X射线衍射法-XRD

白砂糖的晶体
X射线衍射仪

(3)检测器： 检测器用于检测衍射强度或衍射方向, 然后通过仪 器记录系统得到衍射图谱数据。 测角仪是为了使光源、试样、探测器满足一定的 几何衍射条件。 (4)衍射图的处理分析系统： X射线衍射仪一般都有衍射图处理分析软件的计 算机系统。一般的分析软件有Pcpdgwin，Search match，High score和Jade这四种，后两种比较常 用。

X射线衍射仪分析法的应用

3、结晶度的测定 两态分明的体系中衍射图由两部分简单叠加而 成，一部分是晶态产生的衍射峰，另一部分非 晶态产生的弥散隆峰。理论推导得出，质量结 晶度公式： I
Xc
c
I c kI a

其中，Xc：质量结晶度；Ic：晶体部分的衍射 强度；Ia：非晶体部分的衍射强度；k：单位质 量非结晶态与晶态的相对衍射线系数，称总校
X射线衍射仪的操作

三、数据处理及分析： X射线衍射仪软件系统由数据采集处理软件包和 数据处理软件包两部分组成，其中数据采集处理 软件包可对衍射数据进行自动寻峰、手动寻峰、 积分强度、平滑等处理，而应用软件数据处理软 件包 可对衍射数据进行物相定性、定量分析、全 谱图拟合、半高宽和晶粒尺寸计算等处理。
X射线衍射仪的操作

1、测量结束后，手动退出DX-2500系统控制软件。 2、关闭仪器主机电源。 3、20分钟后关闭冷却水泵。
异常情况的处理： 仪器工作中遇到报警,停电等紧急情况,应关掉仪器 上所有控制开关，等待排除故障或来电。 周期核查 ： 在检定周期内,至少做一次周期核查,校验仪器,确 保仪器的工作精度。核查内容包括:峰位准确性,分 辨率和重复性。

X射线衍射仪分析法的应用



1、用于晶体元素和结构的分析： 原理：由布拉格公式nλ=2dsinθ可得， （1）用已知波长λ的X射线照射晶体样品，通过测 定θ，可以计算得出晶体间距d。这就是X射线晶 体结构分析。 （2）用已知d的晶体，通过测量θ，可以计算得出 特征X射线的波长λ，由此查出样品所含的元素。 这就是X射线衍射元素的定性分析。 其中，n为衍射级数，整数。λ为X射线波长。d为 晶面间距。θ为掠射角，入射角的补角。
锰合金的X射线衍射图
纳米氧化铝的XRD分析
X射线衍射分析法


X射线晶体衍射，根据研究对象的不同可以分为 粉末法和单晶法。 粉末法可以用来确定立方晶的晶体结构的点阵形 式、晶胞参数等。 单晶法可以精确给出晶胞参数，晶体中成键原子 的键长、键角等重要的结构数据。
X射线衍射分析法-单晶法


单晶X射线衍射分析的对象是单晶样品，一般为 直径0.1-1mm的完整晶粒。 单晶法X射线衍射分析能提供晶体内部三维空间 的电子云密度分布，晶体中分子的立体构型、构 象、化学键类型、键长、键角、分子间距离和配 合物配位等。
X射线衍射仪的操作


二、分析步骤 ： 1、打开冷却水泵：检查水泵水温设置及实际水温 指示。 2、 制样：按照JY/T 009-1996型号转靶多晶X射 线衍射方法的要求制样。 将制备好的样品平 放在衍射仪的样品台支架上。 3、接通电源：接通主机和计算机系统的电源，开 启主机，启动DX-2500系统控制软件。 4、数据采集：填写参数表后，点击“开始采集数 据”按钮，系统将自动开高压、光闸，开始 测 量，测量结束后将自动光光闸。
X射线衍射仪分析法的应用

物相的定量分析： 则根据各相衍射的强度正比于该组分的量。 物相定量分析方法有: 内标法、外标法、绝热法、 增量法、无标样法、基体冲洗法和全谱拟合法等 常规分析方法。
内标法是最经典的定量物相分析方法。 即在被测的粉末试样中加入一种含量恒定的标准物质制成 复合试样。标准物质一般可用刚玉 (α—Al2O3) 。 通过测定复合试样中待测相的某一衍射线强度与内标物质 某一衍射线强度之比，测定待测相的含量。

X射线衍射现象的发现


1912年，德国物理学家劳厄首先发现了X射线通过 晶体时产生衍射现象。 但是他不是偶然发现的。当初，劳厄就猜想到， X射线很有可能可以在晶体中发生衍射。 他为什么这么猜想呢？这是由于他认为，X射线 波长的数量级是0.1nm 左右，这和固体中的原子 间距大致相当，符合衍射条件。 果然，他的设想得到了实验验证。这就是最早发 现的X射线衍射。 劳厄通过这个发现，证明了X射线的波动性和晶 体结构的周期性，初步解释了X射线的本质。
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。
40.0 35.0
Intensity(Counts)
30.0 25.0 20.0 15.0 10.0
Pattern of Si
5.0 x10^3
Pattern of Al
30 40 50 60 70
X射线衍射仪分析法的应用


物相的定性分析： 物相分析基本方法就是将待 分析物质的衍射图与标准单 相物质的衍射图对照，从而 确定物质的组成相。 衍射仪法得到衍射图谱，目 前常用“粉末衍射标准联合 会(JCPDS)” 的“粉末衍射卡 片（PDF卡片）”进行物相 分析，确定组成。
X射线衍射仪
X射线的产生：阴极发射电子后，高压加速电子，电
子束轰击靶极。将靶极原子内层即K、L层电子逐出，产 生空穴, 此空穴由外层电子跃入，同时释放出能量，就产 生具有特征波长的特征X射线。 电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却。
X射线衍射仪

