绪论及X射线衍射分析
X射线荧光分析的基本原理
X射线荧光分析的基来源根基理之答禄夫天创作1. 绪论物质是由各种元素依照分歧的构成方式构成的。
各种元素的原子是由原子核和一定数目的核外电子构成。
分歧元素的原子，原子核中质子和中子的数量分歧，核外电子数也分歧，具有分歧的原子结构。
核外电子的能量也各不相同，这些能量分歧的原子按能量大小分层排列，离原子核最近的电子层称为K电子层，其外依次为L,M,N,O…层。
K层上的电子能量最低，由里向外，电子的能量逐渐升高。
原子在未接受足够的能量时，处于基态，即稳定状态，此时，K层最多容纳2个电子，L层最多容纳8个电子，M层最多容纳18个电子……。
当使用高能射线（如X射线）照射物质时，物质中的原子的内层电子被高能射线逐出原子之外，在内层电子层上即出现一个“空穴”。
具有较高能量的外层电子立即弥补这一“空穴”而发生跃迁。
发生跃迁的电子将多余的能量（两个电子层能量之差）释放出来。
释放出来的能量以电磁波的形式向四周发射，其波长恰好在X射线的波长范围内（0.001～10nm）。
为了与照射物质的X射线（初级X射线）相区别，将被照射物质发出的X射线（二次X射线）称为荧光X射线（荧光即光致发光之意）。
对于K层电子而言，L层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kα谱线，M层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kβ谱线，其他层的电子发生跃迁时的情况依此类推（如图1.1所示）。
利用被测物质发出的荧光X射线进行物质化学成分的定性分析或定量分析，称为X射线荧光光谱分析。
在形成的线系中，各谱线的相对强度是分歧的，这是由于跃迁几率分歧。
对K层电子而言,特定元素的荧光X射线Kα>Kβ,对于同一种元素而言，强谱线只有1-2条,特征谱线比较简单，易于分析，光谱干扰小。
2. X射线与固体之间的相互作用X射线照射在固体概况上，主要会发生吸收和散射两种效应。
固体物质可以吸收一部分射线，并可以使X射线在固体概况发生散射，使X射线的强度衰减。
材料测试分析技术(绪论+XRD)-05
物相定性分析：确定物质（材料）由哪些相组成 物相定量分析：确定各组成相的含量
（一）、物相定性分析 物相定性分析的基本原理
（1）任何一种物相都有其特征的衍射谱，任何 两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的 衍射峰是各物相的机械叠加。 （2）制备各种标准单相物质的衍射花样并使之 规范化（PDF卡片），将待分析物质(样品)的衍
2、X射线衍射仪法
X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装臵。
近年由于衍射仪与电子计算机的结合，使从操作、 测量到数据处理已大体上实现了自动化。这使衍 射仪在各主要领域中逐渐取代了照相法。
衍射仪测量具有方便、快速、准确等优点。
Rigaku D/max-RB型 X射线衍射仪
Rigaku D/max-2500/PC型 X射线衍射仪，
2、外标法
外标法是将待测样品中j相的某一衍射线条的强
度与纯物质j相的相同衍射线条强度进行直接比较，
即可求出待测样品中j相的相对含量。
外标法适合于两相系统
设有一由两相组成的混合物：
m m） 1 m） 2 （ （ 1 2 / I1 BC1 1 1 m 1 2 1 1/1 （I1 0 BC1 ） （ m） 1
1 m） （ I1 1 （I1 0 ） 1[ m） m）] m） （ （ 1 （ 2 2
I1 1 （I1 0 ）
若两相的质量吸收系数相等，则有
外标法定量分析的具体做法
先配制一系列已知含量的α、β混合物，如含α
相20%、40%、60%和80%的混合物。测定这些混合物
品的取向，后者保证衍射线进入检测器。
§5
X射线衍射分析的应用
X射线物相分析
晶胞参数的确定
《X射线衍射分析》课件
1
材料表征
通过分析衍射图样，确定材料的相组成、晶格参数、晶体质量等。
2
结构优化
利用衍射数据优化材料的晶体结构，改善性能和功能。
3
晶体生长
借助衍射技术控制晶体生长条件，获得高质量的晶体。
X射线衍射在材料分析中的应用
相组成分析
通过分析衍射图样，精确确定材 料的相组成和相比例。
晶格参数测量
通过测量衍射峰的位置和料没有明显破 坏，可以进行多次测试。
高分辨率
衍射图样具有高分辨能力， 获得材料微观结构的详细信 息。
样品要求严格
需要高纯度、晶体完整性好 的样品进行实验。
结论和要点
通过X射线衍射分析，我们可以获得材料的相组成、晶格参数、结构优化等关 键信息。然而，应该注意样品要求和实验条件的严格性。
3 多晶体的衍射
多晶体中的晶粒表现出颗粒性质，多晶体的衍射可获取材料的晶体结构信息。
X射线衍射实验装置
X射线发生器
