单晶衍射分析概述02
晶体的几种 X 射线衍射图及应用
在此基础上可进一步计算晶胞中所含原子或“分子” 数
V Z N0 M
式中 为密度, M 为分子量, N0为 阿弗加得罗常数.
6
(2) CCD面探法(或四圆衍射法)
目前使用最为广泛的方法是CCD面探法. 测定物质 结构最为有效的方法是生长出单晶, 测定其结构. CCD
面探法在数小时内可测出晶体结构（四圆衍射法可能需
0.0740 0.1493
0.2053 0.2312 0.2985 0.3543 0.3731 0.4477 0.5037 0.5973 0.6528 0.6715
3.95 7.48
10.94 11.94 15.91 18.90 19.90 23.88 26.86 31.85 34.82 35.81
Cl-: (1/2,1/2,1/2), (1/2,0,0), (0,1/2,0), (0,0,1/2)
23
这种假设是否正确, 则要看由此出发计算得到的衍射强度
与实验粉末线的强度是否一致. 把这些分数坐标代入结构 因子公式(8-9)式得
i ( h k ) i ( k l ) i ( h l ) i ( h k l ) ih ik i l Fhkl f Na 1 e e e f e e e e Cl
B
确定点阵形式: 量取各对弧线间距2L值, 求得 Bragg角hkl ,
sin2hkl值的连比, 得出本例中sin2hkl 值的连比为
3:4:8:11:12:· · · , 由此确定为立方面心点阵形式.
21
C
确定晶胞参数
对弧线对应的 a 值为
h2 k 2 l 2 a 2 sin 2 hkl
5
6 8
04-X射线单晶衍射
i
= Fhkl ( iα hkl ) exp
因此，晶体数据测量后，已知的数据是：晶胞 参数、衍射指标、 结构振幅|Fo| 、可能的空间群、 原子的种类和数目等。
未知的数据是衍射点的相角和原子坐标，这就 是解析结构所需要解决的问题。 晶胞中电子密度与结构因子的关系：
ρ xyz
1 = ∑ Fhkl exp −i 2π ( hx + ky + lz ) V hkl 1 = ∑ Fhkl exp ( −iα hkl ) V hkl
式中αhkl就是衍射点(hkl)的相角。 该式表明，对每个衍射点（hkl）的结构因子加 和(Fourier合成，也称Fourier转换，简称FT），就可 以得到晶胞中任意坐标的电子密度。
第三章 X射线单晶衍射 射线单晶衍射
一、单晶的培养
单晶体质量的好坏，主要取决于晶核形成和生长 的速率。晶核形成过快就会形成大量微晶，并易出现 晶体团聚，生长速率太快也会引起晶体出现缺陷。 为了避免这两个问题，需不断摸索晶体生长的适 宜条件。 常用的单晶的培养的方法有： 1、自然挥发法： 、自然挥发法： 室温下溶液静置，使溶剂缓慢挥发，形成饱和溶 液，溶质结晶析出，在适宜条件下，控制好晶体生长 的速度，就有可能培养出质量较好的单晶体，是一种 最常用的方法。
全部原子坐标和位移参数等
结果的解释与表达
分子的几何数据、 分子的几何数据、结构图等
2、相角问题 、 晶体衍射实验所得到的直接结果只有晶胞参 数、空间群和衍射强度(intensities)数据(I0) Io通过一系列还原与校正，可转换成结构因子的 绝对值，即结构振幅|Fo| (structure factor amplitude)。
单晶XRD分析2015 2
单晶XRD分析2015 2
浓度 C
当溶液浓度增加达到 过饱和状态时，溶质 将以固体的形式从溶 液中析出
固体溶液
固体析出涉及两个过程： ① 形成晶核； ② 晶核进一步长大；
产生大量微晶； 微晶易团聚； 粉末状； 沉淀过程
晶体内部易产生缺陷； 容易包裹母液；
二者速率合适方可
单晶培养条件 需要摸索； 细心调控条件； 具有很强经验性
单晶XRD分析2015 2
小分子
三维结构
精确的键长 120° 键角数据
活性位点的形 状和化学结构
蛋白质的三维结构/ 折叠
蛋白质晶体结构
单晶XRD分析2015 2
化学晶体学 Chemical Crystallography
