X射线衍射分析(XRD)
XRD分析方法介绍
XRD分析方法介绍X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）是一种非常重要的物质结构表征技术，广泛应用于材料科学、化学、地球科学、生命科学等领域。
它通过将X射线射向样品，然后测量和分析X射线经过样品后的衍射图样，从而得到样品的结构信息。
1.非破坏性：XRD是一种非破坏性分析方法，样品在接受X射线照射后不会发生永久性损伤，可以反复使用。
2.不受样品形态限制：XRD适用于固体、液体、薄膜和粉末等形态的样品，对样品的晶型、晶体结构和晶粒尺寸等信息进行分析。
3.高分辨率：XRD可以提供较高的分辨率，可以检测出样品中微小的结构变化，如晶格畸变、相变等。
4.定量分析：XRD可以进行定量分析，通过衍射峰的强度和位置，可以获取样品中不同晶相的含量，并计算晶格参数、物相纯度等信息。
5.多功能性：除了结构表征外，XRD还可以用于拟合数据、表面分析、粒度分析等应用。
1.菲涅尔衍射法：菲涅尔衍射法是一种传统的XRD方法，主要用于粉末样品的结构分析。
它是通过测量样品晶粒间隔的变化，然后将这些信息转换为衍射图样，从而得到样品的结构信息。
2. Laue衍射法：Laue衍射法是一种快速的结构分析方法，主要用于晶体表面和薄膜样品的分析。
它通过将样品放在X射线束下，然后测量并分析样品中衍射出的X射线图样，从而得到样品的结构信息。
3.粉末衍射法：粉末衍射法是一种广泛应用的XRD方法，主要用于粉末样品的结构分析。
它是通过将样品制成细粉，然后进行衍射测量，并根据布拉格方程计算晶格参数和相量等信息。
4.单晶衍射法：单晶衍射法是一种高精度的XRD方法，主要用于单晶样品的结构分析。
它是通过将样品制成单晶，然后测量和分析样品中衍射出的X射线图样，从而得到样品的三维晶体结构信息。
5.傅立叶变换衍射法：傅立叶变换衍射法是一种用于薄膜和多晶样品的XRD方法，主要用于分析样品中的表面形貌、界面反应等信息。
它是通过将样品经过傅立叶变换，将时域中的信号转换为频域中的信号，然后提取相应的结构信息。
X射线衍射分析
• 是目前国内最先进的多晶衍射仪
• 可测定材料样品的X射线衍射花样，进行物相 分析、多峰分离、晶粒大小计算、结构度计算、 取向度分析、长周期分析、晶粒分布分析 • 在高分子材料、工程塑料、纳米材料的研究和 应用研究中发挥重要作用
• 在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶 向指数时相同； • 求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面 与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该 晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一 负值； • 取各截距的倒数； • 将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号， 即表示该晶面的指数，记为(h k l)。
物相定性分析的基本步骤
• （1）制备待分析物质样品；
• （2）用衍射仪法或照相法获得样品衍射花样；
• （3）利用索引检索PDF卡片；
• （4）核对PDF卡片与物相判定。
PDF卡片
物相分析存在的问题
• ⑴ 待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强 线，而是两个或两个以上相的某些次强或三强线叠加 的结果。这时若以该线作为某相的最强线将找不到任 何对应的卡片。 • ⑵ 在众多卡片中找出满足条件的卡片，十分复杂而繁 锁。虽然可以利用计算机辅助检索，但仍难以令人满 意。 • ⑶ 定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者Ｋ 值测定及计算，都是复杂而艰巨的工作。
• 将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号， [u v w]即为待定晶向的晶向指数。
晶向指数的意义
• 表示所有相互平行、方向一致的晶向；
• 所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号 相反； • 晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一 个晶向族，用<u v w>表示
X射线衍射XRD分析1课件
（2）X射线的粒子性
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。它具有一定的能量和动量。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： 能量： hv
hc
动量： p
h
h 为 普 朗 克 常 数 ， 为 6.625×10-34J· s，c为光速，为 2.998×108m/s
1.1 X 射线的发现
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。
特征X射线的命名方法