产生高能X射线束的设备，通常采用X射线管。
X射线衍射仪
用于测量和记录X射线衍射图样的仪器，包括衍射样品台和探测器。
数据分析设备
用于解析和处理实验数据的计算机软件和算法。
X射线衍射技术应用
《X射线衍射分析》课件
欢迎来到《X射线衍射分析》课程。本课程将深入探讨X射线衍射的基本原理、 实验装置以及技术应用等内容，帮助您全面了解这一重要的分析技术。
X射线衍射基本原理
1 布拉格定律
揭示了X射线衍射的几何关系，指导了衍射图样的解析。
2 结晶体的衍射
X射线与晶体相互作用，形成衍射图样，揭示了晶体的结构信息。
残余应力分析
利用衍射峰的偏移和变形，对材 料内部应力进行定量评估。
最新材料结构表征重点知识总结
第一章，绪论材料研究的四大要素：材料的固有性质，材料的结构，材料的使用使用性能。
材料的固有性质大都取决于物质的电子结构，原子结构和化学键结构。
材料表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：质谱，色谱，红外光谱，核磁共振；2、材料结构的测定，X射线衍射，电子衍射，中子衍射；3、形貌观察：光学显微镜，电子显微镜，投射显微镜。
第二章，红外光谱及激光拉曼光谱2.1红外光谱的基本原理红外光谱的定义：当一束具有连续性波长的红外光照射物质时，该物质的分子就有吸收一定的波长红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和装动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁，通过仪器记录下来不同波长的透射率的变化曲线，就是该物质的红外吸收光谱。
中红外去波数范围（4000—400cm-1）简正振动自由度（3n-6或3n-5）及其特点：3n-6是分子振动自由度3n-5是直线分子的振动自由度特点：分子质点在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。
每个简谐振动代表一种振动方式，有它自己的特征频率简正振动的类型：1、伸缩振动2、弯曲振动分子吸收红外辐射必须满足的条件：主要振动过程中偶极矩的变化、振动能级跃迁几率2.2红外光谱与分子结构红外光谱分区：官能团去（4000-1330cm-1）指纹区（1330-400cm-1）基团特征频率定义：具有相同化学键或官能团的一系列化合物有共同的吸收频率，这种频率就叫基团特征频率影响因素，内部因素：诱导效应，共振效应，键应力的影响，氢键的影响，偶合效应，费米共振；外部因素：物态的变化的影响，折射率和粒度的影响，溶剂的影响诱导效应：在具有一定极性的共价键中，随着取代基的电负性不同而产生不同程度的静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变了键的常熟，使振动的频率发生改变，这就是诱导效应。
2.3红外光谱图的解析方法普带的三个特征：1位置：基因存在的最有用的特征；2形状：有关基因存在的一些信息；3相对强度：把红外光谱中一条普带的强度和另一条谱带相比，可以得出一个定量的概念影响谱图质量的因素：1仪器参数的影响；2环境的影响：空气湿度，样品污染等;3厚度的影响（要求10——50um）2.7激光拉曼光谱基本概念：拉曼散射：人射光照射在样品上，人射光子与样品之间发生碰撞有能量交换称为拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，散射光能量减少，在垂直方向测量到散射光中，可以检测到频率为（）的线，称为斯托克斯线。
第一章_X射线衍射分析
弹性碰撞，X射线只改变方向，不改变能量
返回上层
（2）非相干散射 又称非弹性散射、量子散射
又称为 康普顿散射 或 康普顿效应
康普顿效应首先于1922-1923年由美国物理学家 康普顿Compton观察到，并在随后的几年间，由 他的研究生吴有训进一步证实。康普顿因发现此 效应而获得1927年的诺贝尔物理学奖。
焦点形状由 阴极灯丝形状 和 金属聚焦罩形状 决定 。 一般情况：1×10mm长方形
X射线管窗口位置不同，所得焦点形状和面积不同：
与焦点短边垂直的方向上的窗口， 得表观面积1×1mm正方形点焦点， 适于拍摄粉末照片和劳厄照片 。
与焦点长边垂直的方向上的窗口， 得表观面积为0.1×10mm线焦点 ， 适于衍射仪的工作 。
现象：X射线被物质散射后，除波长不变的部分 外，还有波长变长的部分出现。
康普顿效应实验装置
• 产生原因：与束缚力弱的外层电子或自由电子碰撞
电子获得一部分动能 成为反冲电子;
Φ角度方向产生一个 新X射线光子
• 特点:散射波改变方向，能量变小
（频率变小亦即波长变长）
动量、能量守恒：
' h (1 cos )
压强单位：
帕斯卡 Pa 巴 bar 标准大气压 atm 毫米汞柱（托） mmHg（Torr）
换算关系：