➢ 确定分子立体结构 • 确定新的无机和金属有机化合物结构的主要技术 • 广泛应用于有机物的结构尤其是立体结构的确定 • 有机物/天然产物/药物分子的绝对构型确定 ➢ 确定分子结构参数 • 键长 +/- 0.001 Å • 键角 better than 0.1 度 • 扭曲角 0.1 度 ➢ 研究化学键性质 ➢ 理解固体化合物性质 • 建立构效关系 • 变温/变压实验理解相变/热膨胀和其他物理性质的分子基础
2
Solve the structure
研究对象：一切可以结晶的物质
+
chemistry judgement
单晶XRD分析2015 2
X射线源-产生X射线
测角仪-晶体定位平台
检测器(CCD, CMOS) -特殊设计的数码 相机 - 拍摄X射线照片
单晶XRD分析2015 2
Converts To
Green light
单晶XRD分析2015 2
第2章 单晶电子衍射图的分析及标定课件
2.2.1
已知晶体结构衍射花样的标定
尝试-核算（校核）法 1) 测量靠近中心斑点的几个衍射 斑点至中心斑点距离R1，R2， R3，R4 ••••（见图） 2) 根据衍射基本公式
43 5 4 4 0 2 -2 -8 6 4 3.808 3.808 82.45 1.272 .334
1.000 1.000 120.00 1.272 1.272 1.000 1.026 61.73 .825 .825 1.000 1.054 63.61 .599 .599 1.000 1.095 66.42 .804 .804 1.000 1.155 70.53 2.077 2.077
6 5 3 1
排列，具有明显对称性，且处于二维网络的格点上。
表达花样对称性的基本单元为平行四边形。
平行四边形可用两边夹一角来表征。 平行四边形的选择： 1. 最短边原则 R1<R2<R3<R4
2. 锐角原则：600 ≤θ≤900
如图所示，选择平行四边形。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R3 R1 R2
已知 h1k1l1 和 h2k2l2
28 3 2 2 0 2 -2 -4 2 4 2.121 2.121 103.63 1.272 .599
29 3 3 1 2 -2 0 0 2 -6 2.236 2.236 102.92 1.272 .569 30 2 1 0 0 0 -2 -2 4 0 2.236 2.449 90.00 1.798 .804
对已知样品电子衍射图的标定过程： 1) 测量透射斑到衍射斑的矢经长度和它们之间的夹角，确定 特征四边形，确定R1，R2，R3； 2) 计算R2/R1，R3/R1，查找相应的表格（或计算一个表格） 确定各斑点的指数和晶带轴指数 ； 3) 其余各衍射斑点用矢量合成来标定； 4) 用电子衍射基本公式校对。
第四章 X射线和单晶衍射简介
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
劳厄
1914年获物理奖 劳厄 M. (Max von Laue,1879-1960)
1879年10月10日生于德国科布伦茨附近的 普法芬多尔夫。1898年中学毕业后一边在军 队服务，一边在斯特拉斯堡大学学习。1899 年转到哥廷根大学，研究理论物理，1903年 在Plank指导下获博士学位，1909年为慕尼黑 大学理论物理所研究人员，1912年起他先后 在苏黎世大学、法兰克福大学，柏林大学任 教。1921年成为普鲁士科学院院士，1921— 1934年是德国科学资助协会物理委员会主席， 二战中，他是德国学者中抵制希特勒国家社 会主义的代表人物之一，因此失去物理所顾 问位置，1955年重被选进德国物理学会， 1960年4月24日因车祸去世。 主要成就：在第一次世界大战期间，他与 维恩一起发展电子放大管，用于改进军用通 讯技术，1907年，他从光学角度支持爱因斯 坦狭义相对论，1910年写了一本专著，最重 要贡献是发现了“X射线通过晶体的衍射”。
单晶衍射仪工作原理
单晶衍射仪工作原理单晶衍射仪是一种用于研究晶体结构的仪器，它利用X射线或中子衍射原理，通过衍射图案来确定晶体中原子的排列方式和晶体结构。
单晶衍射仪的工作原理是基于布拉格衍射定理和Laue衍射定理，下面将详细介绍。
布拉格衍射定理指出，当入射光线以一定的角度入射到晶体表面时，会被晶体中的原子散射，散射的光线与入射光线形成一定的夹角，这些散射光线经过相干叠加后，会产生一系列互相干涉的光束，从而形成衍射图案。
