，就相当困难。冯.劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶格正好与X射线的波长同数量级。

实验原理

一、线吸收系数

假设入射线的强度为R0，通过厚度dx的吸收体后 ，由于在吸收体内受到“毁灭性”的相互作用，强度必然会减少，减少量dR显然正比于吸收体的厚度dx，也正比于束流的强度R，若定义μ为X射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有：

dR Rdx （1）

考虑边界条件并进行积分，则得：

R R0e

透射率 T

中 南 大 学 X射线衍射实验报告 姓 名 学院 材料科学与工程 专业 学号 11 月 材料学 同组者 日 指导教师 评阅日期 黄继武 实验日期 2010 年 评分 分 评阅人 实验一 仪器操作与定性分析 一、实验目的 掌握X射线衍射物相定性分析的原理和实验方法 熟悉PDF卡片的查找方法和物相检索方法 二、实验原理 ∴ X射线衍射谱，就如同人的指纹一样，是每一种晶体物质的特征，是鉴别晶体物质的标志。 如果将两种或两种以上的晶体物质混合在一起，则组成混合物的各相产生的衍射花样是独立的、机械叠加。 根据衍射谱的特点确定物相的晶体结构和相的种类——就是定性分析的内容。 前面所述的方法，对立方晶系较简单，其它晶系则复杂了，且只能计算出晶体物质的晶体学参数，而物质是什么相，必须查对晶体学手册。 仔细分析衍射谱要特征标志衍射线的分布各衍射峰的分布和相对强度的变化物相的晶体结构 2θ确定(2θ与入射波长λ及衍射面间距有关，波长一定时，由d衍射谱的主可确定θ，而d是晶体结构中一个重要参数) 1 衍射线的积累强度取决于晶体的结构因子和多重性因子 所以衍射谱上衍射线的分布及强度作为标定物相的主要依据是完全可行

实验一：Si与SiO2晶体结构的X射线衍射方法测定

一、 实验目的

1） 加深理解并掌握金刚石结构的XRD消光规律

2） 基本掌握用XRD的PDF（ICDD）卡片及索引对多晶物质进行相分析 3） 了解XRD仪的基本结构与实验步骤

4） 学会检验单晶硅、多晶硅以及二氧化硅的XRD方法

二、 实验内容

1） 有实验老师介绍XRD仪器的基本结构与基本实验步骤 2） 进行XRD实验获得Si及SiO2的XRD谱图

3） 先查XRD的索引得到卡片号、再由卡片号查找物相晶体结构参数 4） 由衍射知识获得金刚石结构的XRD消光规律

三、 实验仪器设备和材料清单

X射线衍射仪、Si粉、SiO2粉等

四、 实验方案设计

对样本进行取样（预处理） 将取样品放进衍射仪进行检测 得到数据和衍射谱并处理分析 对照卡片查找晶体结构参数

五、

实验数据记录与处理

Si卡片号JCPDS，PDF27-1402

2θ(度)

CuKa λ=1.54060?

28.44 47.3 56.12 69.13 76.38 88.03

d (?) 3.1355 1.9201 1.6375 1.3577 1.2459 1.1086 I/I1 (峰高比) 100 55 3

第2节 晶体的X射线衍射本节主要内容: 2.2.1 晶体衍射的基本方法 2.2.2 X射线衍射方程 2.2.3 晶体X射线衍射的几种方法 2.2.4 原子散射因子和几何结构因子

§2.2 晶体衍射2.2.1 晶体衍射的基本方法1.X射线衍射X射线是由被高电压V加速了的电子，打击在“靶极”物质上 而产生的一种电磁波。

h max eU minhc eU

h

c

min

eU

1.2 103 (nm) Uc 3 108 m s

h 6.62 10 34 J s

e 1.6 10 19 C

U 104 V ,

nm λ ~ 0.1

在晶体衍射中，常取U--40千伏，所以 --0.03nm 。 2.电子衍射2 h P , eU , P 2m

P 2meU ,

h 2meU

h 6.62 10 34 J s1.5 U (nm)

