X射线衍射晶体法应用简介

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1、X射线衍射晶体法应用简介1、X-射线单晶衍射2、X-射线粉末衍射第一节X射线衍射原理一、X射线的产生X射线和普通的光谱一样也是一种电磁波，1895年德国科学家伦琴在研究阴极射线是发现了X射线。用于测定晶体结构的X射线波长为50～250pm(0.5–2.5Å)，与晶面间距相当，因而可发生衍射(相干散射)。衍射实验所用的x射线通常是在真空度为10-4Pa的X射线管内，由高压(30~60kV)加速的电子冲击阳极金属靶面时产生。金属靶为高纯金属，例如钼或铜，所产生的X射线被相应称为钼靶或铜靶X射线。图1封闭式X光管“白色”X射线-由于电子动能的不同，在金属靶上的穿透深度不同，电子动能变化值

2、不同，产生的各种波长不同的混合射线。其波长与靶的金属性质无关。(连续谱)特征X射线－高速电子把阳极材料中原子内层电子激发，再由激发态跃迁到内层所发射的特定波长X射线，它不仅具有很大的强度，而且其谱峰很窄。其波长由原子的能级决定。(标志谱)为了获得单色波长，需将较弱的K射线及白色射线除去，一种方法是选择一种物质(单色器、滤波材料)来将不要波长的射线吸收掉。图2Mo靶的X射线谱标志谱连续谱2p→1s跃迁产生的x-射线标记为K1，2s→1s跃迁标记为K2，M→K跃迁标记为K线。二、X射线的吸收性质当强度为I0的X射线通过厚度为l的物质时，其强度减弱为II=I0e-l为物质的线性吸收

3、系数，单位cm-1。它和Z,有如下的关系：∝Z4n吸收系数随减少而降低，当降到其能量足以击出Ni的内层K电子时，Ni的吸收即突然增加，这波长叫K临界吸收波长。滤波片就是利用这个性质制成的。我们测定晶体结构则应尽量避免这种吸收。为此，靶材料的原子序号应小于晶体样品中的元素，或大４～５以上。如果样品中含有Sr(锶),Y(钇),Zr(锆),Nb(铌),使用MoK射线就不大合适，因为吸收很大。晶体衍射用的X光波长较长（较软），光强集中，照射到人体发生电离效应，吸收量多，对人体健康影响较大。因此，任何瞬间的直接照射都不允许。散射出来的X光也应力求减少，应有可靠的防护罩。散射出来的X光

4、使空气电离，有害健康，应适当通风。注意高压线路的接地。三、X射线在晶体中的作用由于X射线的波长很短，穿透物质的能力很强，大部分射线将穿透晶体，极少量射线发生反射，其余部分则为吸收散射作用。可将X射线与晶体的作用归纳如下：X射线晶体透过(绝大部分)非散射的能量转化热能光电效应散射不相干散射(波长和方向均改变)相干散射(波长和相位不变，方向改变)－衍射效应在以上对X射线的作用中，相干散射效应是X射线在晶体中产生衍射的基础。在相干散射中，原子核由于质量大，与X光作用时产生的位移小，所起的散射作用也比较小，因此相干散射的作用主要是电子散射波长的相互作用。相干散射的机理为：当晶体中的电子在x射线

5、电磁场的作用产生受迫振动时，每一受迫振动的电子便成为新的电磁波波源向空间各个方向辐射球面电磁波，由于电子随着原生x射线的电场起伏振动，其振动频率和周相与原生x射线相一致，所以，由电子振动产生的散射波也是x射线，称为次生x射线。由于这些次生x射线符合相干条件，它们将产生干涉现象，即它们通过叠加而产生相互加强或消弱的现象。在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果，决定了X射线在晶体中衍射的方向。所以，通过对衍射方向的测定，可从中得到晶胞大小和形状的信息。那些晶胞内部各原子不是周期性排列，它们所散射的次生X射线间相互干涉的结果可能会使部分衍射波减弱，甚至

6、相互抵消。因此，对各衍射方向的衍射强度进行测量和分析，可以从中获得晶胞中原子排列方式的信息。综合上述，衍射方向和衍射强度即为衍射的二要素。四、测定晶体结构的主要任务(1)晶胞的形状和大小(晶胞参数)衍射方向在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X-射线间相互干涉的结果，决定了X射线在晶体中的衍射方向。(2)晶胞的内容(原子的种类和分布)衍射强度在晶胞内部各原子不是周期性排列的，它们所散射的次生X-射线间相互干涉的结果可能会使部分衍射波减弱甚至相互抵消。所以对各衍射方向的衍射强度进行测量和分析，可以从中获得晶体晶胞内原子的种类、数量及各自位置等有关信息。一、劳埃(Lau

7、e)方程一维点阵(直线点阵):光程差：=PA―OB=acos-acoso空间点阵看成互不平行的三组直线点阵入射线衍射线Ao第二节X射线衍射产生的条件a·(S-So)=hh=0、±1、±2、…劳埃方程a(cos―coso)=hh=0、±1、±2、…衍射指标h的整数性决定了衍射方向的分立性三角函数式矢量式直线点阵上衍射圆锥的形成推广到三维a·(S–So)=ha(cos-coso)=hb·(S–So)=k或b(cos-co