因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外， 还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射因波 长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长 长而被吸收。 Kα 双线的产生与原子能级的精细结构相关。 L 层 的8个电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层 上。 Kα 双线系电子分别由 LⅢ 和 LⅡ 两个亚层跃迁 到K层时产生的辐射，而由LI亚层到K层因不符合 选择定则（此时ΔL＝0），因此没有辐射。
周上祺， X 射线衍射分析，重庆大学出版社， 1991. 刘粤惠，刘平安. X射线衍射分析原理与应用， 化学工业出版社， 2003年10月
1. X射线的物理基础
1.1 X射线的发现 1.2 X射线的本质 1.3 X射线的产生及X射线管 1.4 X射线谱 1.5 X射线与物质的相互作用 1.6 X射线的探测与防护
正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、
X射线衍射仪技术(XRD)
一站式的材料检测、分析与技术咨询服务X射线衍射仪技术（XRD）1、X 射线衍射仪技术（XRD）X射线衍射仪技术(X-ray diffraction，XRD)。
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射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。
当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象,物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。
X 射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
因此,X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法,已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。
2. X射线衍射仪技术（XRD）可为客户解决的问题（1）当材料由多种结晶成分组成，需区分各成分所占比例，可使用XRD物相鉴定功能，分析各结晶相的比例。
（2）很多材料的性能由结晶程度决定，可使用XRD 结晶度分析，确定材料的结晶程度。
（3）新材料开发需要充分了解材料的晶格参数，使用XRD可快捷测试出点阵参数，为新材料开发应用提供性能验证指标。
（4）产品在使用过程中出现断裂、变形等失效现象，可能涉及微观应力方面影响，使一站式的材料检测、分析与技术咨询服务用XRD可以快捷测定微观应力。
（5）纳米材料由于颗粒细小,极易形成团粒,采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。
采用X射线衍射线线宽法(谢乐法)可以测定纳米粒子的平均粒径。
3. X射线衍射仪技术（XRD）注意事项（1）固体样品表面＞10×10mm，厚度在5μm以上，表面必须平整，可以用几块粘贴一起。
（2）对于片状、圆拄状样品会存在严重的择优取向，衍射强度异常，需提供测试方向。
（3）对于测量金属样品的微观应力（晶格畸变），测量残余奥氏体，要求制备成金相样品，并进行普通抛光或电解抛光，消除表面应变层。
XRD
X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等。
X射线衍射分析-样品要求1、金属样品如块状、板状、圆拄状要求磨成一个平面，面积不小于10X10毫米，如果面积太小可以用几块粘贴一起。
2、对于片状、圆拄状样品会存在严重的择优取向，衍射强度异常。
因此要求测试时合理选择响应的方向平面。
3、对于测量金属样品的微观应力（晶格畸变），测量残余奥氏体，要求样品不能简单粗磨，要求制备成金相样品，并进行普通抛光或电解抛光，消除表面应变层。
4、粉末样品要求磨成320目的粒度，约40微米。
粒度粗大衍射强度底，峰形不好，分辨率低。
要了解样品的物理化学性质，如是否易燃，易潮解，易腐蚀、有毒、易挥发。
5、粉末样品要求在3克左右，如果太少也需5毫克。
6、样品可以是金属、非金属、有机、无机材料粉末。
用途1、物相分析衍射图晶体的Ｘ射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其Ｘ射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是Ｘ射线衍射物相分析方法的依据。
制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。
鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。
目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。
xrd的工作原理及使用方法
xrd的工作原理及使用方法
X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是一种常用的材料分析技术，用于研究晶体结构、晶体学和非晶态材料的结构特征。
下面是XRD的工作原理和使用方法的概述：
工作原理：XRD利用入射X射线与样品中的原子发生衍射现象，通过测量衍射图样来推导出样品的晶体结构、晶格常数、晶格畸变等信息。
其基本原理可以概括为布拉格定律，即入射X射线在晶体中的衍射现象遵循2d sinθ = nλ，其中d是晶面间距，θ是衍射角度，n是整数倍数，λ是入射X射线的波长。
使用方法：
