[课件]X射线衍射分析(XRD)PPT
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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。
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。
XRD的原理及应用ppt课件
.
10
三、X射线衍射方法
• X 射线的波长较短, 大约在10- 8~ 10- 10cm 之间。与晶体中的原子间距数量级相同, 因 此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成 为可能。在研究晶体材料时，X射线衍射方 法非常理想非常有效，而对于液体和非晶 态物固体，这种方法也能提供许多基本的 重要数据。所以X射线衍射法被认为是研究 固体最有效的工具。在各种衍射实验方法 中，基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。
衍射），已成为近代X射线衍射技术取得突出成 就的标志。但在双晶体衍射体系中，当两个晶体 不同时，会发生色散现象。因而，在实际应用双 晶衍射仪进行样品分析时，参考晶体要与被测晶
体相同，这使得双晶衍射仪的使用受到限制。
.
24
四、X射线衍射的应用
• X射线衍射技术发展到今天, 已经成为最基 本、最重要的一种结构测试手段, 其主要应 用主要有物相分析 、 精密测定点阵参数、 应力的测定、晶粒尺寸和点阵畸变的测定、 结晶度的测定 、 晶体取向及织构的测定
.
18
德拜相机
德拜相机结构简单，主 要由相机圆筒、光栏、 承光管和位于圆筒中心 的试样架构成。相机圆 筒上下有结合紧密的底 盖密封，与圆筒内壁周 长相等的底片，圈成圆 圈紧贴圆筒内壁安装， 并有卡环保证底片紧贴 圆筒。
.
19
X射线衍射仪法
• X射线衍射仪法以布拉格实验装置为原型，融合了机械与 电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射 线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成， 是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍 射信息的衍射实验装置。现代X射线衍射仪还配有控制操 作和运行软件的计算机系统。
X射线衍射分析XRD.ppt
（1）粉晶样品的制备：将被测试试样在玛瑙研钵中研成10微米 左右的细粉；将适量研磨好的细粉填入凹槽，并用平整的玻璃板 将其压紧；将槽外或高出样品中板面的多余粉末刮去，重新将样 品压平，使品表面与样板表面平整光滑。 （2）特殊样品的制备：对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成 粉末的样品，可先将其锯成窗孔大小，磨平一面，再用橡皮泥或 石蜡将其固定在窗孔内，但固定在窗孔内的样品其表面必须与样 板表面平齐，并对着入射线。
பைடு நூலகம்
2、选择合适的测量方式和实验参数。
测量方式：衍射仪测量方式有连续扫描和步进扫描法。 扫描速度是指计数管在测角仪圆上均匀转动的角速度，以（o） /min 表示。增大扫描速度，既可节约测试时间，但同时将导致强度和分辨率的下 降，并使衍射峰的位置向扫描方向偏移。造成峰的不对称宽化，故为提高测 量精度，应尽量选小扫描速度，一般物相分析中常用的扫描速度为 2o/min—10o/min。通常工作时取2θ的步长为0.02o或0.2o。
X射线衍射分析（XRD）
XRD 6000
Ｘ射线衍射仪可在大气中无损分析样品，进行物 质的定性分析、晶格常数确定和应力测定等。并且， 可通过峰面积计算进行定量分析。 可通过半高宽、峰形等进行粒径/结晶度/精密Ｘ射 线结构解析等各种分析。
X射线发生部 2kw或3kw(cpu控制) 测角仪 θ/2θ联动，θ、2θ独立 扫描范围 -6°~163°（2θ），-180°~180°（θ） 数据处理部 windows 2000/xp对应
3、将准备好的试样插入衍射仪样品架，关闭好防护罩，样品测量。
4、实验数据处理。 实验室配有多种单相矿物和混合矿物，选用一种单相矿物或混合物，
在衍射仪上进行定性测量，做出衍射图。对衍射图谱进行文字分析。
பைடு நூலகம்
2、选择合适的测量方式和实验参数。
测量方式：衍射仪测量方式有连续扫描和步进扫描法。 扫描速度是指计数管在测角仪圆上均匀转动的角速度，以（o） /min 表示。增大扫描速度，既可节约测试时间，但同时将导致强度和分辨率的下 降，并使衍射峰的位置向扫描方向偏移。造成峰的不对称宽化，故为提高测 量精度，应尽量选小扫描速度，一般物相分析中常用的扫描速度为 2o/min—10o/min。通常工作时取2θ的步长为0.02o或0.2o。
