材料分析教学课件-Lecture 1.pptVIP

晶体X射线衍射学基础 黄宝旭 Huangbaoxu@lcu.edu.cn 聊城大学材料科学与工程学院 章节结构 1.1　X射线 1.2　X射线与物质的作用 1.3　X射线衍射技术的发现 1.4　晶体学基础 1.5　倒易点阵 1.6　 X射线衍射的几何原理 1.7　 X射线衍射束的强度 1.8　 X射线衍射分析方法 如何理解对材料的表征过程？ 三个问题 X射线衍射就是用来表征材料结构的一种方法 金刚石 石墨 1.1　X射线 1.1.1　发现 1.1.2　性质 1.1.3　产生 1895年11月8日，星期五，德国科学家伦琴发现并开始了对X射线的研究。 1895年12月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在 維爾茨堡Physical-Medical Society 杂志上。为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴自己坚决反对，但是这一名称仍然有人使用。 伦琴发现X射线后仅仅几个月时间内，它就被应用于 医学影像。1896年2月，苏格兰医生约翰·麦金泰尔在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。 1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。 1.1.2 X射线的性质 一种电磁波，波长0.01-10 nm，具有穿透性 0.5nm----软X射线。0.1nm----硬X射线。 硬X射线与γ射线范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长：X射线光子产生于高能电子加速，γ则来源于原子核衰变。 用于衍射分析的波长范围为：0.31-0.059 nm 波长太长容易被空气吸收。 波长太短，得到的谱图太密（Condensed），不容易分析。 1.1.3　X射线的产生 X射线谱 连续谱 轫致辐射 　又称刹车辐射或制动辐射（braking radiation），原指高速运动的电子骤然减速时发出的辐射，后来泛指带电粒子与原子或原子核发生碰撞时突然减速发出的辐射。 　轫致辐射的强度与靶核电荷的平方成正比，与带电粒子质量的平方成反比。 电子碰撞－－－损失能量－－－以X射线形式放出光子 不同电子的碰撞次数是不同的，所以X射线波长是连续的。 但有一最小波长。 标识谱 是不是一定会产生标识X射线。 产生标识X射线的条件。 轰击出内层电子。 加速电压有要求。 连续与标识谱的区别 1.2　X射线与物质的作用 1.3　X射线衍射技术的发现 1914年诺贝尔物理学奖 冯·劳厄最著名的研究是发现了晶体中的X射线衍射现象，借此不仅证明了X射线的波特性，也证明了晶体的晶格结构。凭借这一研究成果，冯·劳厄获得了1914年的诺贝尔物理学奖。 冯·劳厄的这一发现源自于他对光波通过周期性结晶颗粒问题的讨论，他得出一个想法，电磁射线的波长越短，正如X射线所呈现的那样，会在某种介质中引起衍射或者干涉现象，而晶体则正是这样一种介质。 他的同事Sommerfeld的助手W. Friedrich与P. Knipping对此进行了实验，在经历了几次失败后，终于成功证明了这一想法的正确性。 1915年诺贝尔物理学奖 布拉格定律 1913年，W.L.Bragg父子即对这些劳埃斑点进行了深入的研究，证明劳埃衍射花样中的各个斑点可以认为是由晶体中原子较密集的一些晶面反射而得出的，由此得出著名的 布拉格公式：nλ=2d sinθ （λ=波长 θ=入射角 d=晶面间距）。 X射线衍射分析的基础 劳伦斯·布拉格最著名的成就是对X射线衍射的研究，以及据此提出的布拉格定律。 这个定律是1912年劳伦斯·布拉格研究生第一年时发现的。 父子两人对X射线衍射的研究为后来DNA双螺旋结构的发现奠定了基础。 当X射线照射到晶体上时，每个原子可以作为散射中心。这些散射中心受近振动而向四周辐射相干散射波。 这些波具有相同的波长，但方向不同。所以，在有些方向上会出现相长干涉，称这种干涉现象为衍射。 运动学衍射理论的几个假设 仅为一次散射，无多重散射。 由于散射波的振幅很小，所以忽略入射波与散射波之间的干涉作用。 不考虑折射效应。 散射 当传播中的辐射，像光波、音波、电磁波、或粒子，在通过局部性的位势时，由于受到位势的作用，必须改变其直线轨迹，这物理过程，称为散射。 位势：散射体或散射中心。局部性位势各式各样的种类，无法尽列；例如，粒子、气泡、液珠、液体密度涨落、晶体缺陷、粗糙表面等等。 衍射 衍射（diffraction）：波在传播时， 若被一个大小接近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体，继续进行。 若通过一个大小近于或小于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前传播。 衍射现象可以用惠更斯原理解释。 我们所研究的是射线被晶体衍射，它是散射的一种特殊表现。 由于晶体中原子周期性分布