XRD分析方法(参考课件)
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《XRD物相定量分析》课件
实验样品的制备
样品的选取：选择具有代表性的样品 样品的预处理：清洗、干燥、研磨等 样品的装样：将样品装入样品盒中 样品的测试：使用XRD仪器进行测试
XRD实验参数的选择和设置
实验参数：包括X射线源、样品、探测器 等
探测器：选择合适的探测器，如CCD、 IP等
X射线源：选择合适的X射线源，如 CuKα、MoKα等
建议：加强XRD技术的研发和应用推广，提高其在科学研究和工业生产中的应用价值
THANKS
汇报人：PPT
02 X R D 物 相 定 量 分 析 概 述 04 X R D 物 相 定 量 分 析 的 数 学 模
型
06 X R D 物 相 定 量 分 析 的 未 来 发展与展望
Part One
单击添加章节标题
Part Two
XRD物相定量分析 概述
XRD物相定量分析的定义和意义
XRD物相定量分析： 通过X射线衍射技 术对样品中的物相 进行定量分析的方 法
数据处理结果：物相组成、晶粒尺寸、晶格常数等 数据处理注意事项：避免数据丢失、保证数据准确性、注
意数据保密性
Part Four
XRD物相定量分析 的数学模型
衍射强度的计算公式
布拉格公
式
：
nλ=2dsi
nθ
衍射强度 公式： I=|f(θ)|^ 2
结构因子： f(θ)=Σh( hkl)e^(2πi(hkl)s inθ)
实验条件：选择合适的实验条件，如温 度、压力、湿度等
样品：选择合适的样品，如粉末、薄膜 等
数据处理：选择合适的数据处理方法， 如峰形拟合、峰面积计算等
XRD实验数据的收集和处理
实验设备：X射线衍射仪 实验步骤：样品制备、数据采集、数据处理
XRD介绍解析PPT课件
XRD
X-ray diffraction
Made by Zhaojun
主要问题 • 什么是XRD • 为什么要做XRD • XRD的结果能说明什么问题
2
Background of XRD
Röntgen or Roentgen ray (X ray)
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究 真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸 钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的 细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真 空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解， 故称之为x射线。后来也称伦琴射线。
发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种电磁波，于是想通过光栅来观察 它的衍射现象，但实验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短，只 有一埃（1Å）。 1912年德国物理学家劳厄想到了晶体，它和x光的波长相近，是天然的光栅， 去找普朗克老师，但没得到支持，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终 于做出了X射线的衍射实验。
• 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 • 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。
特征X射线谱
• 当管电压超过某临界值时，特征谱 •
才会出现，该临界电压称激发电压。 当管电压增加时，连续谱和特征谱 强度都增加，而特征谱对应的波长 保持不变。 • 钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位 于一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。 • 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å和 0.71Å处，后者的强度约为前者强 度的五倍。这两条谱线称钼的K系
特征X射线的产生机理
• 处于激发状态的原子有自发 回到稳定状态的倾向，此时 外层电子将填充内层空位， 相应伴随着原子能量的降低 。原子从高能态变成低能态 时，多出的能量以X射线形 式辐射出来。因物质一定， 原子结构一定，两特定能级 间的能量差一定，故辐射出 的特征X射波长一定。
X-ray diffraction
Made by Zhaojun
主要问题 • 什么是XRD • 为什么要做XRD • XRD的结果能说明什么问题
2
Background of XRD
Röntgen or Roentgen ray (X ray)
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究 真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸 钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的 细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真 空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解， 故称之为x射线。后来也称伦琴射线。
发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种电磁波，于是想通过光栅来观察 它的衍射现象，但实验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短，只 有一埃（1Å）。 1912年德国物理学家劳厄想到了晶体，它和x光的波长相近，是天然的光栅， 去找普朗克老师，但没得到支持，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终 于做出了X射线的衍射实验。
