实验：X射线衍射分析

实验：X射线衍射分析
第一篇：实验： X射线衍射分析
X射线衍射分析
一:实验目的
(1)概括了解X射线衍射仪的结构及使用。

(2)练习用PDF(ASTN)卡片以及索引，对多相物质进行相分析。

二：X射线衍射仪简介
近年来，自动化衍射仪的使用已日趋普遍。

传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、记录仪等几部分组成。

自动化衍射仪是近年才面世的新产品，它采用微计算机进行程序的自动控制。

入射x射线经狭缝照射到多晶试样上，衍射线的单色化可借助于滤波片或单色器。

如图1所示，D／max—rc所附带的石墨弯晶单色器的反射效率在28.5％以上。

衍射线被探测器(目前使用正比计数器)所接受，电脉冲经放大后进入脉冲高度分析器。

操作者在必要时可利用该设备自动画出脉冲高度分布曲线，以便正确选择基线电压与上限电压。

信号脉冲可送至数率仪，并在记录仪上画出衍射图。

脉冲亦可送人计数器(以往称为定标器)，经微处理机进行寻峰、计算峰积分强度或宽度、扣除背底等处理，并在屏幕上显示或通过打印机将所需的图形或数字输出。

D／max—rc 衍射仪目前已具有采集衍射资料、处理图形数据、查找管理文件以及自动进行物相定性分析等功能。

图1 D／max—rc工作原理方框图
物相定性分析是X射线衍射分析中最常用的一项测试。

D／max—rc衍射仪可自动完成这一过程。

首先，仪器按所给定的条件进行衍射数据的自动采集，接着进行寻峰处理并自动启动检索程序。

此后系统将进行自动检索匹配，并将检索结果打印输出。

衍射仪法的优点较多：如速度快、强度相对精确、信息量大、精度高、分析简便、试样制备简便等。

衍射仪对衍射线强度的测量是利用电子计数管（electronic counter）直接测定的。

这里关键要解决的技术问题是：1.X射线接收装置--计数管；2.衍
射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；3.相同的（hkl）镜面也是全方向散射的，所以要聚焦；4.计数管的移动要满足布拉格条件。

这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：1.X射线测角仪——解决聚焦和测量角度的问题；2.辐射探测仪——解决记录和分析衍射线能量问题。

X射线衍射仪的光学原理图如下：
测角仪是衍射仪的核心部件。

(1)样品台S：位于测角仪中心，可以绕O轴旋转，O轴与台面垂直，平板状试样C放置于样品台上，要与O轴重合，误差小于0.1mm；(2)X射线源：X射线源是由X射线管的靶上的线状焦点F发出的，F也垂直于纸面，位于以O为中心的圆周上，与O轴平行；(3)光路布置：发散的X射线由F发出，投射到试样上，衍射线中可以收敛的部分在光阑处形成焦点，然后进入技术管。

(4)测角仪台面：狭缝、光阑和计数管固定在测角仪台面上，台面可以绕O轴转动，角位置可以从刻度盘上读出。

(5)测量动作：样品台和测角仪台可以分别绕O轴转动，也可以机械连动，机械连动时样品台转过θ角时计数管转动2θ角，这样设计的目的是使X射线在板状试样表面的入射角经常等于反射角，常称这一动作为θ-2θ连动。

X光管产生的特征X射线经准直狭缝以θ角入射到样品表面，其衍射光线由放在与入射x射线成2θ角的探测器测量（强度I）。

θ-2θ角可由测角仪连续改变（扫描），测出相应I-θ曲线，从而获得物质结构信息。

三：操作规程
由指导老师讲解
四：实验结果
五：实验内容及报告要求
(1)由指导教师在现场介绍X射线衍射仪的构造，进行操作表演，并描画一两个衍射峰。

(2)以2~3人为一组，按事先描绘好的多相物质的衍射图进行物相定性分析。

(3)记录所分析的衍射图的测试条件，将实验数据及结果以表格形式列出。

六：思考题
(1)利用X射线进行物相分析是，对试样有什么要求？(2)简要说明X射线衍射一的主要功能。

第二篇：X射线衍射分析
X射线衍射分析实验目的
1、了解X衍射的基本原理以及粉末X衍射测试的基本目的；
2、掌握晶体和非晶体、单晶和多晶的区别；
3、了解使用相关软件处理XRD测试结果的基本方法。