X射线衍射分析（XRD）
XRD 6000
Ｘ射线衍射仪可在大气中无损分析样品，进行物 质的定性分析、晶格常数确定和应力测定等。并且， 可通过峰面积计算进行定量分析。 可通过半高宽、峰形等进行粒径/结晶度/精密Ｘ射 线结构解析等各种分析。
X射线发生部 2kw或3kw(cpu控制) 测角仪 θ/2θ联动，θ、2θ独立 扫描范围 -6°~163°（2θ），-180°~180°（θ） 数据处理部 windows 2000/xp对应
3、将准备好的试样插入衍射仪样品架，关闭好防护罩，样品测量。
4、实验数据处理。 实验室配有多种单相矿物和混合矿物，选用一种单相矿物或混合物，
在衍射仪上进行定性测量，做出衍射图。对衍射图谱进行文字分析。
《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
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。
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。
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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。
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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
X射线衍射课件(XRD)
谱是连续的。 特征X射线：
特征X射线光谱
由阴极飞驰来的电子，把原子的内层电子打到外层或者原子 外面，从而在原子的内电子层留有缺席的位置。此时原子处于不稳 定的激发状态，随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁， 填补空位，以使位能下降。电子从高能级向低能级的这种跃迁将以 光子的形式辐射出特征X射线谱。
二、X射线在晶体中的衍射
3.1 晶面指数
z B
M3 A
M2 y
M1 x
二、X射线在晶体中的衍射
3.1 晶面指数 习题：确定晶面指数
Z
AGDF BEDG
CEDF
ACEG
Y
ABC
X
AHC
二、X射线在晶体中的衍射
3.2 晶面间距
d(hkl）是指某一晶
面(hkl)规定的平面族 中两个相邻晶面之间 的垂直距离；
外的短波段相重叠。
一、X射线及其产生原理
3. X射线的Biblioteka 量X射线除了波动性质之外，还呈现为不连续的“量子 流”；
量子能量（Ɛ） 用下列公式表示： Ɛ = hv = h ·c/λ
h-普朗克常数；v-射线的频率 c-光速；λ-波长
一、X射线及其产生原理
4. X射线的产生
使快速移动的电子骤然停止其运动，则电子的动 能一部分可转变为X光能。
具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的 组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成 了空间点阵。
二、X射线在晶体中的衍射
晶体学基本知识
1 空间点阵和晶胞 直线点阵——分布在同一直线上的点阵
平面点阵——分布在同一平面上的点阵
晶体结构
=
结
空
构 单
+
间 点
特征X射线光谱
由阴极飞驰来的电子，把原子的内层电子打到外层或者原子 外面，从而在原子的内电子层留有缺席的位置。此时原子处于不稳 定的激发状态，随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁， 填补空位，以使位能下降。电子从高能级向低能级的这种跃迁将以 光子的形式辐射出特征X射线谱。
二、X射线在晶体中的衍射
3.1 晶面指数
z B
M3 A
M2 y
M1 x
二、X射线在晶体中的衍射
3.1 晶面指数 习题：确定晶面指数
Z
AGDF BEDG
CEDF
ACEG
Y
ABC
X
AHC
二、X射线在晶体中的衍射
3.2 晶面间距
d(hkl）是指某一晶
面(hkl)规定的平面族 中两个相邻晶面之间 的垂直距离；
外的短波段相重叠。
一、X射线及其产生原理
3. X射线的Biblioteka 量X射线除了波动性质之外，还呈现为不连续的“量子 流”；
量子能量（Ɛ） 用下列公式表示： Ɛ = hv = h ·c/λ
h-普朗克常数；v-射线的频率 c-光速；λ-波长
一、X射线及其产生原理
4. X射线的产生
使快速移动的电子骤然停止其运动，则电子的动 能一部分可转变为X光能。
具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的 组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成 了空间点阵。