• 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 • 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压。
特征X射线谱
• 当管电压超过某临界值时，特征谱 •
才会出现，该临界电压称激发电压。 当管电压增加时，连续谱和特征谱 强度都增加，而特征谱对应的波长 保持不变。 • 钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位 于一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。 • 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å和 0.71Å处，后者的强度约为前者强 度的五倍。这两条谱线称钼的K系
特征X射线的产生机理
• 处于激发状态的原子有自发 回到稳定状态的倾向，此时 外层电子将填充内层空位， 相应伴随着原子能量的降低 。原子从高能态变成低能态 时，多出的能量以X射线形 式辐射出来。因物质一定， 原子结构一定，两特定能级 间的能量差一定，故辐射出 的特征X射波长一定。
XRD数据分析 全面详细(精品课件)
《材料现代测试技术》作业-XRD分析 非H、O 成分： Na Zr Si Sr S
精品 PPT 模板
作业步骤
1)用orgin绘图工具将图绘出，并正确标出面网间距值(精确到小 数点后四位)；
2)基于粉末晶体X射线衍射数据库PDF2，利用Search Match等检 索工具正确分析数据中所含的两种主要物相，给出物相定性分析 结果；
•
16、业余生活要有意义，不要越轨。2020年10月16日星期 五3时3分46秒15:03:4616 October 2020
•
17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。下 午3时3分46秒 下午3时 3分15:03:4620.10.16
谢谢大家
结果：
4.2修晶胞参数
精品 PPT 模板
结果：
4.3修微结构
精品 PPT 模板
4.4修原子位子
精品 PPT 模板
两种物相每个原子都要改
4.5修择优取向
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• Sr(SO4) , weight %: 60.28361 +- 0.43405727
精品 PPT 模板
点击Search Match 进行分析
进行峰对比：
进行第二种物相分析
同样进行峰对比
初步确定物相为： Sr（SO4）ICSD Number: 028055 Na2Zr(Si3O9)(H2O)2 ICSD Number: 040874
精品 PPT 模板
三、从findit软件中找到相应的cif 文件
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输入第一种物相的含有的元素Sr、S、O
Sr（SO4）的球棒模型为：
同样Na2Zr(Si3O9)(H2O)2 的球棒模型为：
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作业步骤
1)用orgin绘图工具将图绘出，并正确标出面网间距值(精确到小 数点后四位)；
2)基于粉末晶体X射线衍射数据库PDF2，利用Search Match等检 索工具正确分析数据中所含的两种主要物相，给出物相定性分析 结果；
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16、业余生活要有意义，不要越轨。2020年10月16日星期 五3时3分46秒15:03:4616 October 2020
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17、一个人即使已登上顶峰，也仍要 自强不 息。下 午3时3分46秒 下午3时 3分15:03:4620.10.16
谢谢大家
结果：
4.2修晶胞参数
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结果：
4.3修微结构
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4.4修原子位子
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两种物相每个原子都要改
4.5修择优取向
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• Sr(SO4) , weight %: 60.28361 +- 0.43405727
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点击Search Match 进行分析
进行峰对比：
进行第二种物相分析
同样进行峰对比
初步确定物相为： Sr（SO4）ICSD Number: 028055 Na2Zr(Si3O9)(H2O)2 ICSD Number: 040874
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三、从findit软件中找到相应的cif 文件
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输入第一种物相的含有的元素Sr、S、O
Sr（SO4）的球棒模型为：
同样Na2Zr(Si3O9)(H2O)2 的球棒模型为：
XRD的原理、方法及应用 ppt课件
汇报内容
材料表征概述 XRD的原理 XRD的实施方法 XRD的应用
XRD的原理
• X射线是一种波长很短（约为20~0.06埃），介于紫 外线和伽马射线之间的电磁辐射。由德国物理学家 W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。X射线 ，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、 照相胶乳感光、气体电离。