1.准备样品：需要准备一定数量的样品，可以是晶体样品或
非晶态材料样品。
晶体样品必须具有规则的晶体结构，而
非晶态材料样品则可以是无定型的或非晶结构的材料。
2.调节仪器参数：根据样品的特性和研究目的，调整XRD仪
器的参数，如X射线管的电流和电压、入射角范围、衍射
角范围等。
选择合适的参数可以获得更准确的结果。
3.扫描样品：将样品放置在XRD仪器中的样品台上，通过控
制仪器进行扫描。
仪器将采集到的衍射数据转换为衍射图
样或衍射强度图像。
4.分析数据：根据获得的衍射图样或衍射强度图像，使用专
业的XRD分析软件对数据进行处理和分析。
这可以包括通
过模拟与标准数据的比对来确定样品的晶体结构或晶格常
数，通过解析峰的位置和形状来研究晶体的畸变等。
XRD技术可应用于多个领域，如材料科学、地球科学、生物化学等。
它可以帮助研究者了解材料的结构和性质，发现新的材料性质，并优化材料的制备和加工工艺。
X射线衍射法-XRD
X射线的发现
伦琴很晚也没有回家，于是 他的妻子来实验室看他，当 时伦琴要求他的妻子用手捂 住照相底片，就得到了这张 戴有戒指的手指骨头的影像。 不过当时伦琴还不知道它是 什么射线，X表示未知，于 是取名“X射线”。
X射线的简介
X射线可以用于医学成像诊断，例如 常见的胸透。 这是由于当X射线与原子撞击后，原 子中电子跃迁至较高电子轨态，而 原子吸收X射线能量。 一般来说，较大的原子有较大机会 吸收X射线。人体的骨头比软组织含 较多的钙离子，因而骨头比软组织 吸收较多X射线。 并且X射线照射到某些化合物如铂氰 化钡时，可使物质感光。 因此，X射线可以用于检查人体。此 外， X射线也可以用于金属探伤。
X射线的产生原理
X射线的产生原理：高压加速的电子轰击金属原子，电子 减速或停止，电子损失的能量以电磁辐射的形式从金属原 子发出，产生X射线。 X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空 管。阴极向阳极发射高速电子，高速电子轰击阳极金属靶， 产生X射线。
具体地说，高压加速电子轰击阳极金属靶。将靶极原子内 层即K、L层电子逐出，产生空穴, 空穴由外层电子跃迁填 入，同时释放出能量，就产生具有特征波长的特征X射线。
X射线衍射分析法-单晶法
晶体空间堆积图
X射线衍射分析法-粉末法
（1）照相法 照相法以德拜法的应用最为 普遍， 它是以一束准直的特征X射 线照射到小块粉末样品上， 用卷成圆柱状并与样品同轴 安装的窄条底片记录衍射信 息。 照相法获得的衍射图是一些 衍射弧。如图所示。
X射线衍射分析法-粉末法
X射线衍射分析法 XRD
X射线的简介
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
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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。
X射线衍射仪(XRD)
X 射线衍射仪（XRD ）1、X 射线衍射仪（XRD ）原理当一束单色 X 射线照射到晶体上时，晶体中原子周围的电子受X 射线周期变化的电场作用而振动，从而使每个电子都变为发射球面电磁波的次生波源。
所发射球面波的频率与入射的X 射线相一致。
基于晶体结构的周期性，晶体中各个原子（原子上的电子）的散射波可相互干涉而叠加，称之为相干散射或衍射。
X 射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量原子散射波相互干涉的结果。
每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。
根据上述原理，某晶体的衍射花样的特征最主要的是两个：（1）衍射线在空间的分布规律；（2）衍射线束的强度。
其中，衍射线的分布规律由晶胞大小，形状和位向决定，衍射线强度则取决于原子的品种和它们在晶胞的位置，因此，不同晶体具备不同的衍射图谱。
在混合物中，一种物质成分的衍射图谱与其他物质成分的存在与否无关，这就是利用X 射线衍射做物相分析的基础。
X 射线衍射是晶体的“指纹”，不同的物质具有不同的X 射线衍射特征峰值(点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等)，结构参数不同则X 射线衍射线位置与强度也就各不相同，所以通过比较X射线衍射线位置与强度可区分出不同的物质成分。
布拉格方程，其中n 为衍射级数图1.1 布拉格衍射示意图布拉格方程反映的是衍射线方向和晶体结构之间的关系。
对于某一特定的晶体而言，只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强，才会出现衍射条纹，这就是XRD 谱图的根本意义所在。
对于晶体材料，当待测晶体与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射的晶面就会被检测出来，体现在X 射线衍射（XRD ）图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰。
对于非晶体材料，由于其结构不存在晶体结构中原子排列的长程有序，只是在几个原子范围内存在着短程有序，故非晶体材料的X 射线衍射（XRD ）图谱为一些漫散射馒头峰。
n λ=2dsin θ应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料中查出试样中所含的元素。
x射线衍射物相定量分析