这些光束的干涉条件是满足布拉格方程：nλ=2dsinθ，其中n为衍射级数，λ为入射光的波长，d为晶面间距，θ为入射光线与晶面的夹角。
Laue衍射定理则是指出，当入射光线垂直入射晶体时，晶体中的原子会将光线散射成一系列互相干涉的光束，从而形成衍射图案。
这些光束的干涉条件是满足布拉格方程，但由于入射角度为0度，因此θ=0，故布拉格方程可以简化为nλ=2d。
单晶衍射仪利用布拉格衍射定理和Laue衍射定理来研究晶体结构。
在实验中，首先需要制备出单晶样品，并将样品固定在衍射仪的样品台上。
然后，通过调节入射光线的角度和波长来探测样品中的晶体结构。
入射光线的波长通常为X射线或中子，因为它们具有较短的波长和高能量，可以穿透样品表面，与样品中的原子发生相互作用，从而产生衍射图案。
单晶衍射仪的衍射图案可以通过X射线衍射仪或中子衍射仪来观察。
在X射线衍射仪中，衍射图案被记录在X射线胶片上，然后通过测量胶片上的点阵来确定晶体结构。
而在中子衍射仪中，衍射图案被记录在探测器上，然后通过计算机处理来确定晶体结构。
单晶衍射仪利用布拉格衍射定理和Laue衍射定理来研究晶体结构。
它可以通过调节入射光线的角度和波长来探测样品中的晶体结构，从而为物理、化学、材料科学等领域的研究提供了重要手段。
单晶电子衍射分析及应用.ppt
衍射图的五种平面点阵
倒易点阵的对称性可以用晶体的正点阵加以描述。
由于点阵平移对称性的制约，点阵平面内允许存在的旋转 对称操作的种类受到限制，旋转的角度只有2π，π，2π/3， π/2 和π/3五种。
由晶体几何学可知，这五种旋转对称操作和镜面反映对称 操作相联系的点阵平面阵点的几何构型可分为五种类型， 称为五种平面点阵 。
电子衍射花样的标定 大角度倾转电子衍射
旋转+单倾样品台: tan=sinω·tanα ω-旋转角， α-倾转角
电子衍射花样的标定
电子衍射花样的标定
电子衍射花样的标定
La4Cu2.9Zn0.1MoO12 的 SAED 图 。 b1, b2, b3, b4 之间的转角均为 30°. b5 是重构出的倒易面.
1. 有的与一次衍射束重合，使一次衍射束强度出现 反常；
2. 有的则出现多余衍射斑。
❖ 二次衍射一般发生在一下三种场合：
1. 两相晶体间，如基体与析出物； 2. 同结构的不同方位晶体间，如孪晶界、反相畴界
附近； 3. 同一晶体内部，如在消光位置出现额外衍射斑。
2、二次衍射
电子衍射图标定的问题
满足关系
电子衍射花样的标定
2.利用reci程序 ❖ 举例：Al单晶衍射花样，L＝1.521mmnm。
测量：R1=6.5mm, R2=16.4mm, R3=16.8mm, 1=82
电子衍射花样的标定
❖ 举例：钢经淬火-回火处理后得到的板条马氏体及其间残余 奥氏体的选取电子衍射花样。其中的一套斑点属于马氏体， 测量：R1=10.1mm, R2=17.5mm, R1与R2间夹角为107
2、二次衍射
电子衍射图标定的问题
出现在禁止位置
x-单晶衍射
1.简述X射线结构分析原理及其重要性。
答：晶体具有三维点阵结构，能散射波长与原子间距相近(λ=50~300pm)的X射线。
入射X光由于三维点阵引起的干涉效应，形成数目甚多、波长不变、在空间具有特定方向的衍射，这就是X射线衍射(X-ray diffraction)。
测量出这些衍射的方向和强度，并根据晶体学理论推导出晶体中原子的排列情况，就叫X射线结构分析。
优点：样品用量少，只需一颗0.3mm大小的单晶体。
给出近乎完全的结构信息。
2.什么叫单晶？培养单晶常用哪些方法？答：①单晶：晶体(Crystal)是一种原子有规律地重复排列的固体物质。
由于原子空间排列的规律性，可以把晶体中的若干个原子抽象为一个点，于是晶体可以看成空间点阵。
如果整块固体为一个空间点阵所贯穿，则称为单晶体(Single crystal)，简称单晶。
②培养单晶常用的方法有蒸发法、气相-液相扩散法、液相-液相扩散法、直接反应法、降温法、电化学法、凝胶法、水热法etc。
3.什么是晶胞？晶胞代表性表现在哪几个方面？答：（1）晶胞是晶体的代表，是晶体中的最小单位。
晶胞并置起来，则得到晶体。
（2）晶胞的代表性体现在以下两个方面：一是代表晶体的化学组成；二是代表晶体的对称性，即与晶体具有相同的对称元素——对称轴，对称面和对称中心。
