现代材料分析-X射线衍射介绍PPT课件.pptVIP

第五章 X射线衍射 5.1 X射线的物理基础5.1.1 X射线的性质 X射线是一种电磁波，具有波粒二象性。 X射线的波长：0.001～10nm（用于衍射分析的X射线波长为0.05~0.25nm)。 波动性的表现—以一定的频率和波长在空间传播。 微粒性的表现—以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。 5.1.2 X射线的产生 产生条件 ① 产生自由电子（如加热钨丝发射热电子） ② 加速电子使其高速定向运动（在阴极、阳极间施加高压） ③在电子运动路径上设置障碍物（阳极靶）使其减速 X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（10-5~10-7mmHg）二极管。 基本组成包括： 1)阴极：阴极是发射电子的地方。 产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。 2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。 阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。 3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。 5.1.3 X射线谱 （1）连续X射线 具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。 产生机理 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞 碰撞一次产生一个能量为hv的光子 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，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为电子电荷，e=1.662 1892×10-19C； V为电子通过两极时的电压降V。 X射线的强度 X射线的强度是指垂直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I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的，即I=nhv。连续X射线强度最大值在1.5λ0，而不在λ0处。 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 （2）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。 5.1.5 X射线与物质的作用 X射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射； 非相干散射。 相干散射 物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。 经过散射后，这些很弱的能量并不散射在各个方向，而是集中在某些方向上，于是可以得到一定的花样，从这些花样中可以推测原子的位置，这就是晶体衍射效应的根源。 非相干散射 当X射线光量子冲击束缚力较小的电子或自由电子时，产生一种反冲电子，而入射X射线光子自身则偏离入射方向。散射X射线光子的能量因部分转化为反冲电子的动能而降低，波长增大。这种散射由于各个光量子能量减小的程度各不相等，即散射线的波长各不相同，因此，相互之间不会发生干涉现象，故称为非相干散射。 非相干散射分布在各个方向，强度一般很低，但无法避免，在衍射图上成为连续的背底，对衍射工作带来不利影响。 晶体的定义：由原子、分子或离子等微粒在空间按一定规律、周期性重复排列所构成的固体物质。 关于Bragg方程的讨论 (1)　X射线衍射与可见光反射的差异 (a)可见光在任意入射角方向均能产生反射，而X射线则只能在有限的布拉格角方向才产生反射。 (b)可见光的反射只是物体表面上的光学现象，而衍射则是一定厚度内许多间距相同晶面共同作用的结果。 (2)产生衍射的极限条件： 对于衍射而言，n的最小值为1，所以在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：λ＜2d。 又因为 若n=1。所以要产生衍射，必须有 d λ /2 X衍射分析的下限 (3)布拉格方程是X射线在晶体产生衍射的必要条件而非充分条件 有些情况下晶体虽然满足布拉格方程，但不一定出现衍射线，即所谓系统消光。 5.3 样品制备及实验方法 衍射仪法 （a）测角仪 由光源臂、检测器臂、试样台和狭缝系统组成。 θ-θ型测角仪：试样保持不动，光源和检测器以相同的同步转动，使X射线的入射角始终等于衍射角。 θ-2θ型测角仪：光源保持不动，检测器的转动速度是试样转动速度的2倍，使检测器的角度读数始终是X射线的入射角读数的2倍。 垂直式测角仪一般采用θ-θ模式，水平式测角仪往往采用θ-2θ模式。 （b）探测器 1）正比计数器 X射线使气体电离，从而能使气体导电，电离电流与X射线强度成正比