x射线衍射物相定量分析X射线衍射物相定量分析（XRD）是一种利用X射线技术定量分析有机物质的分析方法。
它可以准确测量有机物质中不同元素的含量，以及有机物质的物相变化。
在定量分析后，可以得出分析结果，同时也可以依据定量结果，估算出物质中各种物相的质量分数比例。
X射线衍射物相定量分析是基于X射线衍射原理进行的分析法。
当X射线照射到样品上时，样品由于具有不同的密度、厚度和晶体结构，而会产生出不同的衍射现象。
而在相同的X射线源、同一距离处，不同物相的衍射特征是不同的，它们可以被量析出来。
此外，由于各物相的晶体结构也不同，因此，其衍射带特征也不同，如果能够对晶体结构进行分析，则可以更准确地分析 X线衍射物相定量分析的结果。
X射线衍射物相定量分析技术已经广泛应用于多个领域，如生物分析、化学分析、材料科学、分子结构分析以及金属物相组成分析等。
特别是在分析多元有机物质的物相及含量时，X射线衍射物相定量分析技术能够更加准确地获取有机物质的组成结构及元素含量比例。
X射线衍射物相定量分析技术具有良好的灵敏度，可以准确测量物质中微量元素的含量，并可以精确地分析有机物质物质中多种元素的含量。
此外，X射线衍射物相定量分析技术还具有良好的适应能力，可以测量不同种类、不同形式的有机物质，从而满足不同分析要求。
X射线衍射物相定量分析技术的应用范围很广，并且在科学技术领域中发挥着重要作用，被广泛应用于药物产生、食品安全检测、精细化学品组成分析等方面。
另外，X射线衍射物相定量分析技术还可以用于工业产品的质量控制，帮助企业更好地建立质量控制体系，从而提高产品质量和生产效率。
X射线衍射物相定量分析技术可以为企业提供更为准确有效的定量分析服务，为产品的质量管理提供科学的后盾。
未来，X射线衍射物相定量分析技术将会持续被广泛应用在各个领域，以服务更多的企业及科研领域。
XRD分析方法与原理
XRD分析方法与原理XRD（X射线衍射）是一种常用的材料表征方法，主要用于分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体质量、相变、畸变等信息。
本文将重点介绍XRD分析方法和原理。
一、XRD分析方法1．样品制备样品制备是XRD分析的第一步，在分析前需要制备符合要求的样品。
对于晶体实验，需要制备单晶样品，通常通过溶液法、溶剂挥发法、梳子法等方法产生单晶样品。
对于非晶体实验，需要制备适当粒度的多晶粉末样品，通常通过高温煅烧、溶剂挥发、凝胶法、机械研磨等方法制备。
2．仪器调试在进行XRD分析之前，需要对X射线衍射仪进行仪器调试。
主要包括对X射线源、样品台、X射线管、光学路径、X射线探测器等进行调节和优化，以保证仪器的性能和准确性。
其中，X射线源的选择和强度的调节对实验结果有重要影响。
3．X射线衍射数据采集在XRD分析中，可以通过改变探测器固定角度和旋转样品台的方式来获取衍射强度与入射角度的关系。
常用的采集方式有传统的扫描模式（2θ扫描或θ/θ扫描）和快速模式（2D探测器或0D点探测器）。
根据样品的特征和所需分析结果选择合适的采集方式。
同时，为了提高信噪比，通常要对衍射强度进行积分或定标。
4．数据处理和解析XRD数据处理和解析是对原始数据进行整理、滤波、相峰识别、数据拟合和解析的过程。
数据处理主要包括基线校正、噪声过滤和峰识别等，以提高数据质量。
数据解析主要是通过拟合方法获得样品的晶体结构参数（晶格常数、晶胞参数）、相对晶粒尺寸、晶体缺陷等信息。
二、XRD分析原理XRD分析原理基于X射线与晶体原子间的相互作用。
当X射线通过物质时，会与物质中的原子发生散射。
其中，由于X射线与晶体中的周期性排列的原子发生构型相吻合的散射，形成相干衍射。
X射线由晶体平面散射后的干涉衍射，在探测器上形成强度峰，峰强度与晶胞架构和原子排布有关。
1．布拉格方程布拉格方程是XRD分析的基本原理之一、它描述了X射线与晶体平面的相互作用。
布拉格方程为：nλ = 2dsinθ，其中n为整数，λ为入射X射线波长，d为晶胞面间距，θ为衍射角度。
X射线衍射分析(XRD)
（4）核对PDF卡片与物相判定。
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多相物质分析
多相物质相分析的方法是按上述基本步骤逐 个确定其组成相。
多相物质的衍射花样是其各组成相衍射花样 的简单叠加，这就带来了多相物质分析(与单 相物质相比)的困难： 检索用的三强线不一定局于同一相，而且还 可能发生一个相的某线条与另一相的某线条 重叠的现象。 因此，多相物质定性分析时，需要将衍射线 条轮番搭配、反复尝试，比较复杂。
X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，
几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。
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1、 X射线的散射
定义：X射线通过物质时，其部分光子 将会改变它们的前进方向这就是散射现 象。 散射现象：包括相干散射和不相干散射
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相干散射或称古典散射