1 atm = 1.01×105Pa = 760 mmHg （Torr）= 1. 01 bar
2. X射线的产生
X射线管的阳极接地，热阴极上加负高压，形成高
压电场。
220V AC → 高压变压器（初、次级）→ 整流 → 负高压
X射线衍射分析
X射线衍射分析X射线衍射分析是一种广泛应用于材料科学和固态物理领域的实验技术。
通过照射物质样品，利用X射线在晶体中的衍射现象，可以获得有关物质结构和晶体学信息的重要数据。
本文将介绍X射线衍射分析的原理、应用和发展。
一、X射线衍射分析原理X射线衍射分析的基本原理是X射线的衍射现象。
当X射线照射到晶体上时，晶体中的原子会对X射线产生散射，形成一种有规律的衍射图样。
这个衍射图样会显示出晶体的结构信息，包括晶体的晶格常数、晶胞形状和晶体的定向等。
X射线衍射实验一般使用Laue方法或布拉格方法。
Laue方法是在一束平行的X射线照射下，观察其经过晶体后的衍射图样，通过分析该图样可以得到晶体的结构信息。
布拉格方法则是通过将一束X射线通过晶体，利用布拉格方程进行衍射角度的计算，从而确定晶体的晶格常数和定向。
二、X射线衍射分析应用X射线衍射分析被广泛应用于材料科学和固态物理领域。
它可以用来研究晶体的结构和晶体学性质，例如晶格参数、晶胞参数和晶体定向。
此外，X射线衍射还可以用于材料的质量控制和表征、相变研究、晶体缺陷分析等。
在材料科学领域，X射线衍射分析常用于矿物学、金属学和半导体学的研究。
例如，在矿物学中，通过X射线衍射分析可以确定矿石中的不同晶型矿物的比例和结构信息。
在半导体学中，X射线衍射分析可以帮助研究晶体管的晶格结构和界面形态。
三、X射线衍射分析的发展X射线衍射分析作为一种实验技术，随着科学研究的深入不断发展。
在仪器设备方面，X射线源的进步使得可以获得更高分辨率的衍射图样；探测器的改进使得观测和数据分析更加准确和高效。
同时，随着计算机技术的发展，数据处理和分析的速度大大提高，使得研究人员可以更直观、更准确地分析X射线衍射图样。
此外，X射线衍射分析的理论研究也在不断深入，衍射峰的定性和定量分析方法得到了大量改进，使得X射线衍射分析在材料科学研究中的应用更加广泛。
总结：X射线衍射分析是一种重要的实验技术，在材料科学和固态物理领域具有广泛的应用价值。
《X射线衍射分析》课件
总结
X射线衍射实验的优缺点
概述X射线衍射实验的优点和局 限，以及可能的改进措施。
X射线衍射分析的发展趋势
讨论X射线衍射分析的未来趋势， 来自新技术和应用领域。对学习与研究的启示
总结X射线衍射分析对学习与研 究的重要性和价值，以及可能的 研究方向。
掌握X射线衍射实验的基本实现步骤，从样品 制备到衍射图谱的获取。
X射线衍射实验
X射线源
不同类型的X射线源及其在实验 中的应用。
单晶衍射实验
解释单晶衍射实验原理和步骤， 以及单晶衍射实验在材料研究 中的应用。
多晶衍射实验
介绍多晶衍射实验的原理和操 作，以及多晶材料的结构分析。
X射线衍射数据处理
衍射图解析
《X射线衍射分析》PPT 课件
X射线衍射分析课件是关于X射线衍射的详细介绍。包括X射线衍射概念、实验 原理和操作演示，以及数据处理和应用举例。让我们一起探索X射线衍射的奥 秘！
X射线衍射概念
1 X射线衍射实验原理
2 X射线衍射实现步骤
了解X射线衍射实验的基本原理，如光的波动 性和晶体结构的相互作用。
如何解析X射线衍射图，以确定晶体结构和晶格常数。
峰面指数的确定
讲解确定峰面指数的方法，以及它在晶体学中的重要性。
晶格常数的计算
介绍计算晶格常数的公式和步骤，为材料研究提供准确的结构信息。
实验操作演示
1
单晶衍射实验
展示单晶衍射实验的操作步骤，包括样
多晶衍射实验
2
品装载、X射线照射和衍射图的获取。
演示多晶衍射实验的操作流程，详细说
明多晶样品的制备和衍射数据的处理。
3
粉末衍射实验
进行粉末衍射实验的操作演示，包括样 品制备、测量和数据分析。
X射线衍射分析原理与应用
X射线衍射分析原理与应用首先，X射线是一种电磁辐射，具有波动性和粒子性。
在X射线的波长范围内，它的波长大致在0.1-10纳米，相当于能量在1-100千电子伏特之间。
当X射线射到物质上时，发生与物质中原子核和电子的相互作用。
在物质中，晶体结构是各种晶体成分的排列有序的方式，不同晶体材料的晶体结构具有不同的特点。
当X射线作用在晶体上时，会被晶体中的原子发生干涉现象。
由于X射线的波长与晶体排列的空间尺寸相当，因此干涉现象会发生，形成一系列衍射图样。
衍射图样中最重要的特征是衍射角和衍射强度。
通过测量衍射角可以获得物质的晶体学参数，包括晶格常数、晶胞结构和晶体的对称性等。
而衍射强度可以用来得到物质结构中原子的位置和原子的放置方式等。
X射线衍射分析广泛应用于材料科学研究领域。
其中最为重要的是在晶体学研究中的应用。
通过X射线衍射实验，可以确定物质的晶体结构，进而揭示其化学成分和晶体生长机制。