二、X射线在晶体中的衍射
晶体学基本知识
1 空间点阵和晶胞 直线点阵——分布在同一直线上的点阵
平面点阵——分布在同一平面上的点阵
晶体结构
=
结
空
构 单
+
间 点
仪器分析课件X射线衍射分析XRDN
2021/2/2
P1 O P2
SS12
C1
F
C2 H1 H2
19
物相分析
每种晶体都有它自己的晶面间距d，而且其中原子按 照一定的方式排布着。这反映在衍射图上各种晶体的谱线 有它自己特定的位置、数目和强度I。因此，只须将未知 样品衍射图中各谱线测定的角度θ及强度I去和已知样品所 得的谱线进行比较就可以达到物相分析的目的。
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6
晶体的对称性
固态物质按其原子（或分子、离子）在空间排列是否 长程有序分成晶态和无定形两类。所谓长程有序是指固态 物质的原子（或分子、离子）在空间按一定方式周期性的 重复排列。整个晶体是由晶胞按周期性在三维空间重复排 列而成。
理想的晶体结构可以用具有一定对称性的、周期的、 无限的三维点阵结构加以描述。晶体的理想外形和宏观物 理性质制约于32点群，而原子和分子水平上的空间结构的 对称性则分属于230个空间群。
平均晶粒度的测定
Scherrer方程： Dhkl k coshkl
注意：1.β为半峰宽度，即衍射强
度为极大值一半处的宽度，单位以
d
弧度表示；2. Dhkl只代表晶面法线 D
方向的晶粒大小，与其他方向的晶
粒大小无关；3. k为形状因子，对
球状粒子k=1.075，立方晶体k=0.9，
一般要求不高时就取k=1。
❖ Enough crystals, enough angles, get enough diffraction to determine mineralogy
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样品与计数器旋转速度的关系
若样品平面由S1位置绕O轴转 动角θ至S2位置，求满足衍射条件 的∠C1OC2=? ∠FOH1=∠H1OC1, ∠FOH2=∠H2OC2, 2(∠FOH1-∠FOH2)=2θ, ∠C1OC2=∠FOC1-∠FOC2, ∠FOC1=2∠FOH1, ∠FOC2=2∠FOH2, ∠C1OC2=2(∠FOH1-∠FOH2)=2θ
P1 O P2
SS12
C1
F
C2 H1 H2
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物相分析
每种晶体都有它自己的晶面间距d，而且其中原子按 照一定的方式排布着。这反映在衍射图上各种晶体的谱线 有它自己特定的位置、数目和强度I。因此，只须将未知 样品衍射图中各谱线测定的角度θ及强度I去和已知样品所 得的谱线进行比较就可以达到物相分析的目的。
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晶体的对称性
固态物质按其原子（或分子、离子）在空间排列是否 长程有序分成晶态和无定形两类。所谓长程有序是指固态 物质的原子（或分子、离子）在空间按一定方式周期性的 重复排列。整个晶体是由晶胞按周期性在三维空间重复排 列而成。
理想的晶体结构可以用具有一定对称性的、周期的、 无限的三维点阵结构加以描述。晶体的理想外形和宏观物 理性质制约于32点群，而原子和分子水平上的空间结构的 对称性则分属于230个空间群。
平均晶粒度的测定
Scherrer方程： Dhkl k coshkl
注意：1.β为半峰宽度，即衍射强
度为极大值一半处的宽度，单位以
d
弧度表示；2. Dhkl只代表晶面法线 D
方向的晶粒大小，与其他方向的晶
粒大小无关；3. k为形状因子，对
球状粒子k=1.075，立方晶体k=0.9，
一般要求不高时就取k=1。
❖ Enough crystals, enough angles, get enough diffraction to determine mineralogy
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样品与计数器旋转速度的关系
若样品平面由S1位置绕O轴转 动角θ至S2位置，求满足衍射条件 的∠C1OC2=? ∠FOH1=∠H1OC1, ∠FOH2=∠H2OC2, 2(∠FOH1-∠FOH2)=2θ, ∠C1OC2=∠FOC1-∠FOC2, ∠FOC1=2∠FOH1, ∠FOC2=2∠FOH2, ∠C1OC2=2(∠FOH1-∠FOH2)=2θ
X射线衍射分析(XRD)
X射线分析系列教程
如果入射电子的能量足够高的话，他们就会将靶材料中的 原子K壳层电子打出，因而产生一个空位。
(需要明确的是，K到L的激发是不可能发生的，因为L壳层 已被占据：激发必须是从n=1到n=∞。)
