X射线衍射分析技术2.pptx

主讲人：张呈旭昆明理工大学KunmingUniversityofScienceandTechnology材料测试分析方法晶体结构基础2

目录01X射线衍射分析晶体学基础02X射线衍射分析物理学基础03X射线衍射分析原理04X射线衍射分析具体应用

02X射线衍射分析——物理学基础

二、X射线衍射分析—物理学基础1.X射线结构分析发展历史1895年德国物理学家伦琴在研究真空管放电时发现了一种肉眼看不见的射线，它不仅穿透力极强，还能使铂氰化钡等物质发出荧光、照相底片感光、气体电离等,由于当时对其本质尚未了解,故名为X射线。1912年德国物理学家劳埃等人在前人研究的基础上，发现了X射线在晶体中的衍射现象，并建立了劳埃衍射方程组，从而揭示了X射线的本质是波长与原子间距同一量级的电磁波，劳埃方程组为研究晶体的衍射提供了有效方法,因此产生了X射线衍射学。威廉·康拉德·伦琴马克斯·冯·劳厄

二、X射线衍射分析—物理学基础在劳埃研究的基础上，英国物理学家布拉格父子首次利用X射线测定了NaCl和KCl的晶体结构，提出了晶面“反射”X射线的新假设，由此导出简单实用的布拉格方程。该方程为X射线衍射和电子衍射奠定了理论基础。同时布拉格还发现了特征X射线，但并未给出合理的解释。布拉格方程的导出开创了X射线在晶体结构分析中应用的新纪元。1914年,物理学家莫塞莱在布拉格研究的基础上发现了特征X射线的波长与原子序数之间的定量关系，创立了莫塞莱方程。利用这一原理可对材料的成分进行快速无损检测，由此产生了X射线光谱学。W.H.布拉格和W.L.布拉格亨利·格温·杰弗里·莫塞莱

二、X射线衍射分析—物理学基础X射线是的本质是一种波长较短的电磁辐射，与可见光等电磁波完全相同，因此具有波粒二像性。其波长范围在0.01埃到100埃之间，位于紫外线和伽马射线之间。X射线通常又分为硬X射线和软X射线。波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。通常我们采用与晶格间距相近的0.5埃到2.5埃波长的X射线进行晶体结构分析。

二、X射线衍射分析—物理学基础通常采用高能电子打靶的形式产生X射线。X射线的产生机理是当高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。又分为连续X射线和特征X射线。

二、X射线衍射分析—物理学基础2.X射线基本概念（1）连续X射线：当电子与靶材发生多次碰撞才将其能量消耗完，则电子会与原子发生多次碰撞，发生多次辐射，由于电子与靶材的多次碰撞和大量的入射电子束，从而产生各种不同能量的X射线，这就构成了连续X射线谱。

二、X射线衍射分析—物理学基础短波限：连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0(或λmin)，它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e——电子电荷，等于1.602Х10-19C；V——电子通过两极时的电压降；h——普朗克常数，等于X射线的强度（I）是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和，常用的单位是J/cm2?s.X射线的强度是由光子能量和它的数目两个因素决定的。连续X射线强度最大值在1.5短波限处。

二、X射线衍射分析—物理学基础（2）特征X射线：特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。这些谱线不随X射线光管的工作条件而变，只决定于阳极物质，强度随电压增加。钼靶材的X射线谱

二、X射线衍射分析—物理学基础特征X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极靶材的过程中，当入射的电子能量足够大时，原子的内层电子被击出变成自由电子，处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，外层电子将进入内层空位，释放X射线辐射。因此当靶材确定时，能极差也一定，故辐射的X射线能量的波长也是定值，这即特征X射线的产生机理。原子核高能电子入射自由电子K层电子L层电子特征X射线

二、X射线衍射分析—物理学基础当靶材原子的K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。由于电子回填机率的问题，常见的特征峰仅有Kα和Kβ两种。图中给出了Mo靶材的X射线谱。可以看到，当管电压较小时，入射电子轰击靶材表面，产生的时连续X射线谱。当管电压达到20千伏