射线晶体学1基础.pptx

X射线晶体学顾有松办公室：金物楼321电话：教材《X射线衍射技术及其应用》，姜伟海，杨传铮编著，华东理工大学出版社，2010年。《多晶材料X射线衍射——实验原理、方法与应用》，黄继武，李周编著，冶金工业出版社，2012年。课程安排序号课程内容教材1教材2课时1X射线物理学基础122X射线衍射几何学243X射线衍射强度理论324X射线衍射仪的操作145X射线衍射数据处理软件Jade2,326物相定性分析4447物相定量与结晶度分析55，648晶体结构识别与点阵常数的测定6749晶粒大小及微观应变-线形分析88410内应力测量与分析79211Rietveld全谱拟合精修10412多晶织构9213薄膜与超晶格10414纳米材料12415考试2第1章 X射线物理学基础X射线衍射分析简介X射线本质与波谱X射线本质X射线波谱X射线与物质相互作用X射线散射X射线真吸收X射线衰减规律X射线防护1. X射线衍射分析简介随着科学技术的进步，各类新型的物理测试方法日新月异，由此人们对物质结构的认 识不断加深，极大地促进了现代材料科学的发展。X射线衍射技术作为一种经典的测试 手段，近些年也有了较大的发展，仪器测量精度及功能均得到完善，应用范围逐年扩大，已 成为研究各类晶体和非晶体材料的有效方法之一。本章首先回顾X射线衍射分析的发展简史，重点介绍有关X射线的物理学基础，包括X射线的本质、X射线谱以及X射线与物质的相互作用。1.1 X射线衍射分析发展简史德国物理学家伦琴(Rontgen)于1895年在研究真空管中的高压放电现象时，偶然发 现了一种不可见射线，这种射线的穿透能力很强。因为当时对它完全不了解，故称之为X 射线。1912年劳厄(Laue)等首先发现了 X射线衍射现象，证实了 X射线的电磁波本质及晶 体原子的周期排列，并得出了以劳厄 方程，开创了 X射线衍射分析的新领域。布拉格（Bragg)认为衍射花样中各斑点是由晶体不同晶面反射所造成的，并和他父 亲一起利用所发明的电离室谱仪，探测人射X射线束经过晶体解理面的反射方向和强 度，证明上述设想是正确的，导出了著名的布拉格定律（方程），发展了 X射线晶体学。以劳厄 方程和布拉格定律为代表的X射线晶体衍射几何理论，不考虑X射线在晶体中多重衍射 与衍射束之间及衍射束与入射束之间的干涉作用，称为X射线运动学衍射理论。Ewald 根据Gibbs的倒易空间概念，于1913年提出了倒易点阵的概念，同时建立了 X射线衍射 的反射球构造方法，并在1921年又进行了完善，提出了Ewald作图法。目前，倒易点阵已广泛应用于X射线衍 射理论中，Ewald作图法可以用来解释各种衍射现象。Darwin也在1913年从事晶体反射X射线强度的研究，发现实际 晶体的反射强度远远高于理想完整晶体应有的反射强度。他根据多重衍射原理以及透射 束与衍射束之间能量传递等动力学关系，提出了完整晶体的初级消光理论，以及实际晶体 中存在微小取向彼此稍差的嵌镶结构模型和次级消光理论，推导出完整晶体反射的摆动 曲线和消光距离，开创了 X射线衍射动力学理论。1941年Borrmann发现了完整晶体中 的异常透射现象，20世纪60年代Kato提出了球面波衍射理论，Takagi给出了琦变晶体动力学衍射的普适方程。这些都是动力学衍射理论的重要发展。20世纪20年代，康普顿(Compton)等发现了 X射线非相干散射现象——称为隶普顿散 射。我国物理学家吴有训参加了大量实验工作,做出了卓越的贡献，故该项散射又称为康 普顿-吴有训散射。1939年Guinier和Hosemarm分别发展了X射线小角度散射理论。小角度散射就是在倒易点阵原点附近小区域内的漫散射效应，它只和分散在另一均匀物 质中尺度为几到几十纳米的散射中心的形状、大小和分布状态有关，和散射中心内部的结 构无关，因此是一种只反映置换无序而不反映位移无序的漫反射效应。1959年Kato和 Lang发现了 X射线的干涉现象，观察到干涉条纹。在此基础上，发展了 X射线波在完整 晶体中的干涉理论，可精确测定X射线波长、折射率、结构因数、消光距离及晶体点阵参数。照相机与衍射仪劳厄等人在1912年创用的劳厄法，利 用固定的单晶试样和准直的多色X射线束进行实验;Broglie于1913年首先应用的周转 晶体法，利用旋转或回摆单晶试样和准直单色X射线束进行实验；德拜（Debye)、谢乐 (Scherrer)和Hull在1916年首先使用粉末法，利用粉末多晶试样及准直单色X射线进 行实验。在照相技术上做出重要贡献的有Seemann聚焦相机、带弯晶单色器的Guinier 相机及Straumanis不对称装片法。1928年Geiger与Miiller首先应用盖革计数器制成衍 射仪，但效率均较低。现代衍射仪是在20世纪40年代中