只要空位一旦产生，它可以被该原子L或M壳层上的电子填 充。这样的内部电子跃迁就导致产生了短波长的，具有高 “穿透”能的“特征”X射线。
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厚积薄发 学而知新
X射线分析系列教程
X射线的波长范围
X射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长0.01 ~ 10nm；能量：124 keV - 0.124 keV
其短波段与γ 射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外 的短波段相重叠。
g -rays
X-rays
UV Visual
伦琴对科学作出的最大贡献是在1895年从实验中发现 了X射线，并随后对其性质进行了深入研究，从而为多 种科学领域提供了一种有效的研究手段。他还有一项 意义重大的发现，就是所谓的伦琴电流。此外，他还 在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中的 传导、压电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有 研究。
厚积薄发 学而知新
Page 9
X射线分析系列教程
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）。
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厚积薄发 学而知新
X射线分析系列教程
Cu 靶 产 生 的 X 射线分析系列教程
4.特征X射线的产生
1920年，W. Kossel首次正确的提出了依照波尔（Bohr）的 电子能级理论对X射线光谱的合理解释：
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34 18 15 hv 6 . 625 10 4 . 23 10 2 . 8 10 J
Cu靶X射线:
c 8 10 18 v 3 10 / 1 . 54 10 1 . 95 10 ( Hz )
34 18 15 hv 6 . 625 10 1 . 95 10 1 . 3 10 J
主要成就：从1876年开始研究各种气体比热， 证实气体中电磁旋光效应存在。1888年实验 1901年获 证实电介质能产生磁效应，最重要在1895年 诺贝尔物理奖 11月8日在实验中发现：当克鲁克斯管接高 压电源，会放射出一种穿透力极强的射线， W.C. (Wilhelm 他命名为X射线。X射线在晶体结构分析， Conrad Roentgen 金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方 1845——1923) 面有广泛应用，因此而获得1901年诺贝尔物 理奖。
• 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高， 穿透性较强，适用于金属部件的无损探 伤及金属物相分析。 • 软X射线：波长较长的软X射线能量较低， 穿透性弱，可用于分析非金属的分析。 • X射线波长的度量单位常用埃（Å）,或者 通用的国际计量单位中用纳米（nm）表 示，它们之间的换算关系为： • 1Å =10-10 m 1nm=10-9 m
X射线衍射分析(XRD)
0. X射线的历史发展及应用
X射线分析技术的应用范围非常广泛，成 为一种重要的实验手段和分析方法。 随着机械及微电子技术的发展，仪器设备 的检测精度及可靠性逐渐提高，尤其是同步 辐射光源的出现以及计算机技术的引入，构 成了近代X射线分析技术。
X射线以及X射线衍射学发展历程
引自中南大学
• (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。
伦琴
1845年3月27日生于德国莱茵省勒奈普市。 1869年在苏黎世大学获哲学博士学位，并留 校任教。1872年——1879年先后在斯特拉斯 堡大学，霍恩海姆农学院、吉森大学等校任 教，1888年起任维尔茨堡大学教授及物理所 所长，后任校长。1896年成为柏林和慕尼黑 科学院通讯院士，1900——1920年任慕尼黑 物理所所长，1923年2月10日逝世。
粒子性
• 特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收 时具有的一定的质量、能量和动量。 • 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。 • X 射线的频率 ν 、波长λ 以及其光子的能量 ε、动 量p之间存在如下关系： hc h h p
• 式中 h—— 普朗克常数，等于 6.625×1034 J.s; 8 c——X射线的速度，等于2.998× 10 m/s.