这对于材料学家来说非常重要，能够帮助他们设计和合成新的材料。
此外，X射线衍射分析还被广泛应用于材料表征和质量控制中。
通过测量物质中的衍射角和衍射强度，可以快速准确地分析出材料中的晶体结构、相对含量和晶体缺陷等信息。
这对于材料的制备和性能改善具有重要意义。
此外，X射线衍射分析还被广泛应用于材料的破坏性和非破坏性测试中。
通过X射线衍射分析，可以非破坏地确定材料中的晶体结构和组分，进而评估材料的性能和可靠性。
这对于材料的质量控制和产品的性能改善具有重要意义。
在生物医学领域，X射线衍射分析技术也得到了广泛应用。
通过X射线衍射分析，可以研究生物大分子的结构和功能，揭示其在生物过程中的作用机制。
这对于理解疾病的发生和发展，以及药物的设计和开发具有重要意义。
总之，X射线衍射分析是一种重要的材料分析方法，通过对物质对X 射线的衍射现象进行研究，可以获取物质的结构信息和组成成分。
它在材料科学领域具有广泛的应用价值，不仅可以揭示材料的晶体结构和组分，还可以用于材料表征和质量控制，甚至应用于生物医学领域。
X射线衍射分析
X射线衍射分析X射线衍射分析(X-ray Diffraction, XRD)是一种重要的材料分析技术，用于研究晶体的结构和性质。
它利用X射线的特征衍射现象，通过测量和分析样品对X射线的衍射图案，可以确定样品的晶胞、晶体结构、晶格常数等信息。
X射线衍射分析最早由德国物理学家Wilhelm Conrad Röntgen于1895年发现，并因此获得了1901年的诺贝尔物理学奖。
从那时起，X射线衍射分析在材料科学、物理学、化学等领域得到了广泛应用。
在X射线衍射实验中，样品首先被放置在样品支架上，然后被照射一束特定的X射线。
当X射线通过样品时，由于样品的晶体结构，它们将被散射成不同的角度。
探测器可以记录这些衍射角度和强度，并将其转换为衍射图谱。
通过分析衍射图谱，可以确定样品的晶体结构和晶胞参数。
这是因为每个晶体都有一组特定的晶胞参数，如晶格常数、晶体类别、晶胞形状等等。
根据衍射角度和衍射强度之间的关系，可以计算出这些晶胞参数。
除了确定晶体结构外，X射线衍射分析还可以用于确定晶体的物理性质，如晶格常数的变化、晶体的缺陷、晶体的应力情况等等。
通过对衍射图谱进行进一步的分析和计算，可以得到这些信息。
X射线衍射分析在材料科学中具有广泛的应用。
它可以用于研究各种不同类型的材料，如金属、陶瓷、液晶、聚合物等等。
通过确定晶体结构和物理性质，可以帮助科学家和工程师设计新的材料，改进现有材料的性能，解决材料失效问题等等。
总而言之，X射线衍射分析是一种重要的材料分析技术，通过测量和分析样品对X射线的衍射图案，可以确定样品的晶胞、晶体结构、晶格常数等信息。
它在材料科学、物理学、化学等领域具有广泛的应用，对于研究和开发新型材料具有重要意义。
材料分析方法第3版周玉出版社配套PPT课件第1章机械工业出版社
第十章 电子衍射
第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析
第十二章 高分辨透射电子显微术
第十ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ章 扫描电子显微镜
第十四章 电子背散射衍射分析技术
第十五章 电子探针显微分析
第十六章 其他显微分析方法
2
绪论
本课程的特点：以分析仪器和实验技术为基础
本课程的内容主要包括：X射线衍射仪、电子显微镜等分 析仪器的结构与工作原理、及与此相关的材料微观组织结 构和微区成分的分析方法原理及其应用
L、 M、N、顺序递增
16
第二节 X射线的产生及X射线谱
二、特征(标识)X射线谱 在莫塞莱定律 (1-6)式中，
K2
me 4
8 02h3c
1 n22
1 n12
R
1 n22
1 n12
其中R 称为里德伯常数，R = 1.0974107m-1；n1和n2是电子 跃迁前后壳层的主量子数，如 K 层 n =1，L 层n =2，M层 n =3等，…
X射线具有波粒二相性，因其波 长较短，其粒子性较为突出，即 可以把X射线看成是一束具有一 定能量的光量子流，
E = h = hc/
(1-2)
式中，h是普朗克常数；c是光速； 是X射线的频率， 是X射线的波长
7
第一节 X射线的性质
X射线穿过不同介质时，折射系数接近1，几乎不产生折射 现象
X射线肉眼不可见，但具有能使荧光物质发光、能使照相 底板感光、能使一些气体产生电离的现象
SWL= K /U
(1-5)
式中，K =1.24nmkV。而绝大部分电子到达阳极靶经多次碰
撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而产生大于SWL的不同
波长的X射线，构成连续谱 13
材料研究方法三X射线衍射分析PPT课件
结构分析时所采用的就是K系X射线。
.