(2)样品系统： 样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。 晶体可以看作是X射线的三维衍射光栅。
X射线衍射仪分析法的应用


4、晶粒尺寸和点阵畸变的测定 晶粒尺寸是材料形态结构的指标之一。 材料中晶粒尺寸小于10nm时，将导致多晶衍射的 衍射峰显著增宽。故根据衍射峰的增宽可以测定 其晶粒尺寸。 这里需要指出，多晶材料中晶粒数目庞大，且形 状不规则，衍射法所测得的“晶粒尺寸”是大量 不同大小、不同衍射方向的晶粒的一种统计平均。
X射线衍射分析法 XRD
X射线的简介

Байду номын сангаас
X射线是一种电磁波。 1、频率很高，大于紫外线，小于伽玛γ射线。波 长很短，约为0.01~10nm之间。 2、肉眼看不见,但可以使某些材料（如铂氰化钡） 发生可见荧光。
3、穿透力强，能杀死生物细胞，要特别注意防护。

X射线的发现


于1895年，由德国物理学家伦琴发 现，故又称伦琴射线。 当时伦琴在做一个放电实验，阴极 管发出电子加速后轰击金属靶，他 偶然发现了这种能穿过密封装置的 射线。 虽然这种射线肉眼直接看不到，却 可以让氰亚铂酸钡等物质感光。 这种射线竟然能够完全穿透书本、 木板，不留阴影，只有穿过较厚的 金属板才能留下阴影。这让他感到 很兴奋。
X射线衍射仪分析法的应用

2、物相的定性或定量分析 物相分析，即分析物质组分及其含量。 XRD是晶体的“指纹”，不同的物质具有不同的XRD特 征峰值（峰位置、相对强度和扫描范围内的峰数）。

样品中如果存在多个相，样品的衍射谱是各相衍射谱的简 单叠加。
(2) [Si-070104-1s.raw] SCAN: 20.0/100.0/0.02/1(sec), Cu(40kV,250m A), I(max)=125199, 01-05-07 00:22 (1) [E47.raw] SCAN: 15.0/80.0/0.02/0.15(sec), Cu(40kV,250m A), I(max)=12644, 03-31-06 07:26
X射线衍射仪的操作

一、粉晶样品的制备 ： 1、将被测样品在玛瑙研钵中研成不大于500目的 细粉； 2、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； 3、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，使样品表面平整光滑。若是使用 带有窗孔的样品板，则把样板放在表面平整光滑 的玻璃板上，将粉末填入窗孔，捣实压紧即成； 在样品测试时，应使紧贴玻璃板的一面对着入射 X射线。
X射线的衍射原理

这里简要介绍一下衍射中的干涉，干涉是两列或 两列以上的波在空间中发生叠加从而形成新的波 形的现象。 波程差为波长整数倍的方向上始终加强，波程差 为波长整数倍加半波长的方向上始终减弱。从而 形成明暗相间的稳定的三维新波。
干涉的波程差

=

k
明纹
1 2
暗纹
k为整数
粉末照相的成像原理 （放射球、倒易球）
X射线衍射分析法-粉末法

（2）衍射仪法 现代X射线粉末衍射法更多采用衍射仪法。
衍射仪法可以得到衍射图谱，给出的是一系列的 峰。如图所示，横坐标是2θ，纵坐标是衍射强度。 衍射图谱可以提供三种晶体结构信息：衍射峰位 置(角度)、强度和形状(宽度)。

X射线衍射仪

X射线衍射仪主要包括四大部分： X射线源、样品系统、检测器、计算机分析处理 系统。
X射线衍射仪
X射线衍射仪




(1)X射线源： X射线源是利用加速电子束轰击金 属靶，从而产生X射线。产生的X 射线具有靶中元素相对应的特定波 长，称为特征X射线。 如铜靶对应的X射线波长为 0.154056 nm。 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。阴极用 钨丝制成，通电后可发射热电子。 阳极（也称靶极）用高熔点金属制 成，一般用钨。用于晶体结构分析 的X射线管还可用铁、铜、镍等材 料。
X射线的衍射

相隔不久，1912年11月，英国物理学家布拉格父子 解释了X射线晶体衍射，提出了著名的布拉格公式 nλ=2dsinθ，从而使得能够用X射线来获得关于晶体 结构的信息。

其中，n为衍射级数，整数。λ为X射线波长。d为晶 面间距。θ为掠射角，即入射角的补角。
X射线衍射分析法

X射线衍射分析法，是指通过对材料进行X射线衍 射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、内部结 构或形态等信息的研究手段。
X射线的衍射原理

X射线衍射，即XRD （X-ray diffraction的缩写）。 当X射线照射到晶体上时，遇到规则排列的原子 或离子，X射线则以每一个原子为中心发出球面 的相干散射，散射的X射线相互干涉叠加，在某 些方向上相位始终加强或者减弱，从而表现出与 晶体结构相对应的特有的衍射现象。
X射线的衍射原理

X射线照射到的原子平面点阵中，所有原子的散 射波在反射方向的相位是相同的，是干涉加强的 方向。
二维晶体
X射线的衍射原理

由于X射线的波长短，穿透能力强，所以它不仅 可以使晶体表面的原子成为散射波源，而且还能 使晶体内部的原子成为散射波源。
在这种情况下，衍射线应被看成是许多平行的原 子平面散射波的振幅叠加的结果。

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。