XRD的原理
• 布拉格公式： 2dsinθ=nλ
式中： λ，X射线波长； n，衍射级数； d，晶面间距； θ，衍射半角
汇报内容
材料表征概述 XRD的原理 XRD的实施方法 XRD的应用
XRD的实施方法
• 样品制备
• 准备衍射仪用的样品试片一般包括两个步骤： • 1.需把样品研磨成适合衍射实验用的粉末； • 2.把样品粉末制成有一个十分平整平面的试片。
材料表征概述
• 以纳米粉体材料为例，常用的表征手法如下图所示 ：
材料表征概述
• XRD即X-Ray Diffraction（X射线衍射）的缩写。通 过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得 材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等 信息的研究手段。
X射线衍射仪
材料表征概述
• 1. 1895年，德国，伦琴，发现，医疗，第一个诺贝 尔物理奖；
样品中晶体学取向与样品外坐 标系的位向关系。一般用劳厄 法单晶定向，其根据是底片上 劳埃斑点转换的极射赤面投影 与样品外坐标轴的极射赤面投 影之间的位置关系。（透射/ 背射）
X射线单晶衍射仪
XRD的应用
• 多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织 构，常见的织构有丝织构和板织构两种类型。
• 为反映织构的概貌和确定织构指数，有三种方法描 述织构：极图、反极图和三维取向函数。
XRD技术介绍PPT课件
一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分： 一部分被吸收；一部分透过物质继续沿原来的方向 传播；还有一部分被散射。
X射线的产生及与物质的相互作用
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。
在劳厄等发现X衍射不久，W.L.布拉格(Bragg )父子对劳厄花 样进行了深入的研究，提出花样中的各个斑点可认为是由晶体中 原子较密集的一些晶面反射而得出的，并导出了著名的布拉格定 律。
1913年英国布拉格父子（W.H .bragg .WL Bragg)建立了一个公 式--布喇格公式。不但能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的 研究。
X射线的吸收
物质对X射线的吸收指的是X射线能量在 通过物质时转变为其它形式的能量，X射 线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收 主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。 这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇 效应。
光电效应
• 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。 被击出的电子称为光电子，辐射出的次级 标识X射线称为荧光X射线。
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Байду номын сангаас电压有关，不受其它因素的影响。
• 相互关系为：
• 式中：ee为V电子h电ma荷x ，he=0c1.662 18920×110V.-2149C；(nm)
•
V为电子通过两极时的电压降V。
• X射线管的效率:
XRD分析课件.
3、布拉格方程的应用
n = 2d sin
•1 （1）已知晶体的d值，通过测量θ，求特征X射线的λ，并通
过λ判断产生特征X射线的元素。这主要应用于X射线荧光光谱 仪和电子探针中。 • （2）已知入射X射线的波长，通过测量θ，求面网间距。并 通过面网间距，测定晶体结构或进行物相分析。
4 获得晶体衍射花样的三种基本方法
四种典型聚集态衍射谱图的特征示意图
不同材料状态以及相应的XRD谱
（2）定性分析方法
将由衍射花样及计算获得的d -I 数据组与已知物质的d –I 数据组（由PDF卡片提供）进行对比，从而鉴定出试样中存 在的物相。即：
• 获得样品的衍射花样： (2－I )试样数据组， • 用布拉格方程将 (2－I )试样转换成 (d-I )试样 ；
（1）劳埃法（劳厄法） （2）旋转晶体法 （3）粉末法
（1）劳埃法（劳厄法）
劳埃法也称固定单晶法。用连续X射线谱作为入射光源，单 晶固定不动，入射线与各衍射面的夹角也固定不动，靠衍射面 选择不同波长的X射线来满足布拉格方程。产生的衍射线表示 了各衍射面的方位，固此法能够反映晶体的取向和对称性。
劳埃法主要用于分析晶体的对称性和进行晶体定向。
多物相定性分析
多相物质的衍射花样是各相衍射花样的机械叠加。
1400
1200
白云石原矿 1000
CaMg[CO3 ]2
Counts
800 600
400
200
CaCO3
0
20
30
40
50
60
70
2θ
1200
CaO
850℃烧后样品 1000
800
Counts
600
CaO
《X射线衍射仪XRD》PPT课件
测角仪的构造
X射线发生器
ＸＲＤ－６０００
X射线发生器是高稳定度的 它是由：X射线管
高压发生器
管压管流稳定电路
各种保护电路等
现
代
衍
射
用 的 X
密封式 最大功率≤3KW
射 线
管 分为
视靶材料的不同而异
都
属
于 热 电 子
转靶式
是为获得高强度X射 线而设计的
二
极 管
功率≥9KW
。
产生条件
高速电子遇靶突然停止产生X-射线 1.灯丝 产生自由电子 2.高压 加速电子
• 试样产生的衍射线也会发散，同 样在试样到探测器的光路中也设 置防散射光栏SS、梭拉光栏S2和 接收狭缝光栏RS，这样限制后仅 让聚焦照向探测器的衍射线进入 探测器，其余杂散射线均被光栏 遮挡。
单色器
晶体单色器
• 晶体单色器的作用与图示
– 作用：消除衍射花样的背底和Kβ散射
衍射束弯曲晶体单色器
应变
77.9%
α(110)
α (200)
400
200
800
600 应变 55%
400
200
400
应变 35.6%
300
α (211)
200
100
1000 应变 0(1γ11)γ
500
(200)