20
eU=1/2mV2
λmin=hc/eU
.
21
三、X射线与物质的相互作用
➢1.透射。强度减弱，波长不变，方向基本不变； ➢2.吸收。①能量以其他能量形式释放，如光电效应、 俄歇(Auger)效应、荧光效应等。②吸收。类似LB定 律。 ➢3.散射。原子使X射线偏离原来方向。 ①波长不变相干散射-Thomson散射；②有能量交换，波长变长， 非相干散射-Compton散射。
.
13
本章主要内容
➢ 1. X 射线介绍 ➢ 2. X 射线与物质的作用 ➢ 3. X 射线衍射仪器 ➢ 4. X 射线衍射分析方法 ➢ 5. X 射线衍射应用
.
14
一、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。
穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不发
生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多
.
16
二、X-射线的产生
1.产生X-射线的方法：是使快速移动的电子(或 离子)骤然停止其运动，则电子的动能可部分转 变成X光能，即辐射出X-射线。
.
17
*X射线发生器的主要部件
➢ (1)阴极：钨灯，电流3-4A，加速电压5-8KV ➢ (2)阳极靶材：Cu/Mo/Ni等熔点高、导热性好的金属 ➢ (3)Be窗：d=0.2mm，可透过X射线。
X 射
铅 屏
底
线
晶体
第二章 X射线衍射分析原理
X 射线的本质
X射线粒子性： 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： ε＝hv=hc/λ p＝h/λ h为普朗克常数，为6.625×10-34J·s c 为光速，为2.998×108m/s
(0,0,1/2), (1/2,1/2,1/2)
根据宏观 对称性，有十
四种空间格子，
对应七种晶系
2. 晶面，晶面指数，面间距，晶向，晶带
晶面：不在一直线上的任意三个阵点所决定的平面为点阵平面
晶面指数：如某一不通过原点的平面在三个轴矢方向上的截距 为m（以a为单位），n（以b为单位）和p（以c为单位）。 令1/m : 1/n : 1/p = h : k : l
X射线衍射分析的用途
1. 2. 3. 4.
晶体结构研究； 物相分析； 精细结构研究； 单晶体取向及多晶织构的测定。
2.2 X射线物理学基础
一、X射线的产生与X射线管
在真空度达到~10-6mmHg的X射线管中，将钨 丝阴极通以几十mA的电流，受热发射出电子， 电子在几万伏高压下加速运动撞击在一定金属制 成的阳极靶上，由阳极产生X射线。
二、X 射线的本质
对X射线本质的争论，焦点集中在它是： 粒子流？电磁波？
二、X 射线的本质
对X射线波动性最完美的研究是德 国物理学家劳厄（Laue）。 1912年，劳厄是德国慕尼黑大学 非正式聘请的教授。一天著名物理学 家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他请 教关于光在晶体中散射的数学分析问 题。在讨论中劳厄想到了一个问题， 就问厄瓦耳，如波长比晶体中原子的 间距比小，会发生什么情形？厄瓦耳 说，他的公式应当包括这种情形，并 将公式抄了一份给劳厄。讨论时，劳 厄若有所思……
X射线衍射分析方法
识别并标定衍射峰，确定各峰对应的晶面 间距。
结构分析
结果解释与报告
根据衍射峰数据，进行物相鉴定、晶体结 构分析和晶格常数计算等。
对实验结果进行解释和讨论，撰写实验报 告，提供有关样品的物相组成、晶体结构 和结晶度等信息。
03 X射线衍射分析的应用实 例
晶体结构分析
晶体结构分析是X射线衍射分析的重 要应用之一，通过测量晶体对X射线 的衍射角度，可以推导出晶体的空间 结构。
高分子材料
通过X射线衍射分析可以研究高分子材料的结晶度和分子排列，有 助于高分子材料的设计和改性。
陶瓷和玻璃材料
X射线衍射分析用于研究陶瓷和玻璃材料的晶体结构和微观结构，有 助于陶瓷和玻璃材料的性能优化和应用拓展。
医学领域
药物研发
X射线衍射分析用于研究药物分子的晶体结构和构象，有助于新 药设计和开发。
深入线衍射分析可以研究固体表面的晶体结构和相变行为，
有助于表面工程和器件研发。
相变和相分离
03
X射线衍射分析可以用于研究物质在相变和相分离过程中的晶体
结构和变化规律，有助于材料科学和能源领域的发展。
材料科学领域
金属材料
X射线衍射分析用于研究金属材料的晶体结构和相组成，有助于优 化金属材料的性能和加工工艺。
微聚焦X射线技术