e 1.6 10 19 C

m 9.1 10 31 kg

U 150 V, λ ~ 0.1 nm

电子波受电子和原子核散射，散射很强透射力较弱，电子

衍射主要用来观察薄膜。

3.中子衍射

m中 2000m电

1.5 7.5 10 2 nm 2000U

X-射线单晶衍射分析实验

一．实验目的

1．了解和掌握化合物形成晶体的条件和品质较好的单晶的特点。

2．了解单晶衍射仪的工作原理及其结构，知道晶体解析的基本步骤和原理。 3．理解晶体结构数据的意义，掌握晶体结构作图方法。

二．单晶衍射仪的工作原理及其结构

1. 单晶衍射实验功能介绍

X射线衍射在材料学、化学、矿物学及晶体学中有着及其重要的作用，它是研究一切结晶物质结构和物相的主要手段。单晶结构分析应用范围十分广泛，凡是可获得单晶体的样品均可用于分析。该方法样品用量少，只需0.5mm大小的晶体一粒，即可获得被测样品的全部三维信息，结构包括原子间的键长、键角、分子在晶体中的堆积方式，分子在晶体中的相互作用以及氢键关系、π-π相互作用等各种有用信息。单晶结构分析是有机合成、不对称化学反应、配合物研究、新药合成、天然提取物分子结构、矿物结构以及各种新材料结构与性能关系研究中不可缺少的最直接、最有效、最权威的方法之一。

单晶X-射线衍射仪用以测定一个新化合物（晶态）分子的准确三维空间（包

括键长、键角、构型、构像乃至成键电子密度等）及分子在晶格中的实际排列状况。它广泛用于化学、分子生物学、药物学、物理学、矿物学和材料科学等方面的分析研究。可用于中小分子直

X-射线单晶衍射分析实验

一．实验目的

1．了解和掌握化合物形成晶体的条件和品质较好的单晶的特点。

2．了解单晶衍射仪的工作原理及其结构，知道晶体解析的基本步骤和原理。 3．理解晶体结构数据的意义，掌握晶体结构作图方法。

二．单晶衍射仪的工作原理及其结构

1. 单晶衍射实验功能介绍

X射线衍射在材料学、化学、矿物学及晶体学中有着及其重要的作用，它是研究一切结晶物质结构和物相的主要手段。单晶结构分析应用范围十分广泛，凡是可获得单晶体的样品均可用于分析。该方法样品用量少，只需0.5mm大小的晶体一粒，即可获得被测样品的全部三维信息，结构包括原子间的键长、键角、分子在晶体中的堆积方式，分子在晶体中的相互作用以及氢键关系、π-π相互作用等各种有用信息。单晶结构分析是有机合成、不对称化学反应、配合物研究、新药合成、天然提取物分子结构、矿物结构以及各种新材料结构与性能关系研究中不可缺少的最直接、最有效、最权威的方法之一。

单晶X-射线衍射仪用以测定一个新化合物（晶态）分子的准确三维空间（包

括键长、键角、构型、构像乃至成键电子密度等）及分子在晶格中的实际排列状况。它广泛用于化学、分子生物学、药物学、物理学、矿物学和材料科学等方面的分析研究。可用于中小分子直

X射线单晶体衍射仪原理简介

X射线单晶体衍射仪

一．引言

X射线单晶体衍射仪的英文名称是X-ray single crystal diffractometer,简写为XRD。

本仪器分析的对象是一粒单晶体，如一粒砂糖或一粒盐。在一粒单晶体中原子或原子团均是周期排列的。将X射线（如Cu的Kα辐射）射到一粒单晶体上会发生衍射，由对衍射线的分析可以解析出原子在晶体中的排列规律，也即解出晶体的结构[1]。物质或由其构成的材料的性能是与晶体的结构密切相关的，如金刚石和石墨都是由纯的碳构成的，由于

它们的晶体结构不同就有着截然不同的性质。

二．X射线单晶体衍射仪测定晶体结构的原理和仪器构造[2,3].