实验原理
1、晶体化学基本概念
晶体的基本特点与概念：①质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。

②空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。

③晶体结构=空间点阵+结构单元。

非晶部分主要为无定形态区域，其内部原子不形成排列整齐有规律的晶格。

对于大多数晶体化合物来说，其晶体在冷却结晶过程中受环境应力或晶核数目、成核方式等条件的影响，晶格易发生畸变。

分子链段的排列与缠绕受结晶条件的影响易发生改变。

晶体的形成过程可分为以下几步：初级成核、分子链段的图1 14种Bravais点阵
表面延伸、链松弛、链的重吸收结晶、表面成核、分子间成核、晶体生长、晶体生长完善。

Bravais提出了点阵空间这一概念，将其解释为点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞，并要求单胞相等棱与角数最多。

满足上述条件棱间直角最多，同时体积最小。

1848年Bravais证明只有14种点阵。

晶体内分子的排列方式使晶体具有不同的晶型。

通常在结晶完成后的晶体中，不止含有一种晶型的晶体，因此为多晶化合物。

反之，若严格控制结晶条件可得单一晶型的晶体，则为单晶。

2、X衍射的测试基本目的与原理
X射线是电磁波,入射晶体时基于晶体结构的周期性，晶体中各个电子的散射波可相互干涉。

散射波周相一致相互加强的方向称衍射方向。

衍射方向取决于晶体的周期或晶胞的大小,衍射强度是由晶胞中各个原子及其位置决定的。

由倒易点阵概念导入X射线衍射理论, 倒易点
落在Ewald 球上是产生衍射必要条件。

1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X 射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。

这就是X射线衍射的基本原理。

衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：
2dsinθ=nλ式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长。

布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。

X 射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。

对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。

其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。

晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。

薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。

织构分析、残余应力分析。

不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。

微量样品和微区试样分析。

实验室及过程自动化、组合化学。

纳米材料等领域。

仪器与试剂
仪器型号及生产厂家：丹东浩元仪器有限公司DX-2700型衍射仪。

测试条件：管电压40KV；管电流40mA；X光管为铜靶，波长1.5417Å；步长0.05°，扫描速度0.4s；扫描范围为20°～80°。

试剂：未知样品A。

4 实验步骤
1、打开电脑主机电源。

2、开外围电源：先上拨墙上的两个开关，再开稳压电源（上拨右边的开关，标有稳压）。

3、打开XRD衍射仪电源开关（按下绿色按钮）。

4、开冷却水：先上拨左边电源开关，再按下RUN按钮，确认流量在20左右方可。

5、开高压（顺时针旋转45°，停留5s，高压灯亮）。

6、打开XRD控制软件XRD Commander。

7、防光管老化操作：按照20KV、5mA；25KV、5mA；30KV、5mA；35KV、5mA；40KV、5mA；40KV、40mA程式分次设置电压、电流，每次间隔3分钟。

设置方法：电压、电流跳到所需值后点set。

8、设置测试条件：设置扫描角度为3°~80°，步长0.05°，扫描速度0.4s。

9、点击Start开始测试。

10、降高压：将电压、电流分别降至20KV，5mA后，点击Set 确认。

11、关高压：逆时针旋转45°，高压灯灭。

12、等待5min，再关闭冷却水，先关RUN，再关左边电源。

13、关闭控制软件（XRD Commander）。

14、关XRD衍射仪电源开关（按下红色按钮）。

15、关电脑。

16、关外围电源。

实验数据及结果
本实验测定了一种粉末样品的XRD图谱并对测定结果进行物相检索，判断待测样品主要成分、晶型及晶胞参数。

粉末样品的XRD图谱：图2 未编号粉末样品X-Ray衍射图谱实验结果分析与讨论
数据处理：对图谱进行物相检索
结论：经过对样品谱图进行物相检索，发现该粉末样品中含有两种晶相，主相为Sr2CaMoO6,另外一种杂相为SrMoO4.7 思考题
1、简述X射线衍射分析的特点和应用。

答：X射线衍射仪具有易升级，操作简便和高度智能化的特点，灵活地适应地矿、生化、理化等多方面、各行业的测试分析与研究任务。

X 射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。

对材料学、物理学、化学、地质、环境、纳米材
料、生物等领域来说，X射线衍射仪都是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新材料，宏观表象转移至微观认识,建立新理论和质量控制不可缺少的方法。

