单晶体x射线衍射分析的基本方法

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

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

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

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

氧化锰纳米晶体的制备及X射线衍射分析

（吉林大学化学学院）

摘要 本实验主要是了解粉末X射线衍射分析的基本原理和操作；了解液相法制

备三氧化二锰（γ-Mn2O3）纳米晶体的方法。利用粉末X射线衍射法对纳米晶体进行物相分析和粒度测定。

关键词 粉末X－射线衍射分析;三氧化二锰;物相分析;粒度测定

纳米材料是指由极细晶粒组成、尺寸在纳米量级1~100nm的固体材料。由于这种材料的尺度处于原子簇和宏观物体的交接区域，因此具有表面效应，并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性，实现直接为人类按需要排布原子、制造出性能独特的产品的理想。

纳米材料的合成方法总体上可分为气相法、液相法和固相法。气相法还可以分为气相冷凝法、活性氢—熔融金属反应、建设法和化学气相沉积法等。液相法也可以进一步分为溶胶—凝胶法、沉淀法、喷雾法和水热法等。固相法主要有机械研磨法。溶胶—凝胶（sol—gel）法以其较低的反应温度、所制备材料的高度均匀性和纯度以及具有各种各样的形成过程等优点吸引了众多科学家的注意。经过大约一个世纪的发展，溶胶—凝胶法逐渐成为一门独立的科学分支。溶胶—凝胶法涉及溶胶和凝胶两个概念，所谓溶胶，是指分散到液相中足够小（1~100nm

X射线衍射分析的应用

衍射分析方法是以材料结构分析为基本目的的现代分析方法。电磁辐射或电子束、中子束等与材料相互作用产生相干散射（弹性散射），相干散射相长干涉的结果——衍射是材料衍射分析方法的技术基础。衍射分析包括X射线衍射分析、电子衍射分析及中子衍射分析等方法。

X射线衍射分析基于以下原理：X射线照射晶体，晶体中电子受迫振动产生相干涉，同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加强，即形成了晶体的衍射波（线）。衍射方向（衍射线在空间分布的方位）和衍射强度是据以现实材料结构分析等工作的两个基本特征。衍射方向以衍射角即入射线与衍射线的夹角2θ表达，其与产生衍射晶面之晶面间距[dhkl,(HKL)为干涉指数表达之晶面]及入射线波长（λ）的关系即衍射产生的必要条件遵从布拉格方程：

2dHKLsinθ=λ

多晶X射线衍射的基本方法为衍射仪法与（粉末）照相法。（粉末）照相法以光源（X射线管）发出的单色光（特征X射线，一般为Ka射线）照射（粉末）多晶体（圆柱形）样品，用底片记录产生的衍射线。用其轴线与样品轴线重合的圆柱形底片记录者称为德拜（Debye）法；用平板底片记录着称为针孔法。较早的x射线衍射分析多采用照相

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