通过采用微聚焦X射线技术，可以将X射线聚焦到 微米甚至纳米级别，实现对微小样品的高精度分 析。
X射线光谱分析
结合X射线衍射和X射线吸收谱等技术，可以获取 样品的更多信息，为物质结构和性质的研究提供 更全面的数据。
X射线衍射分析的未来展望
智能化与自动化
随着人工智能和自动化技术的发 展，未来X射线衍射分析将更加智 能化和自动化，提高分析效率。
X射线衍射剖析
不对称装片优点
• 在不对称底片上，L是不需要测量的，可 以由德拜环的位置算出，它准确对应于 180度角，按照比例关系
• θ=90*l/L • 这样我们只要测出德拜环的位置就可以
算出l和L，就可以得出θ而无须测R，这 样避免了测量R带来的较大误差。
德拜照相
1.样品的制备和安装
X射线衍射
• X射线技术基础 • 德拜法鉴定物质 • 劳厄法单晶定向
X射线发现
• X射线的发现是起源于 对阴极射线的研究。
• 伦琴也对阴极射线感兴 趣，一个偶然事件吸引 了他的注意
• 发现了一种穿透能力很 强的射线——X射线 （伦琴射线）
• W.K.Rontgen(1845-1923)德国维 尔茨堡大学校长，是一个治学 严谨，造诣很深的实验物理学 家，由于发现X射线，第一个获 诺贝尔物理学奖(1901年)
概述
• 是一种穿透能力很强的射线 • 1912年劳厄等人（晶体衍射）确定是电磁波 • 波长范围 0.001---50nm
• 量子理论 ----由光子组成的粒子流 E=hv=hc/λ
X射线技术经百年的发展，不仅对其本质和性质有 了深入的了解，而且在科研，生产方面有着广泛的应用。 例如：在物理、化学、地质、生物、医学、天文、材料、 工程等。
由于这些晶面与入射线和衍射线皆成θ角，故其衍 射线是以入射线方向为轴，圆锥角为4 θ的圆锥面。
粉末样品的X射线衍射
a. 当满足 2dsinθ=λ
b. 小晶粒在样品中随 机排布，有各种可能 的晶面取向
c. 面间距d不同，θ也
不同
衍射圆锥的形成
德拜相机
德拜相机由带盖圆筒相盒、样品夹、夹片机构、 入射光阑（准直器）、出射光阑（吸收锥）、荧 光屏等部分组成。
第3章 x射线衍射分析
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平时一直帮他工作的伦琴 夫人感到他举止反常，以 为他有什么事情瞒着自己， 甚至产生了怀疑。六个星 期过去了，伦琴已经确认 这是一种新的射线。才告 诉自己的亲人。1895年12 月22日，他邀请夫人来到 实验室，用他夫人的手拍 下了第一张人手X射线照 片（如图）方式将这一发现公之于众。 题为《一种新射线（初步通信）》。 伦琴在一开始并没弄清楚X射线的本质。因为当时 电子还未发现，阴极射线的本质还没有搞清楚。因 此伦琴把这种新发现的射线取名为X射线。 在伦琴之前，就有人在研究阴极射线的过程中发现 了X射线，但没有得出正确的认识。而伦琴经过长 期磨炼，掌握了完美的实验艺术，摆脱了任何偏见， 在研究中一贯严谨自觉，才抓住机遇作出别人作不 出的新发现。正如法国微生物学家巴斯德的名言： “机遇偏爱有准备的头脑。”
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X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展 中最伟大成就之一
围绕X射线 发现、发展 和应用而进 行科研工作 的科学家获 诺贝尔奖的 就有近卅人 之多 1901年 伦琴(英) 获诺贝尔物理奖 1914年 劳埃(德) 获诺贝尔物理奖 1915年 布拉格父子(英)获诺贝尔物理奖 1936年 德拜(英/荷) 获诺贝尔化学奖 1962年 奥森等3人 获诺贝尔生物奖 1964年 霍奇金(英/埃) 获诺贝尔化学奖 1985年 豪普特曼等2人 获诺贝尔化学奖 …………
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最早的应用：1912年，英国物理学家布拉格父子首次 利用X射线衍射方法测定了NaCl晶体的结构，开创了X 射线晶体结构分析的历史[Noble prize(1915) ] 。
简 介
X射线在近代科学和工艺上的应用主要有以下三个方面： 1.X射线透视技术 2.X射线光谱技术 3.X射线衍射技术 X射线物相分析法：利用X射线通过晶体时会发生衍射 效应这一特性来确定结晶物质的物相的方法，称为~。 1924年，建立了该分析方法。 目前，X射线物相分析法作为鉴别物相的一种有效的手 段，已在地质、建材、土壤、冶金、石油、化工、高 分子物质、药物、纺织、食品等许多领域中得到了广 泛的应用。
图3-3 X射线管示意图