当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层 电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的 强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在 能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚 体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向 发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未 损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此 时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干 散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。
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（1）物相定性分析
基本原理与方法
物质的 X 射线衍射花样特征：分析物质 相组成的“指纹脚印”。
制备各种标准单相物质的衍射花样并使 之规范化，将待分析物质(样品)的衍射 花样与之对照，从而确定物质的组成相。
X射线衍射技术(XRD)
2
5.1 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。
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与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
15
5.3.2 X射线的吸收
物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物 质时转变为其它形式的能量。对X射线而言， 即发生了能量损耗。有时把X射线的这种能量
损耗称为吸收。物质对X射线的吸收主要是由
原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发 生X射线的光电效应和俄歇效应，使X射线的部
分能量转变成为光电子、荧光X射线及俄歇电
第五章 X-射线衍射分析（XRD）
5.1 X-射线的性质 5.2 X-射线的产生 5.3 X-射线与物质的相互作用 5.4 晶体学几何知识
5.5 X-射线衍射分析原理
5.6 X-射线衍射分析应用
1
引言 X-射线
• 1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管 时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉 眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个 “未知数”，故称之为X射线。
5
5.2 X-射线的产生
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。
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特征X射线谱的产生
特征X射线的产生与阳极靶原子中的内层电子 跃迁过程有关。如果管电压足够高，即由阴极发 射的电子其动能足够大的时，那么当它轰击靶时， 就可以使靶原子中的某个内层电子脱离它原来所 在的能级，导致靶原子处于受激状态。此时，原 子中较高能级上的电子便将自发的跃迁到该内层 空位上去，同时伴随有多余的能量的释放。多余 的能量作为X射线量子发射出来。显然，这部分 多余的能量等于电子跃迁前所在的能级与跃迁到 达的能级之间的能量差。
X射线衍射仪XRD相关术语解释
X射线衍射仪XRD相关术语解释X射线衍射仪（XRD）是一种用于研究物质的结构和组成的仪器。
为了更好地理解XRD的工作原理和结果，本文将介绍一些与XRD相关的术语和定义。
衍射衍射是一种物理现象，指波在遇到障碍物时发生弯曲和折射的过程。
在XRD中，衍射是指X射线入射到晶体上后在晶体中结合原子排布的规律产生散射，然后在不同角度形成的衍射条纹。
晶体晶体是指由规则排列的原子、离子或分子构成的固体物质，其维度通常为三维。
晶体的性质可通过X射线衍射技术进行研究，因为X射线的波长与晶体的晶格参数具有相近的尺度。
晶格晶格是指晶体中原子、离子或分子排列的规则网络。
晶格的每个节点上存在一个或多个原子。
XRD技术通过研究晶体的衍射图案以及衍射条纹之间的空间关系，可确定晶格的尺寸、形态和结构。
衍射角衍射角是X射线与样品距离方向之间的夹角。
在XRD实验中，样品通常放置在称为样品台的支架上，使X射线通过样品，并被一块稳定的探测器捕获。
然后，通过测量衍射角来分析样品的晶格结构。
衍射峰衍射峰是指衍射图案中的强度最大处，在XRD图谱中表示为一个特定的角度位置（例如2θ）。
衍射峰的强度与晶体中原子或分子的数量和位置有关。
2θ角2θ角是指XRD图谱中的一个角度值，表示X射线入射样品的角度与探测器之间的夹角。
因此，2θ角为衍射峰在XRD图谱上特定位置的参考角度。
峰宽峰宽是衍射峰的宽度，它可以反映晶体的结构性质。
峰宽越宽，晶体的结构就越不规则或越弱。
当晶体中的离子或原子排列更加规则时，峰宽会变窄。
因此，通过测量衍射峰的峰宽，有助于确定晶体的结构。
相对强度相对强度是指XRD图谱中每个衍射峰的强度相对于最强峰的强度。
相对强度对于确定晶体的结构、组分和粗糙度等方面具有重要意义。
峰位峰位是每个衍射峰的中心位置，表示材料的晶格间距离。
在XRD分析中，测量峰位可以确定晶格参数。