4.现代单晶x-射线衍射系统由哪几部分组成？答:现代单晶x-射线衍射系统由X-射线光源（发生器）（X-ray source, X-ray generator）、测角仪（goniometer）、X-射线探测器（X-ray detector）、计算机系统（computer system）、其他辅助设备（assistant systems）如循环水系统，低温系统，真空系统，安全系统，等等组成。
5.简述四圆衍射仪及面探测器法的原理。
答：四圆衍射仪原理：测角仪的转动使衍射hkl的矢量H hkl转到仪器水平面上并使矢量H hkl的端点与反射球相切割，产生衍射，同时探测器（2θ圆）到达该衍射位置收集衍射强度；面探测器法原理：晶体绕轴转动（摆动，oscillation method），转动过程中许多倒易点阵点反射球相切割而产生衍射，衍射强度（画面或摆动图，frame or image）被面探测器接收。
(完整版)X射线单晶体衍射仪原理简介
X射线单晶体衍射仪原理简介X射线单晶体衍射仪一．引言X射线单晶体衍射仪的英文名称是X—ray single crystal diffractometer,简写为XRD。
本仪器分析的对象是一粒单晶体，如一粒砂糖或一粒盐。
在一粒单晶体中原子或原子团均是周期排列的。
将X射线（如Cu的Kα辐射）射到一粒单晶体上会发生衍射，由对衍射线的分析可以解析出原子在晶体中的排列规律，也即解出晶体的结构［1］。
物质或由其构成的材料的性能是与晶体的结构密切相关的，如金刚石和石墨都是由纯的碳构成的，由于它们的晶体结构不同就有着截然不同的性质。
二．X射线单晶体衍射仪测定晶体结构的原理和仪器构造［2,3］。
（一）晶体衍射的基本公式由于晶体中原子是周期排列的，其周期性可用点阵表示。
而一个三维点阵可简单地用一个由八个相邻点构成的平行六面体（称晶胞）在三维方向重复得到。
一个晶胞形状由它的三个边(a，b,c）及它们间的夹角(γ，α，β)所规定，这六个参数称点阵参数或晶胞参数，见图1。
这样一个三维点阵也可以看成是许多相同的平面点阵平行等距排列而成的,这样一族平面点阵称为一个平面点阵族，常用符号HKL(HKL为整数）来表示。
一个三维空间点阵划分为平面点阵族的方式是很多的，其平面点阵的构造和面间距d可以是不同的，见图1。
晶体结构的周期性就可以由这一组dHKL来表示。
图1 代表结晶体周期性的点阵一个小晶体衍射X射线，其衍射方向是与晶体的周期性(d）有关的.一个衍射总可找到一个晶面族HKL，使它与入射线在此面族上符合反射关系，就以此面族的符号HKL作为此衍射之指数。
其间关系用布拉格方程(式1）来表示.2dHKLsinθHKL=nλ（1）式中,θHKL为入射线或反射线与晶面族之间的夹角（见图2）,λ为入射X射线波长，n为反射级数。
图2 布拉格反射示意图衍射线的强度是与被重复排列的原子团的结构,也即和原子在晶胞中的分布装况(坐标）有关,其间的关系由方程式（2)表示（2）式中， E称为累积能量，I0为入射线强度，e, m为电子的电荷与质量，c为光速，λ为X射线波长，Vu为晶胞体积，称洛仑兹偏振（LP）因子，｜F｜为结构振幅，e—2MT为温度因子,A为吸收因子,V为小单晶体的体积，ω为样品的转速，其中结构因子=｜FHKL｜eiαHKL(3)式中, fj, xj,yj,zj 分别为第j个原子的原子散射因子及它在晶胞中的分数坐标（以晶胞边长为1)。
X射线单晶衍射
X射线衍射原理及应用介绍特征X射线及其衍射 X射线是一种波长很短(约为20～0.06 nm)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。
考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(10^(-8)cm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将会发生衍射；衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上增强、而在其它方向上减弱；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。