其主要分析对象包括：物相分析(物相鉴定与定量相分析)。

晶体学（晶粒大小、指标化、点参测定、解结构等）。

薄膜分析(薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度与层序分析，高分辨衍射测定单晶外延膜结构特征)。

织构分析、残余应力分析。

不同温度与气氛条件与压力下的结构变化的原位动态分析研究。

微量样品和微区试样分析。

实验室及过程自动化、组合化学。

纳米材料等领域。

2、简述X射线衍射仪的工作原理。

答：用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。

当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合布拉格方程的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。

当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型。

第三篇：X射线衍射分析思考题
X射线衍射分析思考题
1.X射线学有几个分支?每个分支的研究对象是什么?
2.什么叫“相干散射”、“非相干散射”?
3.产生X射线需要什么条件?
4.连续X射线谱是怎样产生的?其短波限由什么决定?
5.特征X射线谱是怎样产生的?为什么特征谱对应的波长不变?
6.试推导布拉格方程
7.什么是结构因子(结构振幅)? 结构因子表征了什么? 8.写出面心立方点阵中能产生衍射的前5个晶面(干涉面).9.物相定性分析的原理是什么? 10.若待测物质中有两种物相,定性分析时有哪些步骤? 透射电镜与高分辨显微方法思考题
1.电子波长由什么决定?常用透射电镜的电子波长在什么范围内?
2.透射电镜主要由哪几部分组成?各部分的主要功能?
3.比较光学显微镜
和电子显微镜的异同点。

4.影响透射电子显微镜分辨率的因素? 5.球差、像散和色差是怎样造成的？如何减小这些像差？哪些是可消除的像差？
6.有几种主要的透射电镜样品制备方法？各自的应用范围？双喷减薄和离子减薄各适用于制备什么样品？
7.发生电子衍射产生的充要条件是什么? 8.说明体心立方和面心立方晶体结构的消光规律，分别写出两种结构前10个衍射晶面。

9.何为质厚衬度？说明质厚衬度的成像原理。

10.试推导电子衍射的基本公式.11.如何利用已知参数的多晶样品标定透射电镜有效相机常数？
12.说明已知相机常数及晶体结构时单晶衍射花样标定的基本步骤.13.何为明场像？何为暗场像？画出明场成像和中心暗场成像光路图。

14.何为相位衬度？相位衬度条件下可获得什么图像？
15.有几种常见的高分辨电子显微像？说明形成不同高分辨像所需的衍射条件
1.电子束与固体样品相互作用时能产生哪些信号？它们有什么特点？各自的产生机理是什么?
2.入射电子束强度与各激发信号强度之间有什么关系?为什么吸收电子像衬度与二次电子像和背散射电子像衬度相反?
3.扫描电镜的分辨率与什么因素有关?为什么不同信号成像的分辨率不同?
4.与透射电镜相比,扫描电镜有什么特点?其主要用途是什么?
5.扫描电镜的主要性能指标有哪些?各代表什么含义?
6.说明扫描电镜中二次电子像的形貌衬度是怎样形成的？颗粒尺寸大小对衬度有何影响？
7.分别说明波谱仪和能谱仪的工作原理,它们各有什么优缺点？
8.电子探针仪主要有几种分析方法?各用于进行什么检测?
9.俄歇电子有什么特点?俄歇电子能谱仪的主要用途? 10.扫描隧道显微镜有几种工作模式？请分别加以说明
第四篇：第一章X射线衍射分析
第一章
1．讨论同一物质的吸收谱和发射谱概念中二者之间的关系：
2．名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应。

3．X射线的本质是什么？ 4．连续X射线的特点？
5．相干散射和非相干散射的特点？
6．特征X射线谱与连续谱的发射机制之主要区别何在？
7．试述由布拉格方程与反射定律导出衍射矢量方程的思路。

8．当波长为λ的X射线照射到晶体并出现衍射线时，相邻两个（hkl）反射线的波程差是多少？相邻两个（HKL）反射线的波程差又上多少？ 9，判别下列哪些晶面属于[111]晶带：（110），（231），（231），（211），（101），（133），（112），（132），（011），（212）
10．概念：晶面指数与晶向指数、晶带、干涉面、X射线散射、衍射与反射。