(2γ20) (31γ1)(γ222)
0
20
40
60
80
100
2θ /degrees
基体为304奥氏体不锈钢， 经过冷轧变形后，以样品厚度 的减少量计算样品的应变分别 为35.6%，55.0%，77.9%。图 中γ为奥氏体相，α为马氏体相， 从XRD的结果可以看出，304 基体没有应变的情况下，奥氏 体的5个衍射峰均存在，并且马 氏体（110）晶面上出现衍射峰； 随着应变量的增加，马氏体的 衍射峰逐渐增多，到应变量为 77.9%时，马氏体在（110）、 （200）、（211）晶面上出现 衍射峰，而奥氏体的衍射峰削 弱，只有（220）晶面的衍射 峰存在。
XRD分析课件
第四页
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。
第五页
（1）X射线的波动性
❖ 我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧 光X射线。
第三十页
第三十一页
（2）俄歇效应
❖ 当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X
射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使 该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是 俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电 子称俄歇电子。 ❖ 二次电子具有特定的能量值，可以用来表征这些原 子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材 料表面的成分。
能量愈大。
第七页
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。
❖ 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。
h
能量：为普朗Fra bibliotekhv hc 克 常 数 ，
为
动量：
p
6.625×10-34J·s
h ，
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、
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。
第五页
（1）X射线的波动性
❖ 我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧 光X射线。
第三十页
第三十一页
（2）俄歇效应
❖ 当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X
射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使 该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是 俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电 子称俄歇电子。 ❖ 二次电子具有特定的能量值，可以用来表征这些原 子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材 料表面的成分。
能量愈大。
第七页
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。
❖ 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。
h
能量：为普朗Fra bibliotekhv hc 克 常 数 ，
为
动量：
p
6.625×10-34J·s
h ，
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、
XRD衍射分析技术PPT课件
建立布拉格衍射方程的基本出发点是：考虑为每组晶面族的反射。
即当衍射线对某一晶面族来说恰为光的反射方向时，此反射方向便是衍射加 强的方向。由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射波的反射，才得以使 用Bragg条件，不能因此混淆平面反射和晶体衍射之间的本质区别。
最新课件
24
(ＩＩ) 厄瓦尔德图解
中心思想: 衍射波矢量和入射波矢量(夹角即为衍射角２θ)相差一个倒 易矢量时,衍射能产生
直线点阵
平面点阵
空间点阵
最新课件
4
点阵必须具备的三个条件:
a·点阵点必须无穷多； b·每个点阵点必须处于相同的环境； c·点阵在平移方向的周期必须相同。 ３.结构基元: 点阵点所代表的重复单位的具体内容
晶体结构
点阵 结构单元
+
晶体结构=点阵+结构单元
最新课件
5
４.晶 胞:是晶体结构的基本重复单位。
最新课件
13
(４)晶体Ｘ射线衍射的方向
劳埃方程, 布拉格方程, 厄瓦尔德图解
(Ｉ) 布拉格方程
中心思想:
将晶体看作是由许多平行的原子面堆积而成,把衍射线看作是原子面对 入射线的反射,也就是说,在Ｘ射线照射到原子面中,所有原子的散射波在原子 面的反射方向上的相位是相同的,是干涉加强的方向
注意:
Ｘ射线的原子面反射和可见光的镜面反射不同,一束可见光以任意角 度透射到镜面上都可以产生发射,而原子面对Ｘ射线的反射并不是任意的, 只有当入射波长λ,入射角θ和晶面间距ｄ三者之间满足布拉格方程时才能 发生反射,所以将Ｘ射线的这种反射称为选择反射
最新课件
16
布拉格方程的导出
• 布拉格方程的导出基础： • ①晶体结构具有周期性(可将晶体视为由许多相互平行且
XRD介绍_PPT课件
• 与德拜法不同的实验参数是狭缝光栏、时 间常数和扫描速度。
实验条件选择 （二）实验参数选择
• 防散射光栏与接收光栏应同步选择。 • 选择宽的狭缝可以获得高的X射线衍射强度，但