这一预见随后为实验所验证。
1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格定律：2d sinθ=nλ，式中，λ为X射线的波长，衍射的级数n为任何正整数。
当X射线以掠角θ(入射角的余角，又称为布拉格角)入射到某一具有d点阵平面间距的原子面上时,在满足布拉格方程时，会在反射方向上获得一组因叠加而加强的衍射线。
应用：1、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角符合布拉格条件的反射面得到反射。
测出θ后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距d、晶胞大小和晶胞类型;2、利用X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础，测定衍射线的强度,就可进一步确定晶胞内原子的排布。
3、而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射线束的波长λ作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格条件,故选用连续X射线束。
再把结构已知晶体（称为分析晶体）用来作测定，则在获得其衍射线方向θ后,便可计算X射线的波长λ，从而判定产生特征X射线的元素。
X射线单晶衍射法
人工宝石
晶体结构的周期性和点阵
晶体结构的特征---晶体结构的周期性
晶体是由原子或分子在空间按一定规律 、周 期重复地排列所构成的固体物质。晶体内部原子 或分子按周期性规律排列的结构，是晶体结构最 基本的特征，使晶体具有下列共同特性：
⑴均匀性 ⑵各向异性 ⑶自发地形成多面体外形 ⑷有明显确定的熔点 ⑸有特定的对称性 ⑹使X射线产生衍射
晶胞的两个要素： 1. 晶胞的大小与形状：
由晶胞参数a，b，c，
α，β，γ表示， a，b，c 为六面体边长， α，β，
γ 分别是bc ， ca , ab 所 组成的夹角。
2. 晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中 的相对位置。
按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。
晶系 立方晶系 三方晶系 四方晶系 六方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系
X射线单晶衍射法
晶体的点阵结构和晶体的性质
晶体
远古时期,人类从宝石开始认识晶体。红 宝石、蓝宝石、祖母绿等晶体以其晶莹剔透 的外观，棱角分明的形状和艳丽的色彩，震 憾人们的感官。名贵的宝石镶嵌在帝王的王 冠上，成为权力与财富的象征，而现代人类 合成出来晶体，如超导晶体YBaCuO、光学 晶体BaB2O4、LiNbO3、磁学晶体NdFeB等高 科技产品，则推动着人类的现代化进程。
晶系 立方 四方 正交 三方
七个晶系及有关特征
边长 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c
夹角 α=β=γ=90° α=β=γ=90° α=β=γ=90° α=β=γ≠90°
晶体实例 Cu , NaCl Sn , SnO2 I2 , HgCl2 Bi , Al2O3
六方 单斜 三斜
a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c
单晶X射线衍射技术介绍
单晶X射线衍射技术介绍第一篇：单晶X射线衍射技术介绍单晶X射线衍射技术介绍摘要本文评递了十余年来单晶X射残衍射技术的进展。
介绍高亮度x 射残光源的获得，能够大幅度提高折射数据收集速度和灵敏虞的二堆电子面探臧器成像板和电荷耦合器件CCD的工作原理扣应用等，井通过实倒说明这些技术上的重大进步正在极大地推动人们对物质微观结构的深入认识井带来巨大的成果。
关键词单晶X射线折射高亮度X射线光源面探测器成像板IP电荷耦合器CCDX射线衍射测定晶体结构的方法自问世数十年以来获得了极为丰富的成果。
其中，单晶x射线衍射法已成为人们认识物质微观结构的最重要的途径和权威方法之一。