X射线衍射技术的主要应用领域
1，晶体结构分析：人类研究物质微观 结构的第一种方法。 2，物相定性分析 3，物相定量分析 4，晶粒大小分析 5， 非晶态结构分析，结晶度分析 6，宏观应力与微观应力分析 7，择优取向分析
1-1. X射线的物理基础
1-1 X射线的本质
• X射线的本质是电磁波，与可见光 完全相同，仅是波长短而已，因 此具有波粒二像性。
• 1. 1895年，德国，伦琴，发现，医疗， 第一个诺贝尔物理奖； • 2. 1912年，德国，劳埃，第一张X射线衍 射花样，晶体结构，电磁波，原子间距， 劳埃方程，不方便； • 1913-1914年，英国，布拉格父子，布拉 格方程，晶体结构分析； • 3. 1916年，德拜、谢乐，粉末法，多晶 体结构分析； • 4. 1928年，盖格，弥勒，计数管，X射线 衍射线强度，衍射仪。
相关习题：
1.试计算波长 0.71 Å（ Mo-Kα ）和 1.54 Å（ CuKα）的X射线束，其频率和每个量子的能量。
hv
Mo靶X射线:
c v
10 1 A 10 m 0 . 1 nm
o
c 8 10 18 v 3 10 / 0 . 71 10 4 . 23 10 ( Hz )
1
3 4 6 5
7
2
1-高压变压器;2-钨丝变压器； 3-X射线管；4-阳极； 5-阴极；6-电子；7-X射线
常规的X射线产生装置
X射线管
• 1.X射线管的结构 • 2.特殊构造的X射线管 • 3.市场上供应的种类
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 5 7 （10 ）二极管。基本组成包括： ~10 mmHg • (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 • (2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的 地方。
• (1)波动性 • (2)粒子性
波动性
• X射线的波长范围 0.01~100 Å 或者10-8-10-12 m • 1 Å=10-10m • 表现形式：在晶体作衍射光栅观察 到的 X 射线的衍射现象，即证明了 X 射线的波动性。
X射线是波长在10-8到10-12米范围内，具有极强
穿透能力的电磁波。
产生条件
• 1. 产生自由电子---电 子源，如加热钨丝产 生热电子 • 2. 使电子作定向的高 速运动 --- 施加在阳 极和阴极（钨丝）间 的电压
1
3 4 6 5
7
2
1-高压变压器;2-钨丝变压器； 3-X射线管；4-阳极； 5-阴极；6-电子；7-X射线
常规的X射线产生装置
产生条件
• 3. 在其运动的路径 上设置一个障碍物 使电子突然减速或 停止。 • 4. 真空 --- 把阴极 和阳极密封在真空 度高于10-3Pa 的真 空中，保持两极洁 净并使加速电子无 阻地撞击到阳极靶 上。
1-2 X射线的产生
产生X-射线的方式： • X-射线管 – 重点 • 同步辐射光源 – 了解
X射线管—重点
• • • • (1)产生原理—重点 (2)产生条件—重点 (3) X射线管 (4)过程演示
产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量 转换，电子的运动受阻失去动能，其中一 小部分（ 1 ％左右）能量转变为 X 射线，而 绝大部分（ 99 ％左右）能量转变成热能使 物体温度升高。
Cu靶X射线:
c 8 10 18 v 3 10 / 1 . 54 10 1 . 95 10 ( Hz )
34 18 15 hv 6 . 625 10 1 . 95 10 1 . 3 10 J
主要成就：从1876年开始研究各种气体比热， 证实气体中电磁旋光效应存在。1888年实验 1901年获 证实电介质能产生磁效应，最重要在1895年 诺贝尔物理奖 11月8日在实验中发现：当克鲁克斯管接高 压电源，会放射出一种穿透力极强的射线， W.C. (Wilhelm 他命名为X射线。X射线在晶体结构分析， Conrad Roentgen 金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方 1845——1923) 面有广泛应用，因此而获得1901年诺贝尔物 理奖。
• 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高， 穿透性较强，适用于金属部件的无损探 伤及金属物相分析。 • 软X射线：波长较长的软X射线能量较低， 穿透性弱，可用于分析非金属的分析。 • X射线波长的度量单位常用埃（Å）,或者 通用的国际计量单位中用纳米（nm）表 示，它们之间的换算关系为： • 1Å =10-10 m 1nm=10-9 m
X射线衍射分析(XRD)
0. X射线的历史发展及应用
X射线分析技术的应用范围非常广泛，成 为一种重要的实验手段和分析方法。 随着机械及微电子技术的发展，仪器设备 的检测精度及可靠性逐渐提高，尤其是同步 辐射光源的出现以及计算机技术的引入，构 成了近代X射线分析技术。
X射线以及X射线衍射学发展历程
引自中南大学
• (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。
伦琴
1845年3月27日生于德国莱茵省勒奈普市。 1869年在苏黎世大学获哲学博士学位，并留 校任教。1872年——1879年先后在斯特拉斯 堡大学，霍恩海姆农学院、吉森大学等校任 教，1888年起任维尔茨堡大学教授及物理所 所长，后任校长。1896年成为柏林和慕尼黑 科学院通讯院士，1900——1920年任慕尼黑 物理所所长，1923年2月10日逝世。
粒子性
• 特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收 时具有的一定的质量、能量和动量。 • 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。 • X 射线的频率 ν 、波长λ 以及其光子的能量 ε、动 量p之间存在如下关系： hc h h p
• 式中 h—— 普朗克常数，等于 6.625×1034 J.s; 8 c——X射线的速度，等于2.998× 10 m/s.