散射角散射角是X射线被物体遇到后偏转的角度。
在XRD中，散射角是指晶体中散射光线与入射光线之间的角度差异。
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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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。
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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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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：
X射线衍射XRD分析1综述
周上祺， X 射线衍射分析，重庆大学出版社， 1991. 刘粤惠，刘平安. X射线衍射分析原理与应用， 化学工业出版社， 2003年10月源自1. X射线的物理基础
1.1 X射线的发现 1.2 X射线的本质 1.3 X射线的产生及X射线管 1.4 X射线谱 1.5 X射线与物质的相互作用 1.6 X射线的探测与防护
第二章 X射线衍射分析（XRD）
环境与资源学院
孙红娟
sunhongjuan@ 2019/4/16
引言
问题
科研、生产、商业和日常活动中，我们经常遇到： 这是一种什么物质？含有那些杂质或有害物质？用 什么方法鉴定？ X射线衍射分析（XRD）的原理？仪器？样品？
XRD除物相分析还能做些什么？
X 射线的发现
伦琴发现， X射线对不同物质 的穿透能力是不同的。他用 X
射线拍了一张其夫人手的照片。
很快， X射线发现仅半年时间， 在当时对 X 射线的本质还不清
楚的情况下， X 射线在医学上
得到了应用。发展了 X射线照 像术。 1895年伦琴初次发现X 射线时，拍摄的他夫 人手指的X射线照
X 射线的发现
现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
与X射线及晶体衍射有关诺贝尔奖获得者
年 份 学 科 1901 物理 1914 物理 1915 1917 1924 1937 1954 1962 1962 1964 1985 1986 1994 得奖者 伦琴Wilhelm Conral Rontgen 劳埃Max von Laue 亨利.布拉格Henry Bragg 物理 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn 戴维森Clinton Joseph Davisson 物理 汤姆孙George Paget Thomson 化学 鲍林Linus Carl Panling 肯德鲁John Charles Kendrew 化学 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 生理医学 Maurice h.f.Wilkins 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 霍普特曼Herbert Hauptman 化学 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 物理 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 物理 沙尔 C.G.Shull 内 容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定 脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 中子谱学 中子衍射
X射线衍射分析XRD
μm突变时的波长值，称为该原子的吸收限
2、 X射线滤波片
把Kβ线及连续X 射线减弱到最小而使K α突出 滤波片材料的吸收限λK介于K α 、 Kβ之间，可以把Kβ和 连续X 射线大部分吸收掉。
Cu靶的X射线光谱在滤波前后的变化
采用滤波片时， K 一般控制滤波后的K α
、α线K也β 要强减度弱比，为因60此0:1滤左波右片。不能过厚，
所有的结点的几何环境与物理环境是相同的
晶面指数： 1．在一组互相平行的晶面中任选一个晶面，量出它在 三个坐标轴上的截距 2．写出三个截距的倒数； 3．将三个倒数分别乘以分母的最小公倍数，把它们化
为三个互质整数h、k、l，即为该组晶面的晶面指数，
记为(hkl)
立
方
晶
系 的
（100）
晶
面
指
数
（200）
晶体结构
一、劳埃方程
a ( cosαh - cosα0 ) =Hλ b ( cosβh - cosβ0 ) =Kλ c ( cosγ程
三维晶体： 先考虑一维原子列
D
C
相邻原子的散射线光程差为：δ = AD – BC = ABcosαh -ABcosα0 = a ( cosαh - cosα0 )
吸收的其它应用：
１.利用吸收限作原子内各壳层的能级图
WK
h K
hc
K
２.计算激发电压
eVK
WK
h K
c h
K
３.Ｘ射线探伤（透视）
４.选择Ｘ射线管靶材的依据
什么叫“相干散射”、“不相干散射”、 “荧光X射线”、“俄歇电子”、“吸收 限”？
衍射现象
定性和定量的关系
晶体结构
有关晶体的基本概念
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X射线分析系列教程