通过测定单晶的晶体结构，可以在原子分辨水平上了解晶体中原子的三维空问排列，获得有关键长、键角、扭角、分子构型和构象、分子问相互作用和堆积等等大量微观信息并研究其规律，从而进一步阐明物质的性质，为化学、物理学、材料科学、生命科学等学科的发展提供基础。
可以毫不夸张地说，人们对于物质在原子、分子水平上结构的认识和了解，大部分来源于单晶的x-射线衍射。
作为x射线衍射晶体结构溯定工作的主要工具的x射线单晶衍射技术，随着技术的进步和发展，其自动化程度和衍射数据收集和结构解析的精度、速度都在不断提高。
在上个世纪的20～60年代，晶体结构溯定工作属于十分耗时费力的研究领域。
照相法是唯一用于测量晶体衍射强度的工具，通常采用魏森堡(Weissenberg)法或旋进（Precession)法照相来收集衍射数据，用目测法获得衍射斑点的强度，完成一套小分子晶体的三维数据收集一般需要数月甚至经年。
随后的结构计算则由于当时的计算技术的限制而十分困难。
完成一个晶体结构的溯定所需时间常以年计。
60年代后期，计算机控制的四圆衍射仪开始出现，并在其后的20年间成为晶体结构溯定的主要工具。
同时，大量精确的衍射数据的获得和计算机技术的进步，使结构计算特别是直接法得以发展成熟。
由于这些进步，一个小分子晶体结构可在几天到数周内获得。
单晶X射线衍射实验原理－吴
单晶X射线衍射实验原理吴立一、概述自从1895年德国物理学家伦琴第一次发现X射线以来，经过了一百多年的发展，X射线已经广泛应用于社会的各个领域，其中的X射线晶体衍射技术更是得到了迅猛的发展：1912年劳厄发现了晶体对X射线的“衍射效应”，1913年人类第一次测定了分子的立体结构。
而后，历经80多年的发展，“X射线晶体结构分析”已经成为了一门独立的学科。
一方面，有许多晶体学家继续致力于该学科的纵横发展；另一方面，它已成为数学、物理学、化学、分子生物学、药物学、植物学、地质学、冶金学、材料科学等多学科的汇合点，成为了一门渗透广泛的边缘学科。
X射线晶体衍射已经成为研究有机小分子结构的重要手段，并应用于生物大分子的结构和功能研究领域中。
特别在新药研究中，用晶体X射线衍射测定天然或合成有机药物分子的准确结构已成为必要的环节。
X射线单晶结构分析是利用晶体对X射线的衍射效应，经过第一次傅立叶变换产生了衍射图谱；再通过第二次傅立叶变换完成结构解析，获得有机分子的立体结构图像。
由此可得到：原子在空间的位置，成键原子（离子）的键型及精确键长、键角与二面角值，分子的空间排列（堆积）规律（即对称性），分子的构象特征，分子的绝对构型，分子的几何拓扑学特征等信息。
X射线分析通常可以快速、准确地完成其他物理方法（质谱、核磁共振谱等）不能完满解决的疑难结构（包括大分子结构）问题，并为药物分子计算机辅助设计提供精确、定量的分子立体结构数据。
X射线衍射在测定分子的结构方面对于其它四谱（红外光谱、紫外光谱、质谱与核磁共振谱）的优点就在于其只需要一颗合适的单晶体，就可以不借助其它信息独立给出物质的立体分子结构。
因此获得合适的单晶体是X射线衍射晶体结构分析的第一步，也是关键的一步；而为了得到可适用的单晶体，晶体生长是关键。
本学期在已有的单晶X射线衍射理论知识的基础上，进行了有机小分子化合物的单晶生长实验，掌握了晶体学中最基本的实验技能——晶体生长。
x射线单晶衍射表征
x射线单晶衍射表征一、原理X射线单晶衍射是利用X射线在晶体中的衍射效应来测定晶体结构的一种方法。
当X射线通过晶体时，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的结构，这些散射波之间会发生干涉，形成特定的衍射图样。
通过测量这些衍射线的强度和角度，可以反推出晶体的内部结构。
二、实验方法1.样品准备：首先，需要制备单晶样品。
这通常涉及生长适当大小和质量的晶体，以确保足够的衍射数据用于分析。
2.X射线源：使用稳定的X射线源，例如Cu、Fe、Cr等Kα辐射，来照射单晶。
3.数据收集：在固定角度或连续扫描角度下测量衍射线的强度。
早期的实验采用劳厄照相法，而现代的实验则更倾向于使用自动化程度更高的衍射仪法。
4.数据处理：使用专业软件分析收集到的数据，通过数学方法重构晶体的三维结构。
5.结构解析：通过对比已知的晶体结构数据或使用算法程序，解析出晶体的原子坐标和分子构型。