11．试述布拉格公式2dHKLsinθ=λ中各参数的含义，以及该公式有哪些应用？
12．当X射线在原子上发射时，相邻原子散射线在某个方向上的波程差若不为波长的整数倍，则此方向上必然不存在反射，为什么？
13．当波长为λ的X射线在晶体上发生衍射时，相邻两个（hkl）晶面衍射线的波程差是多少？相邻两个HKL干涉面的波程差又是多少？第五篇：实验九晶体X射线衍射
实验九晶体X射线衍射
前言：
1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄,以表彰他发现了晶体的X射线衍射。

劳厄发现 X射线衍射是20世纪物理学中的一件有深远意义的大事，因为这一发现不仅说明了X射线的认识迈出了关键的一步, 而且还第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证,使晶体物理学发生了质的飞跃。

证明原子的真实性。

从此以后, X射线学在理论和实验方法上飞速发展, 形成了一门内容极其丰，应用极其广泛的综合学科。

X射线衍射技术是利用X射线在晶体.非晶体中衍射与散射效应，进行物相的定性和定量分析.结构类型和不完整性分析的技术，目前已经广泛使用。

由于X射线的波长位于0.001-10 nm之间，与物质的结构单元尺寸数量级相当，因此X射线技术成为物质结构分析的主要分析手段，广泛应用于物理学、化学、医学、药学、材料学、地质学和矿物学等
学科领域。

实验目的：
1.理解晶体的基本概念和XRD的基本原理。

2.了解并掌握X-射线衍射仪的结构和使用方法。

3.熟悉定性相分析方法。

4.培养学生获得一定的独立工作能力和科学研究能力。

实验仪器：
DX-2500 型衍射仪由丹东方圆仪器有限公司制造，采用多CPU系统完成X射线发生器.测角仪控制及数据采集，精确地测定物质的晶体结构.点阵常数.物质定性和定量分析，安装相应附件能完成物质的织构.应力测定。

1.X射线管
X射线管主要分密闭式和可拆卸式两种。

广泛使用的是密闭式, 由阴极灯丝、阳极、聚焦罩等组成, 功率大部分在1～2千瓦。

可拆卸式X射线管又称旋转阳极靶,其功率比密闭式大许多倍, 一般为 12～60千瓦。

常用的X射线靶材有W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。

X射线管线焦点为1×10平方毫米, 取出角为3～6度。

选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。

2.测角仪测角仪是粉末X射线衍射仪的核心部件，主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、样品座及闪烁探测器等组成。

1）衍射仪一般利用线焦点作为X射线源S。

如果采用焦斑尺寸为1×10平方毫米的常规X射线管，出射角6°时，实际有效焦宽为0.1毫米，成为0.1×10平方毫米的线状X射线源。

2）从S发射的X射线，其水平方向的发散角被第一个狭缝限制之后，照射试样。

这个狭缝称为发散狭缝(DS)，生产厂供给1/6o、1/2o、1o、2o、4°的发散狭缝和测角仪调整用0．05毫米宽的狭缝。

3）从试样上衍射的X射线束，在F处聚焦，放在这个位置的第二个狭缝，称为接收狭缝(RS)．生产厂供给0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米宽的接收狭缝。

4）第三个狭缝是防止空气散射等非试样散射X射线进入计数管，称为防散射狭缝(SS)。

SS和DS配对，生产厂供给与发散狭缝的发射
角相同的防散射狭缝。

5）S1、S2称为索拉狭缝，是由一组等间距相互平行的薄金属片组成，它限制入射X射线和衍射线的垂直方向发散。

索拉狭缝装在叫做索拉狭缝盒的框架里。

这个框架兼作其他狭缝插座用，即插入DS，RS和SS．
3.X射线探测记录装置
衍射仪中常用的探测器是闪烁计数器(SC)，它是利用X射线能在某些固体物质(磷光体)中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流。

由于输出的电流和计数器吸收的x光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度。

闪烁计数管的发光体一般是用微量铊活化的碘化钠(NaI)单晶体。

这种晶体经X射线激发后发出蓝紫色的光。

将这种微弱的光用光电倍增管来放大．发光体的蓝紫色光激发光电倍增管的光电面(光阴极)而发出光电子(一次电子)。

光电倍增管电极由10个左右的联极构成，由于一次电子在联极表面上激发二次电子，经联极放大后电子数目按几何级数剧增(约106倍)，最后输出像正比计数管那样高(几个毫伏)的脉冲。