分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的 狭缝宽度。 • 扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的 角速度。扫描速度对衍射结果的影响与时间常数 类似，扫描速度越快，衍射线强度下降，衍射峰 向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩 盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。
• X射线衍射仪的主要组成部分 有X射线衍射发生装置、测角 仪、辐射探测器和测量系统 ，除主要组成部分外，还有 计算机、打印机等。
广角测角仪和标准样品台
两种几何光路
Bragg-Brentano Geometry 1.扫描范围 2. 步长 3.扫描速度
两种几何光路
Parallel Beam Geometry 1.掠射角大小
定的强度比： (Cu,K1)：
(Cu,K2)=0.497 (Cu,K1)：
K K
L1 L2 L3 K L系
nL =层2 n=1
(Cu,K1)=0.200
K系
K层
原 子 能 级 跃 迁 时 产 生 X-Ray的 情 况
C u 15 4. 056 pm ; C u 15 4. 439 pm ; C u 139 .222p m
主要问题 • 什么是XRD • 为什么要做XRD • XRD的结果能说明什么问题
1
Background of XRD
Röntgen or Roentgen ray (X ray)
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真 空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡 的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细 心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空 管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解， 故称之为x射线。后来也称伦琴射线。
实验条件选择 （二）实验参数选择
• 防散射光栏与接收光栏应同步选择。 • 选择宽的狭缝可以获得高的X射线衍射强度，但
分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的 狭缝宽度。 • 扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的 角速度。扫描速度对衍射结果的影响与时间常数 类似，扫描速度越快，衍射线强度下降，衍射峰 向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩 盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。
• X射线衍射仪的主要组成部分 有X射线衍射发生装置、测角 仪、辐射探测器和测量系统 ，除主要组成部分外，还有 计算机、打印机等。
广角测角仪和标准样品台
两种几何光路
Bragg-Brentano Geometry 1.扫描范围 2. 步长 3.扫描速度
两种几何光路
Parallel Beam Geometry 1.掠射角大小
定的强度比： (Cu,K1)：
(Cu,K2)=0.497 (Cu,K1)：
K K
L1 L2 L3 K L系
nL =层2 n=1
(Cu,K1)=0.200
K系
K层
原 子 能 级 跃 迁 时 产 生 X-Ray的 情 况
C u 15 4. 056 pm ; C u 15 4. 439 pm ; C u 139 .222p m
主要问题 • 什么是XRD • 为什么要做XRD • XRD的结果能说明什么问题
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Background of XRD
Röntgen or Roentgen ray (X ray)
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真 空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡 的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细 心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空 管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解， 故称之为x射线。后来也称伦琴射线。
XRD材料分析方法第一章 X射线的性质
X射线也是一种电磁波。 就其本质而言，它和一般 的可见光、红外线、紫外 线、γ射线、α射线以及 宇宙射线一样，都属于电 磁波（电磁辐射）。它是 一种人的肉眼看不见的射 线，但是可以穿过黑纸等 物质和使铂氰化钡荧光屏 发光。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
X射线的波长范围： 0.01~100 Å
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。原子从高能态 变成低能态时，多出的能 量以X射线形式辐射出来。 因物质一定，原子结构一 定，两特定能级间的能量 差一定，故辐射出的特征 X射波长一定。
二、X射线的波粒二象性
1、波动性
X射线的波长范围： 0.01~100 Å
2、阳极：又称为靶，是使高速运动的电子突然减 速并发射出X射线的地方。
最常用的靶材料有：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、W、Ag等。
3、窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地 方。
最常用的窗口材料有：金属铍，林德曼玻璃
4、焦斑（焦点）：是靶 面上被电子轰击的地 方， X射线就是从这 里发出的。其形状和 尺寸是由制成的灯丝 的形状和尺寸决定。
2、理论解释
1）运用经典理论解释
