5 高分子材料研究方法-X射线衍射分析

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

布拉格方程的讨论

●（1）布拉格方程描述了“选择反射”的规律。产生“选择反射”的方向是各原子面

反射线干涉一致加强的方向，即满足布拉格方程的方向。

●（2）布拉格方程表达了反射线空间方位（θ）与反射晶面面间距（d）及入射线

方位（θ）和波长（λ）的相互关系。

●（3）入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面产生的反射方向上的相

干散射线，而被接收记录的样品反射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线。

布拉格方程的讨论

●（4）布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基元。原

子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉（叠加）的结果。

●（5）衍射产生的必要条件

●“选择反射”即反射定律+布拉格方程是衍射产生的必要条件。

●当满足此条件时有可能产生衍射；若不满足此条件，则不可能产生衍射。

●（6）衍射强度与晶体结构有关,有系统消光现象.

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4. X 射线衍射分析方法

5. X 射线衍射应用

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。

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。

*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。

2.白色、特征X射线谱的产生

白色X射线：“白色”的理解-连续波长；仅与加速电压有关

特征X射线：“单色”；

●X射线的频率由下式决定：

hν＝ω2 —ω1

ω1和ω2为正常状态能量和受激状态能量。

●当打掉K层电子时，外层电子都可能回跃到那个空位上，回跃时产生K 系的X射线光谱。

●K系线中，Kα线相当于电子由L层过渡到K层；Kβ线相当于电子由M层过渡到K层。K

β线比Kα线频率要高，波长较短。整个K系X射线波长最短。结构分析时所采用的就是K系X射线。

eU=1/2mV2

λmin=hc/eU

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。

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。

*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。

*不相干散射-康普顿效应

●当入射X射线光子与物质中的某些电子发生碰撞时，由于这些电子结合松弛，碰撞的结果是X射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。

●这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的

波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射线的波长比入射X射线的能量小、波长大。在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。

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5. X 射线衍射应用

(1) X射线光源

X射线发生器

(2) 测角仪(goniometer)

●测角仪是X射线衍射仪的核心部分。

●S-管靶焦斑M-入射光栅

●P-发散狭缝DS O-测角仪中心D-样品

●Q-防散射狭缝SS F-接收狭缝RS

●C-计数器S-Soller狭缝

●E-支架H-样品台G- 测角仪圆

●样品台位于测角仪中心，样品台的中心轴与测角仪的中心轴(垂直图面)O垂直。

●样品台既可以绕测角仪中心轴转动，又可以绕自身中心轴转动。

(3) 探测与记录系统

X射线衍射仪是用探测器、定标器、计数率仪及其相应的电子线路作为探测与记录系统来代替照相底片记录试样的衍射信号的。

(4) 控制系统

●控制系统是利用电子计算机控制X射线衍射仪测量、记录、数据处理和打印结

果的装置。

3.实验与测量方法

A.样品的制备方法

晶粒尺寸：粉末粒度1-5 µm

注意：样品的均匀性、消除制样过程引起结构上的变化。

B.仪器实验工作参数的选择

一些实验工作参数的选择对衍射图的影响是互相矛盾、互相制约的

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5. X 射线衍射应用

1.理论依据

●(1)Laue方程：

●(2)Bragg方程：

ue法

2.回转晶体法