1845 年 3 月 27 日生于德国莱茵省的雷内普（ Lennep）。 1868年伦琴毕业于瑞士苏黎世联邦工程学院，成为一 名机械工程师。 1869年，获哲学博士学位。 1889-1893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。 1894 -1900 年任维尔茨堡大学校长和慕尼黑物理研究 所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。
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1895年年底，他以通信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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伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的 穿透力，从来没有观察到过。于是立刻集中全部精力进 行彻底的研究。他一连许多天把自己关在实验室里，连 自己的助手和家人都不告知。 他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照， 得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金 属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内 部不均匀的情况。他深深地沉浸在这一新奇现象的探讨 中，达到了废寝忘食的地步。
0.001
0.01 0.1 1.0 10.0 100 200 nm
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X射线的能量
量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒子流，每 个光子具有的能量为： (依据X射线的波长即可计算出其能量)
1.24 E (keV ) h h (nm)
1923年2月10日因癌症在慕尼黑去世，享年78岁。
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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。 伦琴对科学有崇高的献身精神。他无条件地把 X射线的 发现奉献给全人类，自己没有申请专利。
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X射线衍射分析技术
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第六章 X射线衍射分析技术
6.1 前言 6.2 X射线物理学基础 6.3 X射线衍射 6.4 X射线衍射仪器 6.5 X射线粉末衍射及应用
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6.1 前言
简单的回顾
1895年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部 门--牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学， 都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。 这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后 的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多 的事好做了。 然而, X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。因伦琴发 现X射线，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引 向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命 的序幕。
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2.X射线的发现过程
1895年，伦琴已经是五十岁的人了，当时他正担任维尔 茨堡大学校长和该校物理研究所所长。 1895 年 11 月 8 日， 正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一 个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放 电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上 有一块亚铂氰化钡做成的荧屏发出闪光。他很奇怪，就 移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过 程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、 木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同 的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起到一定的阻 挡作用。