当X射线管中高速运动的电子到达靶的表面，突 然受到阻止时，产生了极大的加速度，按照经典 物理学理论，一个带有负电荷的电子受到这样一 种加速度时电子周围的电磁场将发生急剧的变化， 这样就要产生一个电磁波或电磁脉冲，由于很大 数量的电子射到靶面上的时间和条件不完全相同， 所产生的电磁波也不完全相同，这样的大量的电 磁波或电磁脉冲的总和，就形成了具有连续的各 种波长的X射线线谱。
• 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子， 而使它的能量增高，原子处于激发状态。
• 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电 子被击出L层，称L激发，其余各层依此类 推。
• 处于激发状态的原子有自 发回到稳定状态的倾向， 此时外层电子将填充内层 空位，相应伴随着原子能 量的降低。原子从高能态 变成低能态时，多出的能 量以X射线形式辐射出来。 因物质一定，原子结构一 定，两特定能级间的能量 差一定，故辐射出的特征 X射波长一定。
XRD教程PPT课件
对K系列和L系列的进一步研究 得到了有关原子内部结构的极 为重要的结果：是原子的核电 荷，而不是原子量，决定该原 子在元素周期表中的位置。也 就是说，原子的核电荷决定原 子的化学属性。
巴克拉(1877~1944)获1917年诺贝尔物理学奖
5
➢ 1924年,西格班(Karl Manne Georg Siegbahn)发现X射 线中的光谱线。 X射线标识谱间的辐射起源于原子内部而与外围电子 结构所支配的复杂光谱线及化学性质无关。他证明了 巴克拉发现的K辐射与L辐射的确存在，另外他还发现 了M系。他的工作支持波尔等科学家关于原子内电子 按照壳层排列的观点。
24
X射线衍射的基本原理
• 衍射又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射 继续在空间发射的现象。
• 如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。 相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间 产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。
• 衍射的条件，一是相干波（点光源发出的波），二 是光栅。
• 衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍的吸收限位于辐射源的Kα和Kβ之间，且尽量靠近Kα，
强烈吸收Kβ，而K吸收很小； • 2. 滤波片以将Kα强度降低一半最佳。 • Z靶<40时 Z滤片＝ Z靶－1；
Z靶>40时 Z滤片＝ Z靶－2
阳极靶的选择： 1. 阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； 2. 试样对X射线的吸收最小。 Z靶≤Z试样＋1
I ∝iZV 2
2. 连续谱强度分布的形状
主要决定于X光管加速电压
的大小。连续谱各波长的
强度与X光管的电流成正比，
且随阳极材料的原子序数
增大而增加。
12
特征X射线：由若干互相分离且具有特定波长的谱线组成，其
巴克拉(1877~1944)获1917年诺贝尔物理学奖
5
➢ 1924年,西格班(Karl Manne Georg Siegbahn)发现X射 线中的光谱线。 X射线标识谱间的辐射起源于原子内部而与外围电子 结构所支配的复杂光谱线及化学性质无关。他证明了 巴克拉发现的K辐射与L辐射的确存在，另外他还发现 了M系。他的工作支持波尔等科学家关于原子内电子 按照壳层排列的观点。
24
X射线衍射的基本原理
• 衍射又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射 继续在空间发射的现象。
• 如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。 相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间 产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。
• 衍射的条件，一是相干波（点光源发出的波），二 是光栅。
• 衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍的吸收限位于辐射源的Kα和Kβ之间，且尽量靠近Kα，
强烈吸收Kβ，而K吸收很小； • 2. 滤波片以将Kα强度降低一半最佳。 • Z靶<40时 Z滤片＝ Z靶－1；
Z靶>40时 Z滤片＝ Z靶－2
阳极靶的选择： 1. 阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； 2. 试样对X射线的吸收最小。 Z靶≤Z试样＋1
I ∝iZV 2
2. 连续谱强度分布的形状
主要决定于X光管加速电压
的大小。连续谱各波长的
强度与X光管的电流成正比，
且随阳极材料的原子序数
增大而增加。
12
特征X射线：由若干互相分离且具有特定波长的谱线组成，其
仪器分析课件X射线衍射分析XRDN
定期校准仪器
定期更换易损件 严格按照操作规 程使用仪器
确保仪器无破损、污垢和 锈迹。
避免灰尘和污垢影响仪器 性能。
确保测量结果的准确性和 可靠性。
如阳极靶材、真空泵油等 。
避免因误操作导致仪器损 坏或测量误差。
03
X射线衍射分析（XRD ）实验技术
样品制备技术
01
02
03
粉末样品
将待测物质研磨成粉末， 以便在XRD实验中获得更 准确的衍射数据。
XRD的基本原理
X射线衍射分析基于晶体对X射线的衍射现象进行物质结构分析。当X射线照射到晶体上时，晶体中的 原子或分子会对X射线产生散射，由于晶体具有周期性结构，散射波之间会产生干涉现象，形成特定 的衍射图形。通过对衍射图形的分析，可以推断出晶体的结构信息。
XRD的基本原理基于布拉格方程：nλ=2dsinθ（其中λ为X射线的波长，d为晶面间距，θ为入射角） 。通过测量不同角度下的衍射强度，可以计算晶面间距，从而确定晶体的晶格常数、晶格类型等结构 参数。
奥秘。
XRD的优缺点
优点
X射线衍射分析具有非破坏性、无损检测的优点，可以快速准确地测定晶体的 结构和相组成。此外，XRD具有较高的精度和可靠性，能够提供较为准确的结 构信息。