三、应用X射线单晶衍射在多个领域都有广泛的应用：1.材料科学：用于研究新型功能材料的晶体结构和性质，如金属、陶瓷和复合材料的原子排列和物理性能。
2.化学：用于确定化合物的分子结构和化学键信息，有助于理解化学反应的机理和条件。
3.生物学和医学：用于研究生物大分子的结构和功能，如蛋白质、核酸等。
这有助于理解生物分子的生物学活性和潜在的药物设计。
4.地质学：用于确定矿物的结构和成分，有助于矿产资源的开发和利用。
5.法医学和考古学：用于鉴定物质的年代和来源，如古物和犯罪证据的鉴定。
6.电子学：用于研究半导体的晶体结构和电子性质，有助于优化半导体的性能和应用。
7.农业科学：用于研究植物的分子结构和功能，有助于提高作物的产量和抗性。
8.环境科学：用于研究污染物的分子结构和环境行为，有助于环境污染的监测和治理。
9.物理学：用于研究物质的相变和物理性质，有助于深入理解物质的本质和行为。
10.能源科学：用于研究燃料和太阳能电池的分子结构和性能，有助于提高能源的利用效率和可持续性。
高等结构分析单晶衍射PPT课件
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空间群的测定
• 确定劳厄群
通过等效点强度检测来检验晶轴是否存在对称性。
• 找出系统消光规律
由于对称元素的平移操作的作用，在晶体的衍射花样中 经常有规律性的衍射点消失的现象，叫做系统消光。
• 区分晶体是否存在对称中心
统计E值，即结构振幅的归一化值
ab sin
/V
1/ d001
abacbabccacb0 15
VV
衍射球
倒易点阵和衍射球
sih nk l2 O O P M d 1 hk /2 l 2 d hs klih nk ln
16
衍射强度与结构因子
17
衍射线
方向 衍射指标hkl
强度
晶胞中原子的 分数坐标参数(x,y,z)
6
X射线如何产生？
M L
K
K
K
7
X射线和物质如何相互作用？
8
X射线能做些什么？
9
衍射（Diffraction）
10
衍射几何
11
劳厄方程 aco 0 saco sh
acosa0 acosa h bcosb0 bcosb k ccosc0 ccosc l
三维劳厄方程，
晶体产生衍射的严格条件
晶体结构和空间点阵
24
（a）[Cu(ophen)2]分子的实际排列 （b） [Cu(ophen)2]分子的抽象点阵点
晶体结构=结构基元+点阵 25
七大晶系
晶系
特征对称性
Cubic (立方晶系)
四个按立方体对角线排列的方向上 有三重轴
Tetragonal (四方晶系)
晶体衍射 和小孔衍射-概述说明以及解释
晶体衍射和小孔衍射-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述晶体衍射和小孔衍射是两个重要的物理现象，在光学和材料科学领域都有广泛的应用。
晶体衍射是指光线经过晶体的衍射现象，而小孔衍射则是指光线通过一个小孔后产生的衍射效应。
晶体衍射是由晶体的结构引起的，晶体是一种由原子、离子或分子有规律地排列而成的固体。
当入射的光线与晶体表面相互作用时，光线会在晶体内部发生散射和干涉，最终形成一系列明暗相间的衍射图案。
这些衍射图案可以通过光学仪器进行观测和记录，从而揭示晶体内部结构的信息。
小孔衍射是一种常见的光学现象，当平行光线通过一个非常小的孔洞时，光线会在孔洞周围发生衍射，产生一系列明暗相间的条纹。
这些条纹的形状和分布可以通过衍射方程和几何光学原理进行计算和预测。
小孔衍射现象的研究不仅可以帮助我们理解光的传播和干涉特性，还可以应用于光学仪器的设计和光学成像技术的改进。
本文将重点介绍晶体衍射和小孔衍射的基本原理和特点。
在晶体衍射部分，我们将详细介绍晶体的结构和晶体衍射的原理，以及晶体衍射在材料科学中的应用。
在小孔衍射部分，我们将探讨小孔衍射的现象和应用，并与晶体衍射进行比较。
最后，在结论部分，我们将总结晶体衍射和小孔衍射的特点，并展望它们未来在物理学和光学领域的研究方向。
通过对晶体衍射和小孔衍射的深入理解，我们可以更好地认识光的本质和光与物质相互作用的规律，从而为光学器件的设计和材料科学的发展提供更多的可能性。
希望本文能够对读者对晶体衍射和小孔衍射有一个清晰的认识，并激发对相关领域的兴趣和研究热情。