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连续谱(或韧致辐射)：高速 电子在阳极原子核场中运动 受阻，能量迅速损失而产生 宽带连续X射线谱。
特征X射线：当化学元素受 高能光子或粒子照射，如内 层电子被激发，将产生空穴， 当外层电子跃迁时，就会放 射出特征X射线。
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Cu 靶 产 生 的 X 射 线 谱
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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： 一个原子内的所有电子是分布在K, L, M, N(对应于 n=1,2,3,4,…）等若干个壳层里面。 该理论推测：相邻壳层间的能量差随着主量子数n的减小而 增加，而且从n=2到n=1的电子跃迁会导致非常强烈的辐射 （短波长）； 相反，外层电子跃迁（例如，从n=5到n=4）就弱得多（长 波长).
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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。
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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。 (因为电子流用于产生X射线，所以X光管必须是真空的—— 用于分散到达标靶的能量流量，而且靶的阳极支持材料是 由循环水冷却。)
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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）。
X射线衍射分析的基础
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5.莫塞莱定律
1914 年也是 X 射线物理学进展的重要一年，莫塞莱 （ Henry Gwyn-Jeffreys Moseley）对 X射线轰击不同 靶金属后所产生的特征谱线进行了一系统研究 ，证明 如给各元素指定一定序号 Z（后来称之为原子序数）， 任何元素 X射线谱线的频率的平方根是原子序数的函 数 即:(1/)1/2=Q(Z-) X射线荧光分析的基础
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Pa程
X 射 线 管
劳 厄 斑 点
铅 屏
晶体
底 片
晶体可看作三维 立体光栅 根据劳厄斑点的 分布可算出晶面间距 掌握晶体点阵结构
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德国物理学家
劳厄 ue (1879-1960)
劳埃实验的成功可 以认为是凝聚态物 理学发展史上的一 个里程碑，奠定了 劳埃作为射线衍射 学的开拓者的历史 地位。
公式 E(keV) (nm) =1.24/ E (nm) MgK 1.253 0.9895 CaK 3.69 0.3360 FeK 7.057 0.1757 PbL 10.55 0.1175
c
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2.X射线的产生
X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生的电磁辐射， 包括： - 连续谱(或韧致辐射) - 特征X射线
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6.2 X射线物理学基础
目录 什么是X射线？
X射线的产生
X射线的性质
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1.什么是X射线？
X射线的本质
X射线和可见光一样，都显示波粒二象性，故两者的本质 是相同的， 都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象， 两者的主要差别于波长不同。 X射线是由高能量粒子轰击原子所产生的电磁辐射，电磁 辐射的辐射能是由光子传输的，而光子所取的路径是由波 动场引导。 X射线这种波、粒二象性，可随不同的实验条件表现出来。 显示其波动性有：以光速直线传播、反射、折射、衍射、 偏振和相干散射；显示其微粒性有：光电吸收、非相干散 射、气体电离和产生闪光等。
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4.布拉格定律
1913年，W.L.Bragg父子即对这些劳埃斑点进行了深入 的研究，证明劳埃衍射花样中的各个斑点可以认为是 由晶体中原子较密集的一些晶面反射而得出的，由此 得出著名的
布拉格公式：nλ =2d sinθ （λ =波长 θ =入射角 d=晶面间距）。
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1943年：科学家获得DNA的X射线衍射图
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