缺点
X射线衍射分析需要样品具有较高的结晶度，对于非晶态或无定形样品的分析存 在局限性。此外，对于复杂样品或纳米级样品的分析可能存在散射背景干扰和 峰宽化效应，影响分析结果的准确性。
02
X射线衍射分析（XRD ）仪器
XRD仪器的结构
01
02
03
04
X射线发生器
产生X射线，通常采用阳极靶 材（如Cu、Cr、Fe等）在高
能电子束轰击下产生。
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材料分析测试方法
屈树新
西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室
材料科学与工程学院 分析测试中心
课件学习
1
复习题
• 复习晶体结构的有关知识（固体物理，第一章）。
• 预习X射线衍射（XRD）的原理。
• 结合本专业查阅文献体会如何根据理论设计、制 备新材料。
课件学习
2
物质的结构分析
• 进行物质结构分析方法主要有3大类
– 各种衍射技术
• 直接和精确测定分子和晶体结构的方法
– 各种光谱技术
• 红外光谱、激光拉曼光谱、紫外光 • 在各种状态测定结构，如液体
– 分子模拟、量子力学计算
课件学习
3
现代分析测试
• 材料的结构分析
– 衍射方法
• X射线衍射 （X-Ray Diffraction， XRD）
– 粉末衍射 » 微区、薄膜 » 高温、常温、低温衍射仪
年份 学科
得奖者
内容
1901 物理
伦琴Wilhelm Conral Rontgen
X射线的发现
1914 物理
劳埃Max von Laue
晶体的X射线衍射
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
晶体结构的X射线分析
1917 物理
巴克拉Charles Glover Barkla
– 四园单晶衍射
• 电子衍射（Transmission Electron Microscopy， TEM） • 中子衍射 • 穆斯堡谱 • Γ射线衍射
课件学习
4
物质的结构分析
• 测定物质结构的本质
某种波，如微波、红外光、X射线； 或某种粒子,如光子、电子、中子等
试样
改变试样中原子 或分子的核或 电子的某种能态
• X射线的产生
– K层出现空位， K激发态； – L层跃迁至K层， L激发态； –Δ E=EL-EK, 能量差以X射线光
量子的形式辐射出来；Kα
• L层有能量差别很小的亚能级， Kα1、 Kα2
– 特征X射线
课件学习
13
X射线物理学基础
靶
试
样
课件学习
14
X射线物理学基础
课件学习
15
物质的结构分析
• 测定物质结构的本质
某种波，如微波、红外光、X射线； 或某种粒子,如光子、电子、中子等
试样
改变试样中原子 或分子的核或 电子的某种能态
试样中原子解离 或电子电离
得到物质结构 的信息
课件学习
入射波（粒子）的 散射、衍射或吸收
产生入射波长 不同的波或1粒6 子
多晶粉末衍射分析
multiple crystal powder diffraction analysis
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
直接法解析结构
鲁斯卡E.Ruska
电子显微镜
1986 物理
宾尼希G.Binnig
扫描隧道显微镜
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
布罗克豪斯 B.N.Brock课ho件us学e习 沙尔 C.G.Shull
– 衍射的基础——晶体的周期性和对称性
• 衍射光束服从反射定律
– 反射光线在入射平面中，反射角等于入射角 – 则这组晶面所反射的X射线，只有当其光程差是
X射线波长的整数倍时才相互增强，出现衍射
2dhklsinθ＝nλ
课件学习
18
晶面组
2dhklsinθ＝λ
光程差 BD＋BF＝2dhklsin θ ＝nλ; 只有当d、 θ和 λ满足布拉格方程式时才能发生衍射。
– XRD图谱的物相鉴定
课件学习
7
X射线物理学基础
• X射线的产生
– 德国科学家伦琴，1895年 – 使相片底片感光，并有很强的穿透力
• X射线的应用
– 科学研究 (XRD) – 医疗（透视） – 技术工程 (无损探伤)
课件学习
8
衍射分析技术的发展
• 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
1962
生理医学
Francis Maurice
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
脱氧核糖核酸DNA测定
1964 化学
Dorothy Crowfoot Hodgkin
课件学习
11
X射线物理学基础
• X射线的产生
– 原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上， 按K、L、M、N……递增；
– 最内层的能量最低 – 某层电子的能量
– 当冲向阳极靶的电子具有足够能量将内层电子 击出成为自由电子（二次电子）；
• 原子：高能的不稳定
• 自发向稳态过渡：
课件学习
12
X射线物理学基础
元素的特征X射线
1924 物理
卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
电子衍射
1954 化学
鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
中子谱学
9
中子衍射
X射线物理学基础
• X射线的本质
– 电磁波，波长较短，一般在0.05－0.25nm;
• 劳厄，1914年，晶体衍射实验；
– X射线具有波粒二相性
• 衍射：可见光
• 一定能量的光量子流
– h:普朗克常数＝6.626－34J•S – E:能量； P：动量
课件学习
10
X射线物理学基础
10-5
10-3
10-1
101
10 3
10 5
107
109
X射线衍射
Wavelength in microns
紫外和 可见和 红外光谱 拉曼光谱 拉曼光谱
顺磁共振
课件学习
核磁共振
6
XRD分析方法
• X-射线物理学基础 • X-射线与物质的相互作用 • X-射线衍射分析原理 • X-射线衍射分析应用