3.1 X射线物理学基础
3.1.3 X射线谱
定义：X射线谱指的 是X射线强度I随波长 λ变化的关系曲线。
X射线的强度大小决 定于单位时间内通过 与X射线传播方向垂 直的单位面积上的光 量子数。
图3-4 X射线谱
3.1 X射线物理学基础
3.1.3 X射线谱
实验表明，X射线管阳极靶发射出的X射线谱分为两 类：连续X射线谱和特征X射线谱
3 干涉面和干涉指数
为了应用上的方便，经常把布拉格方程中的n隐含在d中得到简化 的布拉格方程。为此，需要引入干涉面和干涉指数的概念。布拉 格方程可以改写为2dhklsinθ/n =λ,令dHKL＝dhkl/n 则 2 dHKLsinθ=λ 这样，就把n隐函在dHKL之中，布拉格方程变成为永远是一级反射 的形式。这也就是说，我们把（hkl）晶面的n级反射看成为与 （hkl）晶面平行、面间距为dHKL＝dhkl/n的晶面的一级反射。 面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的原子面，而是为了简化 布拉格方程所引入的反射面，我们把这样的反射面称之为干涉面。 把干涉面的面指数称为干涉指数，通常用HKL来表示。根据晶面 指数的定义可以得出干涉指数与晶面指数之间的关系为：H=nh； K=nk；L=nl。干涉指数与晶面指数之间的明显差别是干涉指数中 有公约数，而晶面指数只能是互质的整数。当干涉指数也互为质 数时，它就代表一族真实的晶面。所以说，干涉指数是晶面指数 的推广，是广义的晶面指数。
现代材料测试技术
杨中喜
E-mail: mse_yangzx@
主要内容
绪论 光学显微分析 X射线衍射分析技术 热分析技术 电子显微分析 红外光谱分析
第一章 绪论
材料科学发展概况 课程的目的和作用
主要参考书
1.1材料科学发展概况
众多新型材料的出现 如功能材料、梯度功 能材料、纳米材料、 复合材料等 材料设计 发展趋势： 新、高、精、尖
相干散射（经典散射） 非相干散射
二次特征辐射（荧光辐射）
X射线的衰减
3.1 X射线物理学基础
3.1.4 X射线与物质的相互作用
二次特征辐射：利用X 相干散射：散射波与入 射波的频率或波长相同， 射线光子激发作用而产 生新的特征谱线，称为-。 位相差恒定，在同一方 向上各散射波符合相干 （这是光谱分析的依据） 条件，故称为-。（这是 晶体衍射效应的根源） X射线的衰减：当X射线 非相干散射:散射线的波 穿过物质时，由于受到 长各不相同,相互之间不 散射，光电效应等的影 会发生干涉现象,故称为 响，强度会减弱，这种 -。 现象称为-。
简 介
——岛津XRD的市场份额
分析实验室
建筑 医药 化学、石油、高分子 食品、纤维、纸张 电子 陶瓷、水泥 机械、汽车 有色金属
钢铁工业
3.1 X射线物理学基础
3.1.1 X射线的本质
• X射线从本质上说，和无线电波、可见光、射线一样， 也是一种电磁波，其波长范围在0.01—100Å之间，介于 紫外线和射线之间，但没有明显的界限。
与可见光相比： 可见光 微波 Ｘ射线 本质上都是横向电磁辐射，有共同的理论基础 穿透能力强，一般条件下不能被反射，几乎完全不 １０ １０ １０ １０ １０ 发生折射——X射线的粒子性比可见光显著的多 波长（ｍ）
－１５ －１０ －５ ０ ５
γ 射线
UV
IR
无线电波
3.1 X射线物理学基础
3.1.2 X射线的产生
1.2课程的目的和作用
高性能材料的发展促使材料工作者去探求材料 组成、结构、生产工艺和性能之间的关系
组成
生产工艺
结构
性能
1.2课程的目的和作用
“现代材料测试技术”就是为研究材料内部的 物相组成和结构而设臵的一门专业技术基础课 材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一 定的测试方法和手段 每一个从事材料科学研究的科技工作者、生产 者都必须掌握和了解一定的材料测试方法方面 的知识
2 产生衍射的极限条件
在晶体中产生衍射的波长是有限度的。在电磁波的宽 阔波长范围里，只有在X射线波长范围内的电磁波才适 合探测晶体结构。这个结论可以从布拉格方程中得出。 由于sinθ不能大于1，因此， nλ/2d=sinθ＜1 ,即 nλ﹤2d,对衍射而言，n的最小值为1（n=0相当于透射 方向上的衍射线束，无法观测）。所以在任何可观测 的衍射角下，产生衍射的条件为λ﹤2d。 当X射线波长一定时，晶体中可能参加反射的晶面族也 是有限的，它们必须满足d﹥λ/2,即只有那些晶面间 距大于入射X射线波长一半的晶面才能发生衍射。我们 利用这个关系来判断一定条件下所能出现的衍射数目 的多少。
