第四章X射线衍射与散射预案.ppt

材料现代研究方法 朱诚身 第四章：X射线衍射与散射 X射线衍射法概述 X射线分析法原理 广角X射线衍射法 多晶X射线衍射在高聚物中的应用 小角X射线散射法 X射线法应用 第一节 X射线衍射法概述 1895年，W．K．Rontgen（1845—1923）发现了X-Ray。1906年，英国物理学家巴克拉（1874—1944）确定了不同金属都有自己特征的X-Ray。1912年，Max r.laue（劳厄）发现X-Ray在晶体中的干涉现象。1913年提出布拉格（Bragg）方程，用于晶体结构分析。不久在20年代即开始应用于聚合物的结构测定，最大分子确立的基础之一。 二． X射线的性质 1 ．波长范围：0.001~10nm，对高分子有用的是0.05~0.25nm，最有用的是CuKα线，入=0.1542nm，与聚合物微晶单胞0.2~2nm相当。 2 . X-Ray的产生 X-射线管效率： E=1.1×10-9 Z V 上面的“E”—效率，“Z”—原子序数，“V” —电压。 电能的0.2%转变为X-Ray，绝大部分变成热，帮阳极靶须导 热良好，同时水冷。 3 ．连续X-Ray和特征X-Ray （1）连续（白色）X-Ray：由于极大数量的电子射到阳极时穿透阳极物质深浅程度不同，动能降低多少不一，产生各种波长的X-Ray。 （2）特征X．Ray：由靶的原子序数决定。当高速电子流冲击在阳极物质上，把其内层电子击出，此时原子总能量升高，原子外层电子跃入内层填补空位，由于位能下降而发射出X．Ray。K层产生空位后，L层迁入几率最大，产生的X．Ray称为Kα；因L层有三个不同能量级，由量子力学选择定则有两个能量级电子允许迁入K层，故Kα由Kα1和Kα2组成，Kα1 =2Kα2，Kα1 =Kα2-0.004nm；当分辨率低时两者分不开，则： 由M层跃入K层的为Kβ线，因太弱常被忽视。 4 ． X-Ray的吸收 5、X射线荧光：当X-Ray具有足够能量可将样品中K电子击出而产生X-Ray。 6、X-Ray的滤波：选择滤波材料的吸收限刚好在靶材料特征X-RayKα和Kβ辐射波长之间（一般比靶材料元素的原子序数少1或2），可将Kβ滤掉，而Kα损失很少，基本上的单色Kα线。 7、X-Ray的完全防护：衍射用X-Ray比医用的波长更长，易被吸收的危害健康，应注意防护。 第二节：X射线分析法原理 一． WAXD基本原理及高聚物衍射特点 2 ．高聚物衍射的特点：polymer获得的信息远比低分子物质少。原因有四： （1）难得到0.1mm以上的单晶，难得到三维衍射数据； （2）随θ增加，衍射斑点增宽，强度迅速下降； （3）随微晶趋向不完善性增加，县委涂上衍射斑点逐渐变成一个弧； （4）独立反射点数有限（40~100，多者200）。小分子单晶多于1000。故 polymerX-Ray分析多采用尝试法。 二． Bragg方程的讨论 1.产生衍射的条件 衍射只产生在波的波长和散射中间距为同一数量级或更小的时候，因为 nλ/2dˊ=sinθ1 所以。nλ必须小于2dˊ。由于产生衍射时的n的最小值为1，故λ2dˊ大部分金属的dˊ为0.2～0.3nm，所以X射线的波长也是在这样的范围为宜，当λ太小时，衍射角（angle of diffraction）变得非常小，甚至于很难用普通手段测定。 2. 反射级数与干涉指数--布拉格方程nλ=2dˊsinθ表示面间距为dˊ的（hkl）晶面上产生了几级衍射，但衍射线出来之后，我们关心是光斑的位置而不是级数，级数也难以判别，故我们可以把布拉格方程改写成下面的形式 2（dˊ/n）sinθ=λ 这是面间距为1/n的实际上存在或不存在的假想晶面的一级反射。将这个晶面叫干涉面，其面指数叫干涉指数，一般用HKL表示根据晶面指数的定义可以得出干涉指数与晶面指数之间的关系为：H=nh，K=nk，L=nl。 干涉指数与晶面指数的明显差别是干涉指数中有公约数，而晶面指数只能是互质的整数，当干涉指数也互为质数时，它就代表一族真实的晶面，所以干涉指数是广义的晶面指数。习惯上经常将HKL混为hkl来讨论问题。我们设d=dˊ/n，布拉格方程