X射线晶体学(第4章).ppt

第四章X射线实验方法各种各样实验技术的提出，起初都是想通过实验，利用X射线的衍射规律来测量物质的晶体结构或结构的变异。因此在实验中有一个共同的特点，就是力图使试样中有更多的原子面实现布拉格衍射，即希望有较多的晶面能符合布拉格衍射条件。由于物质中各族原子面之间的晶面间距d具有一定的值，并且一般是互不相同的，为了满足布拉格公式2dsinθ=nλ，d和λ二者中，如果其中的一个不变，那么，另一个必须是可以变化的，这样才能满足布拉格公式的需要，各种衍射技术都是根据这一道理设计的。1、θ固定，λ变化用一束连续X射线照射固定不动的单晶体，因为连续X射线包含各种波长的辐射，这就相当于λ在变化，而晶体不动，这就相当于θ固定不变，劳埃法就是这样的实验技术；2、λ固定,θ变化1）用单色X射线照射转动的单晶体，通过试样的转动来实现θ的变化，旋转晶体法就是根据这种原理设计的。2）用点光源发射出发散的单色X射线照射不动的单晶试样，利用发散的X射线使各晶面的θ在一个范围内变化，柯塞尔衍射技术就是按此设计的。3）用一束单色X射线照射由大量小晶体组成的试样，利用试样中晶粒取向的无规分布来实现θ的变化，包括衍射仪技术在内的各种多晶衍射技术就是依照这一原则发展而成的。§4-1多晶粉末照相技术多晶粉末照相技术，简称粉末法，是应用具有单一波长的单色X射线照射多晶体物质，并应用照相底板来记录衍射花样的一种实验方法。一、粉末法的特点1、辐射为单色X射线，通常采用的是总辐射中所含的强大的特征光谱成分；2、试样为用粘结剂粘结在一起的微小的晶体物理粉末或任何一种呈多晶分布的物质。二、粉末法的成象原理由于粉末法的试样是由数目极多的微小晶粒所组成，这些小晶粒的取向是完全任意无规的，即各个晶粒中指数相同的晶面在空间的取向分布是任意的。根据衍射矢量概念，这些指数相同的晶面的倒易矢量分布在倒易空间的各个方向，由于它们的面间距dHKL相同，所以这些倒易矢量的长度都相等。如果让各个晶粒（小晶体）所对应的倒易空间的倒易原点重合，则各个晶粒的同一HKL倒易结点均处于同一个球面上，这个球的球心位于倒易原点，半径为这个球称为反射球。不同的HKL倒易结点对应于不同的倒易球。但这些倒易球都是同心的，球心都位于倒易原点。每个倒易球和反射球相交的交迹为一个圆，根据厄瓦尔德图解法，凡是位于交圆上的倒易点所对应的那个晶粒的HKL晶面都符合衍射条件产生衍射，衍射线的方向是由反射球的球心到交圆的连线方向，形成数个以入射线为轴的共顶圆锥，锥顶角为4θ。这样的圆锥称为衍射圆锥。在摄取衍射花样时，由于底板安装位置不同而得到不同形状的衍射花样。三、粉末法的种类1、德拜-谢乐法德拜-谢乐法，简称德拜法，平时如不加申明时所说的粉末法，一般就是指的这种方法。右图为德拜法的实验布置图，底片安装在圆柱形筒的内壁上，试样安装在圆筒的中心轴上。在摄照过程中，试样在微电机带动下旋转，目的是为了增加参与衍射的晶面数，从而得到较强和连续的衍射花样。德拜法的衍射几何如图所示。德拜法的底片为长条状，同一衍射圆锥被底片所截部分为一对圆弧，称为衍射环和衍射线。一对衍射环间的距离为：2L=4Rθ2、聚焦法右图为聚焦法的一种-塞曼聚焦法，相机呈圆形状，凹向弧形表面的试样、狭缝光阑和条状底板均位于同一圆周上。发射的入射线自狭缝射到试样上，任一晶粒的HKL晶面符合条件产生衍射，若入射线和衍射线的夹角为π-2θ，则其它各晶粒的同一HKL反射线与入射线夹角都为π-2θ，会聚成一条线段。且l0+l=2(π-2θ)R3、针孔法针孔法的实验布置如图所示，平板状底片垂直入射线安置，当试样处于光源和底片之间时为透射针孔法，当按光源、底片、试样顺序安装时为背射针孔法。衍射花样是一组同心圆，圆的直径与衍射角的关系为：透射时L=Dtg2θ背射时L′=D′tg(180°-2θ)四、粉末衍射花样的特征1、衍射线明锐细窄、均匀连续分布，这时试样粉末粒度在10～1μm范围，且没有应力。2、衍射线呈点状分布，这是由于晶粒粗大造成的，当试样粉末粒度大于45μm时，衍射线明显呈点状分布。3、衍射线黑度不连续分布，明显集中在几个区段，这是由于晶粒发生择优取向，具有织构的结果。4、衍射线宽化，这是因为试样粒度过细，如小于0.1μm时，线条明显宽化；当晶格发生畸变，晶面发生弯曲、歪扭，即存在第二类