在入射X光的作用下，原子中的电子构成多个X辐射源，以 球面波向空间发射形成干涉光；
强度与原子类型、晶胞内原子位置有关； 衍射图：晶体化合物的“指纹”； 多晶粉末衍射法：测定晶体的结构；
单色X射线源 样品台
检测器
课件学习
17
X射线衍射方程
• 晶体的点阵结构是一致互相平行且等距离的 原子平面
试样中原子解离 或电子电离
得到物质结构 的信息
课件学习
入射波（粒子）的 散射、衍射或吸收
产生与入射波长 不同的波或粒5 子
电磁光谱
X射线
紫外
可见 近红外
远红外
微波
无线电波
10 9
10 7
10 5
10 3
Wavenumbers
10 1
10 -1
能量增加
核转变 电子跃迁
分子振动
转动
10-3
10-5
跃迁
屈树新
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复习题
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物质的结构分析
• 进行物质结构分析方法主要有3大类
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现代分析测试
• 材料的结构分析
– 衍射方法
• X射线衍射 （X-Ray Diffraction， XRD）
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得奖者
内容
1901 物理
伦琴Wilhelm Conral Rontgen
X射线的发现
1914 物理
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晶体的X射线衍射
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晶体结构的X射线分析
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物质的结构分析
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布罗克豪斯 B.N.Brock课ho件us学e习 沙尔 C.G.Shull
– 衍射的基础——晶体的周期性和对称性
• 衍射光束服从反射定律
– 反射光线在入射平面中，反射角等于入射角 – 则这组晶面所反射的X射线，只有当其光程差是
X射线波长的整数倍时才相互增强，出现衍射
2dhklsinθ＝nλ
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晶面组
2dhklsinθ＝λ
光程差 BD＋BF＝2dhklsin θ ＝nλ; 只有当d、 θ和 λ满足布拉格方程式时才能发生衍射。
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X射线物理学基础
• X射线的产生
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脱氧核糖核酸DNA测定
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X射线物理学基础
• X射线的产生
– 原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上， 按K、L、M、N……递增；
– 最内层的能量最低 – 某层电子的能量
– 当冲向阳极靶的电子具有足够能量将内层电子 击出成为自由电子（二次电子）；
• 原子：高能的不稳定
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元素的特征X射线
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化学键的本质
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9
中子衍射
X射线物理学基础
• X射线的本质
– 电磁波，波长较短，一般在0.05－0.25nm;
• 劳厄，1914年，晶体衍射实验；
– X射线具有波粒二相性
• 衍射：可见光
• 一定能量的光量子流
– h:普朗克常数＝6.626－34J•S – E:能量； P：动量
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X射线物理学基础
10-5
10-3
10-1
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X射线衍射
Wavelength in microns
紫外和 可见和 红外光谱 拉曼光谱 拉曼光谱
顺磁共振
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核磁共振
6
XRD分析方法
• X-射线物理学基础 • X-射线与物质的相互作用 • X-射线衍射分析原理 • X-射线衍射分析应用
在入射X光的作用下，原子中的电子构成多个X辐射源，以 球面波向空间发射形成干涉光；
强度与原子类型、晶胞内原子位置有关； 衍射图：晶体化合物的“指纹”； 多晶粉末衍射法：测定晶体的结构；
单色X射线源 样品台
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X射线衍射方程
• 晶体的点阵结构是一致互相平行且等距离的 原子平面
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电磁光谱
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微波
无线电波
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10 7
10 5
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Wavenumbers
10 1
10 -1
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分子振动
转动
10-3
10-5
跃迁