4.计算机控制、处理装置
衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。

数据分析处理包括平滑点的选择.背底扣除.自动寻峰.d值计算，衍射峰强度计算等。

实验内容：
1.测量室温下单晶硅样品、多晶ZnO粉末样品和多晶ZnO薄膜样品的XRD谱
首先熟悉样品架.样品台.X射线管.测量仪器和软件。

把样品置于样品台上放好，开启仪器进行测量。

多晶粉末试样必需满足这样两个条件：晶粒要细小，试样无择优取向(取向排列混乱)。

所以，通常将试样研细后使用。

可用玛瑙研钵研细。

对薄膜样品，要将其剪成合适大小，用胶带纸粘在支架上即可。

2.物相定性分析
X射线衍射物相定性分析方法有以下几种：
a.三强线法：
（1）从前反射区（90°～20o）中选取强度最大的三根线，并使其d值按强度递减的次序排列。

（2）在数字索引中找到对应的d1(最强线的面间距）组。

（3）按次强线的面间距d2找到接近的几列。

（4）检查这几列数据中的第三个d值是否与待测样的数据对应，再查看第四至第八强线数据并进行对照，最后从中找出最可能的物相及其卡片号。

（5）从档案中抽出卡片，将实验所得d及I/I1跟卡片上的数据详细对照，如果完全符合，物相鉴定即告完成。

如果待测样的数据与标准数据不符，则须重新排列组合并重复（2）～（5）的检索手续。

如为多相物质，当找出第一物相之后，可将其线条剔出，并将留下线条的强度重新归一化，再按过程（1）～（5）进行检索，直到得出正确答案。

b.特征峰法：
对于经常使用的样品，其衍射谱图应该充分了解掌握，可根据其谱图特征进行初步判断。

例如在26.5度左右有一强峰，在68度左右有五指峰出现，则可初步判定样品含SiO2。

c.参考文献资料法：
在国内国外各种专业科技文献上，许多科技工作者都发表很多X 射线衍射谱图和数据，这些谱图和数据可以作为标准和参考供分析测试时使用。

d.计算机检索法：
随着计算机技术的发展，计算机检索得到普遍的应用。

这种方法可以很快得到分析结果，分析准确度在不断提高。

但最后还须经认真核对才能最后得出鉴定结论。

实验原理和实验参数选择：
1.实验原理
英国物理学家布拉格父子把空间点阵理解为互相平行且面间距相等的一组平面点阵(或面网)，将晶体对X射线的衍射视为某些面网对X 射线的选择性反射。

从面网产生反射的条件出发，得到一组面网结构
发生反射(即衍射)的条件，既布拉格方程。

X射线有强的穿透能力，在X射线作用下晶体的散射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射线互相干涉外，各原子面的散射线之间还要互相干涉。

这里只讨论两相邻原子面的散射波的干涉。

它们的光程差为2dsinθ。

当光程差等于波长λ的整数倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件为：λ=2dsinθ。

布拉格方程推导示意图
每一种结晶物质都有各自独特的晶胞参数和晶体结构。

在已知波长λ的X射线辐射下，X光在物质的某晶面上产生衍射，并得到衍射曲线(横坐标为2θ, 单位：度˚；纵坐标为强度，单位：原子单位a.u.)。

根据布拉格(W.L.Bragg)方程λ =2dsinθ(θ为衍射角或布拉格角，单位：度)就可以计算出该物质的晶面距离d值（单位：Å）。

衍射线的绝对强度(I)和相对强度(I/I0 或I/I1)同时给出。

由于目前的仪器配有计算机操作系统，计算机可以根据衍射曲线进行数据处理，直接给出d.I值。

没有任何两种物质，它们的晶胞大小.质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。

因此，当x射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d 和衍射线的相对强度I/I0来表征。

其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。

所以任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I0是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。

非晶态的物质(或结晶度很低的物质)在已知波长X射线的辐射下，同样可以产生衍射，但得到的衍射曲线为一个或几个很宽的衍射峰。

2.实验参数选择 a.阳极靶的选择
选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。

必须根据试样所含元素的种类来选择最适宜的特征X射线波长(靶)．当X射线的波长稍短于试样成分元素的吸收限时，试样强烈地吸收X射线，并激发产生成分元素的荧光X射线，背底增高。

其结果是。