（一）晶体衍射的基本公式

由于晶体中原子是周期排列的，其周期性可用点阵表示。而一个三维点阵可简单地用一个由八个相邻点构成的平行六面体（称晶胞）在三维方向重复得到。一个晶胞形状由它的三个边（a,b,c）及它们间的夹角（γ，α，β）所规定，这六个参数称点阵参数或晶胞参数,见图1。这样一个三维点阵也可以看成是许多相同的平面点阵平行等距排列而成的，这样一族平面点阵称为一个平面点阵族，常用符号HKL（HKL为整数）来表示。一个三维空间点阵划分为

X射线衍射分析

习题及参考答案

一、判断题

1、只要原子内层电子被打出核外即产生特征X射线 (×) 2、在K系辐射线中Kα2波长比Kα1的长 (√) 3、管电压越高则特征X射线波长越短 (×) 4、X射线强度总是与管电流成正比 (√)

5、辐射线波长愈长则物质对X射线的吸收系数愈小 (×) 6、满足布拉格方程2 d sinθ=λ必然发生X射线反射 (×) 7、衍射强度实际是大量原子散射强度的叠加 (√) 8、温度因子是由于原子热振动而偏离平衡位置所致 (√) 9、结构因子与晶体中原子散射因子有关 (√) 10、倒易矢量代表对应正空间中的晶面 (√)

11、大直径德拜相机的衍射线分辨率高但暴光时间长（√ ） 12、标准PDF卡片中数据是绝对可靠的 (×) 13、定性物相分析中的主要依据是d值和I值 (√) 14、定量物相分析可以确定样品中的元素含量 (×) 15、定量物相分析K法优点是不需要掺入内标样品 (√) 16、利用高温X射线衍射可以测量材料热膨胀系数(√) 17、定量物相分析法中必须采用衍射积分强度 (√) 18、丝织构对称轴总是沿着试样的法线方向 (×)

19、为获得更多衍射线条

材料研究方法

1、选择反射：

X射线在晶体中的衍射实质是晶体中各原子散射波之间的干涉结果。只是由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射线的发射，所以可以借用镜面发射规律来描述X射线的衍射，即将衍射看成反射，是布拉格方程的基础。但衍射是本质，反射仅是为了使用方便的描述方式。X射线的晶面反射与可见光的镜画反射亦有所不同。一束可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射，但X射线只有在满足布拉格方程的θ角上才能发生反射，是具有选择性的而非任意的，只有当d、θ和λ满足布拉格方程时才能发生反射，。因此，这种反射亦称选择反射。一组面网只能在一定的角度上反射X射线，级次越高，衍射角越大。

人们经常用“反射”这个术语来描述一些衍射问题，有时也把“衍射”和“反射”作为同义语混合使用，但其实质都是说明衍射问题；有两种几何学的关系必须牢记：①入射光束、反射面的法线和衍射光束一定共面；②衍射光束与透射光束之间的夹角等于2θ，这个角称为衍射角。

例1： Al,面心立方,已知a=0.405nm

用CuK??0.15416nm线照射,问(111)面网组能产生几条衍射线。 解: d? n?0.405?0.234nm 3

X射线衍射实验报告

一、实验目的

（1）掌握X射线衍射仪的工作原理、操作方法； （2）掌握X射线衍射实验的样品制备方法；

（3）掌握运用X射线衍射分析软件进行物相分析的原理和实验方法 ； （4）熟悉PDF卡片的查找方法和物相检索方法。 二、实验仪器

X射线衍射仪，PDF卡。

X射线衍射仪，主要由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器、辐射探测电路、计算机系统等组成。 （1）X射线发生器

X射线管工作时阴极接负高压，阳极接地。灯丝附近装有控制栅，使灯丝发出的热电子在电场的作用下聚焦轰击到靶面上。阳极靶面上受电子束轰击的焦点便成为X射线源，向四周发射X射线。在阳极一端的金属管壁上一般开有四个射线出射窗口。转靶X射线管采用机械泵+分子泵二级真空泵系统保持管内真空度，阳极以极快的速度转动，使电子轰击面不断改变，即不断改变发热点，从而达到提高功率的目的，如下图1。

图1 X射线管

（2）测角仪

测角仪圆中心是样品台，样品台可以绕中心轴转动，平板状粉末多晶样品安放在样品台上，样品台可围绕垂直于图面的中心轴旋转；测角仪圆周上安装有X射线辐射探测器，探测器亦可以绕中心轴线转动；工作时，一般情况下试样台与探测器保持固定的转动关系（即θ-2θ