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X射线衍射分析（XRD） 分析测试中心 孙红娟 sunhongjuan@swust.edu.cn * 引言 问 题 科研、生产、商业和日常活动中，我们经常遇到：这是一种什么物质？含有那些杂质或有害物质？用什么方法鉴定？ X射线衍射分析（XRD）的原理？仪器？样品？ XRD除物相分析还能做些什么？ 如何从XRD所给出的数据中提取更多的信息？包括成分、结构、形成方式（条件）、结晶度、晶粒度？等等。 主要内容 1 引言 2 X-射线衍射分析原理 3 X-射线衍射分析应用 4 小角X射线散射 5 思考题 1 引言 1.1 X 射线的发现 1895年伦琴（W.C. Roentgen）研究阴极射线管时，发现阴极管能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”，故称之为X射线。 1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文，发表在英国的《Nature》杂志上。 这一伟大发现很快在医学上获得了应用——X射线透视技术。 1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。 与X射线及晶体衍射有关诺贝尔奖获得者 1.2 X-射线的性质 ① 肉眼不能观察到，但可使照相底片感光、荧光板发光和使气体电离； ② 能透过可见光不能透过的物体； ③ 这种射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转，在通过物体时不发生反射、折射现象，通过普通光栅亦不引起衍射； ④ 这种射线对生物有很厉害的生理作用。 （1）X射线的波动性 X射线的本质是一种电磁波，它具有波粒二象性。即它既具波动性，又具有粒子性。 X射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播。X射线的波长范围为0.01～100?，介于γ射线和紫外线之间。 （2）X射线的粒子性 X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定的能量和动量。能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关系如下： 能量： 动量： h为普朗克常数，为6.625×10-34J·s，c为光速，为 2.998×108m/s 按照现代物理学理论，X射线具有波动性和粒子性，即为不连续的“量子流”。这种量子性质在X射线与物质相互作用（如吸收、散射）时可以表现出来。X射线的波长愈短（即频率愈高），能量愈大。 1.3 X射线的产生及X射线管 X射线的产生有多种方式，目前最常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的，有些特殊的研究工作也用同步幅射X射线源。 X射线管 1.4 X射线谱 X射线管产生X射线的特点：当高速电子束轰击金属靶时会产生两种不同的X射线。一种是连续X射线，另一种是特征X射线。它们的性质不同、产生的机理不同，用途也不同。 X射线衍射分析利用的是特征X射线；而X射线荧光光谱分析利用的是连续X射线。 1.4.1 连续X射线（白色X射线） 正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，从X射线管中发出的X射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X射线。这些波长构成连续的光谱，且是从某一最小值开始的一系列连续波长的幅射。它与可见光中的白光相似，故称白色X射线或称连续X射线。 连续X射线产生机理 连续X射线光谱(或称白色X射线)是由于快速移动的电子在靶面突然停止而产生的。每一个电子，由于突然停下来的结果，它把它的动能的一部分变为热能，一部分变为一个或几个X射线量子。由于电子的动能转变为X射线能量的有多有少，所放出的X射线的频率有所不同。因此，由此产生的X射线谱是连续的，但是有一个最短波长的极限，这相当于某些电子把其全部的能量转变为X射线能量时，频率最大的情况。 连续X射线产生机理 在极限情况下，若电子将其能量完全转换为一个光子的能量，则此光子能量最大、波长最短、频率最高，因此连续谱有一个下限波长λmin。 λmin与X射线管工作电压关系可由下式推导。 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=X射线光子能量 即 所以 连续谱线中最短波长与X射线管的电压有关。 连续谱线应用不广，只有劳埃法才用它。在其他方法中它只能造成不希望有的背景。 连续X射线的总强度 连续X射线的总强度取决于电压、电流、阳极靶原子序数 实验证明，连续X射线的总强度与管电流i、管电压V、阳极靶的原子序数Z存在如下关系： 管电流、管电压、阳极靶的原子序数对连续谱的影响 1.4.2 特征X射线（标识X射线） 从图可见，当电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了两个尖锐的峰Kα和Kβ。随着电压的增大，其强度进一步增强