2.X射线的防护 (1)过量的X射线 对人体有害 (2)避免直接暴露 在X射线束照射中
3.2 X射线衍射原理
3.2.1 晶体对X射线的衍射及布拉格方程
实验：如果让一束连续X射线照射到一薄片晶体上，而在 晶体后面放一黑纸包着的照相底片来探测X射线，则将底 片显影定影以后，我们可看到除了连续的背景和透射光 束造成的斑点外，还可以发现有许多其它斑点存在。
1. X射线的产生条件 • 能够提供足够供衍射实验使用的X射线，目前都是以阴 极射线（即高速度的电子流轰击金属靶）的方式获得 的，所以要获得X射线必须具备如下四个条件： (1)产生自由电子的电子源，加热钨丝发射热电子 (2)设臵自由电子撞击的靶子，如阳极靶，用以产生X射线 (3)施加在阴极和阳极间的高电压，用以加速自由电子朝 阳极靶方向加速运动，如高压发生器。 (4)将阴阳极封闭在小于133.310-6Pa的高真空中，保持两 极纯洁，促使加速电子无阻挡地撞击到阳极靶上。
3.2 X射线衍射原理
3.2.1 晶体对X射线的衍射及布拉格方程
劳厄方程：可以决定衍射线方向，但 计算麻烦，很不方便， 布拉格方程：1912年英国物理学家布 拉格父子导出了一个决定衍射线方向 的形式简单、使用方便的公式
先考虑同一原子面上的光线1和1a ： =AD-BC=ABcos–ABcos=0 =EB+BF 因为 EB=BF=dsin 所以 =2dsin 2dsin=n 为布拉格角,n 为衍射级数。 当X射线的波长和衍射面选定以后，可能有的衍射级数n也就确定了, 它不是无限的。对于一定波长的X射线而言晶体中能产生衍射的晶面 数是有限的。
连续X射线谱的规律和特点： (1)当增加X射线管压时，各 波长射线的相对强度一致 增 高 ，最大 强 度波长 λm 和短波限λ0变小。 (2)当管压保持不变，增加 管流时，各种波长的X射 线相对强度一致增高， 但λm 和λ0 数值大小不变。
图3-5各种条件对连续X射线强度的影响示意图
(3)当改变阳极靶元素时， 各种波长的相对强度随 元素的原子序数的增加 而增加。
3.1 X射线物理学基础
3.1.4 X射线与物质的相互作用
质量吸收系数μm 很大程度上取决于物质的化学成分和 被吸收的X射线波长，实验表明，对所有物质：
μm∝λ3Z3
吸收限:发 生突变吸收 的波长λk 称为-。
3.1 X射线物理学基础
3.1.4 X射线与物质的相互作用
应用：利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特点， 可制作滤波片。
质点中心；a:结点间距 S0：入射方向； S1：衍射方向 0、 h分别为S0、S1与行列的交 角；波长：
由图可得相邻原子所射出的次生X射线在S1 方向上的行程差（）为：
=a(cosh-cos0)=h
= b(cosk-cos0)=k = c(cosl-cos0)=l
=AD-BC=ABcosh-ABcos0=a(cosh-cos0)
第三章 X射线衍射分析技术
简介 X射线物理学基础 X射线衍射原理 X射线衍射方法 X射线衍射仪 X射线物相分析
简 介
发现：1895年11月5日，德国物理学家伦琴在研究阴极 射线时发现了X射线[Noble prize(1901) ]。
确定：1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在 胆矾晶体中的衍射现象，一方面确认了X射线是一种电 磁波，另一方面又为X射线研究晶体材
图3-2
X射线产生示意图
X射线管是产生X射线的源泉，高压发生器 及其附加设备给X射线管提供稳定的光源， 并可根据需要灵活调整管压和管流。
3.1 X射线物理学基础
3.1.2 X射线的产生
2.X射线管
X射线管有多种不同的类型 目前小功率的都使用封闭式 电子X射线管， 大功率X射线机则使用旋转阳 极靶的X射线管
主要参考书
1、王富耻.材料现代分析测试方法.北京理工大学出版社， 2006 2、王晓春、张希艳、卢利平等 .材料现代分析与测试方 法.国防工业出版社，2010 3、物相分析.武汉工业大学出版社, 1994 4、王英华.X光衍射技术基础. 原子能出版社, 1993 5、邵国有.硅酸盐岩相学. 武汉工业大学出版社, 1991 6、常铁军,等.材料近代分析测试方法. 哈尔滨工业大学 出版社, 1999 7、孙业英.光学显微分析.清华大学出版社，2003
3.1.4 X射线与物质的相互作用
当X射线照射到物体上时，一部分光子由于和原子碰撞 而改变了前进的方向，造成散射线；另一部分光子可能 被原子吸收，产生光电效应；再有部分光子的能量可能 在与原子碰撞过程中传递给了原子，成为热振动能量。