x射线运动学衍射理论

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

实验四 X射线衍射

一、实验目的及要求

学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理；练习用Jade 5.0对多相物质进行相分析；给定实验样品，设计实验方案，做出正确分析鉴定结果。 二、衍射仪及原理

1、X射线衍射原理

X射线是一种波长很短的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布喇格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布喇格定律： 2d sinθ=nλ，式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。当X射线以掠角θ入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时，在符合布

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

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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

X射线衍射技术及其应用

仇乐乐

1 X射线物理学基础 1.1 X射线本质及其波谱

X射线是一种电磁波具有波粒二象性，不可见，波长在0.001-10nm之间，穿透性强并且具有杀伤作用。0.05-0.25nm的X射线用于晶体衍射分析，我们称之为“软X射线”，这也是本文所要论述的重点。对于0.005-0.01nm的X射线用于透射分析和探伤。通常使用的X射线源为X射线管，这是一种装有阴阳极的真空封闭管，阴极为灯丝，阳极为金属靶，靶材可以选用铜、钼、钨等。当灯丝中通入电流后，如果在阴阳两极之间施加电压，则阴极灯丝所发出的电子流将被加速，以高速撞击到金属阳极靶上，就会产生X射线。

X射线谱包括连续X射线谱和特征X射线谱。不同管压下的连续谱的短波端，都有一个突然截止的极限波长值，称为短波限。X射线的连续谱短波限只与管电压有关，随着管电压增高则连续谱各波长强度都增高，连续谱最高强度所对应的波长和短波限都向短波方向移动。电子能量的绝大部分在与阳极靶撞击时生成热能而损失掉，只有百分之一成为X射线，所以需对X射线管采取有效的冷却措施。X射线特征谱只有在管电压超过一定值时才会产生，而这种谱线的波长与管电压、管电流等工作条件无关，只决定于阳极材料，不

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射线衍射分析技术

1、概述

X射线——探测物质组成金和原子结构

常用目的：原子排列及其关系、所含化合物（物相）及其百分比、纳米材料性质

2、X射线的产生及其性质

2.1 X射线的性质

性质：电磁波，波长短，能量大，（λmin=12.4/V）对细胞有杀伤力 2.2 X射线的产生

产生：高压电→高速电子→金属靶→X射线

原理：高速电子受阻，能量转换，1%能量转为X射线，其余转为热量。 2.3、X射线谱

特征X射线：KαKβKγ，LαLβLγ等的激发与辐射

莫塞莱定律：1/λ=K2(Z-S)2 （K、S常数）——λ与Z的关系 2.4、X射线与物质的相互作用——电子被振荡电场加速 X射线的透射（λ短，穿过） X射线的吸收（λ长，吸收）：热耗+效应（效应种类根据入射源决定） 光电效应（入射光子→激发出光电子）

荧光效应（高能X射线光子→外层电子填内层低能空穴→释放能量→次生特征X射线）

俄歇效应（高能X射线光子→外层电子填内层低能空穴→释放能量→转移到另一外层电子→发射出电子（俄歇电子））

X射线的吸收规律：线吸收系数I=I0e-μmpx

质量吸收系数=∑各质量吸收系数×其质量分数 μm=∑μmiωi

X射线的散射：

相干散射（汤姆逊散射）（光子

X射线衍射分析

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旳长 (√) 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射线旳吸收系数愈小 (×) 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旳叠加 (√) 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旳晶面 (√)

11、大直径德拜相机旳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旳 (×) 13、定性物相分析中旳主要依据是d值和I值 (√) 14、定量物相分析可以确定样品中旳元素含量 (×) 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旳法线方向 (×)

19、为获得更多衍射线条须利用短波长X射

第五章衍射的运动学理论Outline 对X射线的散射：单电子→电子团→原子→晶胞→晶体 晶格，倒格子，密勒指数，晶面间距公式 劳厄方程，布拉格方程，Ewald球 晶胞结构因子，消光条件 晶体截断棒(Crystal truncation rods) Debye-Waller因子，热漫散射 洛伦兹因子，单晶衍射强度 粉末衍射强度，Scherrer公式

说明：

晶体学的主要目的：测定晶胞结构因子，也即测定晶胞内的电子密度分布。衍射的运动学理论的适用对象：该理论的处理方法只对小体积的衍射体成立，在量子力学中，这意味着样品只是对入射光束的“微扰”，从而使波恩近似成立。幸运的是，运动学理论成立的条件在X射线衍射的许多应用中都能够满足，它对于薄膜晶体、镶嵌晶体和多晶的粉末衍射是相当准确的。

晶体的运动学衍射强度的计算思路：首先计算一个电子的散射强度，然后计算一个原子的散射强度，再计算一个晶胞的散射强度，最后计算参与散射的晶胞总数目的散射。

§5.1物质对X射线的散射物质对X射线的散射公式推导思路： 散射振幅的相干叠加 单电子→电子团→单原子→分子/晶胞→晶体

§5.1.1§5.1.2

§5.1.3

§5.1.4

接下