X射线衍射技术的主要应用领域
1，晶体结构分析：人类研究物质微观 结构的第一种方法。 2，物相定性分析 3，物相定量分析 4，晶粒大小分析 5， 非晶态结构分析，结晶度分析 6，宏观应力与微观应力分析 7，择优取向分析
1-1. X射线的物理基础
1-1 X射线的本质
• X射线的本质是电磁波，与可见光 完全相同，仅是波长短而已，因 此具有波粒二像性。
• 1. 1895年，德国，伦琴，发现，医疗， 第一个诺贝尔物理奖； • 2. 1912年，德国，劳埃，第一张X射线衍 射花样，晶体结构，电磁波，原子间距， 劳埃方程，不方便； • 1913-1914年，英国，布拉格父子，布拉 格方程，晶体结构分析； • 3. 1916年，德拜、谢乐，粉末法，多晶 体结构分析； • 4. 1928年，盖格，弥勒，计数管，X射线 衍射线强度，衍射仪。
相关习题：
1.试计算波长 0.71 Å（ Mo-Kα ）和 1.54 Å（ CuKα）的X射线束，其频率和每个量子的能量。
hv
Mo靶X射线:
c v
10 1 A 10 m 0 . 1 nm
o
c 8 10 18 v 3 10 / 0 . 71 10 4 . 23 10 ( Hz )
1
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1-高压变压器;2-钨丝变压器； 3-X射线管；4-阳极； 5-阴极；6-电子；7-X射线
常规的X射线产生装置
X射线管
• 1.X射线管的结构 • 2.特殊构造的X射线管 • 3.市场上供应的种类
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 5 7 （10 ）二极管。基本组成包括： ~10 mmHg • (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 • (2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的 地方。
• (1)波动性 • (2)粒子性
波动性
• X射线的波长范围 0.01~100 Å 或者10-8-10-12 m • 1 Å=10-10m • 表现形式：在晶体作衍射光栅观察 到的 X 射线的衍射现象，即证明了 X 射线的波动性。
X射线是波长在10-8到10-12米范围内，具有极强
穿透能力的电磁波。
产生条件
• 1. 产生自由电子---电 子源，如加热钨丝产 生热电子 • 2. 使电子作定向的高 速运动 --- 施加在阳 极和阴极（钨丝）间 的电压
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1-高压变压器;2-钨丝变压器； 3-X射线管；4-阳极； 5-阴极；6-电子；7-X射线
常规的X射线产生装置
产生条件
• 3. 在其运动的路径 上设置一个障碍物 使电子突然减速或 停止。 • 4. 真空 --- 把阴极 和阳极密封在真空 度高于10-3Pa 的真 空中，保持两极洁 净并使加速电子无 阻地撞击到阳极靶 上。
1-2 X射线的产生
产生X-射线的方式： • X-射线管 – 重点 • 同步辐射光源 – 了解
X射线管—重点
• • • • (1)产生原理—重点 (2)产生条件—重点 (3) X射线管 (4)过程演示
产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量 转换，电子的运动受阻失去动能，其中一 小部分（ 1 ％左右）能量转变为 X 射线，而 绝大部分（ 99 ％左右）能量转变成热能使 物体温度升高。