1.2文章结构文章结构的主要目的是为读者提供一个清晰的导航，以便他们更好地理解文章的内容和组织。
本文将按照以下结构进行阐述晶体衍射和小孔衍射的相关内容：1. 引言：在本节中，将对晶体衍射和小孔衍射进行简要介绍，并提出本文的目的。
2. 晶体衍射：2.1 晶体结构：在本部分，将介绍晶体的定义和基本结构，以便读者了解晶体衍射的基础知识。
x射线单晶衍射与多晶衍射的关系
x射线单晶衍射与多晶衍射的关系
单晶衍射和多晶衍射是固体物理中常见的两种衍射现象，它们
之间存在着密切的关系。
首先，让我们来看看单晶衍射。
单晶衍射是指当入射的X射线
照射在晶体的单个晶粒上时，根据布拉格定律，X射线会在晶体中
发生衍射现象。
这种衍射是由于晶体中的原子排列规则性所导致的，因此单晶衍射图样具有非常清晰的特点，能够提供关于晶体结构的
详细信息，例如晶格常数、晶体结构和晶面指数等。
这种衍射方法
在研究晶体结构和材料性质方面具有重要的应用价值。
而多晶衍射则是指当X射线照射在多个晶粒组成的晶体上时，
由于晶粒的取向各异，X射线会在不同晶粒上发生衍射。
多晶衍射
图样通常表现为一系列环形或者弧形的衍射斑，这些衍射斑的分布
和强度反映了晶体中晶粒的取向分布情况。
通过分析多晶衍射图样，可以得到晶粒取向的信息，从而了解材料的晶粒取向分布、应力状
态等重要参数。
从上述描述可以看出，单晶衍射和多晶衍射都是利用X射线衍
射现象来研究晶体结构和性质的重要手段。
它们之间的关系在于，
多晶体其实是由许多微小的单晶体组成的，因此多晶衍射实际上是单晶衍射的叠加。
通过对多晶衍射图样的分析，我们可以间接地了解晶体的单晶结构信息，从而综合地研究材料的晶体结构、性质等方面的问题。
总的来说，单晶衍射和多晶衍射是相辅相成的两种衍射现象，它们在研究晶体结构和材料性质方面具有重要的应用价值，而多晶衍射实际上是单晶衍射的叠加，通过综合分析两者的衍射图样，可以更全面地了解晶体的结构和性质。
X射线衍射分析(2)110308
X射线衍射分析(2)110308X射线衍射分析(2)110308X射线衍射是一种重要的材料表征技术，可以用来研究材料的晶体结构和晶体中原子的排列方式。
本文将继续介绍X射线衍射分析的相关内容，包括衍射峰的解析和晶体结构的确定。
一、衍射峰的解析在X射线衍射实验中，我们观察到了衍射峰的出现，这些峰代表了晶体中的衍射现象。
衍射峰的位置和强度可以提供有关晶体结构的重要信息。
下面我们将详细解析衍射峰的性质。
（1）衍射峰位置的解析衍射峰的位置是由晶体的晶格参数和入射X射线的波长共同决定的。
根据布拉格方程，我们可以得到衍射峰位置的计算公式：sinθ = nλ / 2d其中，θ表示衍射角，n表示衍射级数，λ表示X射线的波长，d表示晶面间距。
通过测量衍射角，我们可以计算出晶面间距，并进一步研究晶体的晶格参数。
（2）衍射峰的强度和相对强度的解析衍射峰的强度与晶体中各个晶面的位置和排列方式有关。
根据布拉格方程，我们知道当入射X射线波长与晶面间距匹配时，才会出现衍射峰。
因此，不同晶面的位置和晶体中的原子排列会导致衍射峰出现的位置和强度有所不同。
通过衍射峰的强度分析，我们可以了解到晶体中原子的排列方式。
比如当一组相同的晶面存在平行排列时，衍射峰的强度将增加。
此外，晶体中的晶格缺陷也会影响衍射峰的强度。
通过对衍射峰的强度和相对强度的分析，我们可以了解晶体中的缺陷信息。
二、晶体结构的确定通过对衍射峰的解析，我们可以获取到晶体中的一些基本信息。
进一步，我们可以利用这些信息来确定晶体的结构。
下面是一些常用的晶体结构确定方法：（1）粉末X射线衍射法粉末X射线衍射法是一种常用的晶体结构确定方法。
通过将晶体粉末进行衍射实验，我们可以获取到一系列衍射峰的位置和强度。
根据这些数据，我们可以通过衍射峰的解析来确定晶体的结构。
（2）单晶X射线衍射法单晶X射线衍射法是一种更为精确的晶体结构确定方法。
通过生长单个晶体，并进行X射线衍射实验，我们可以获取到高质量的衍射数据。
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3、X-射线晶体学
X射线晶体学的起源
1895年德国物理学家伦琴发现了Ｘ射线.
伦琴是德国维尔茨堡大 学校长，第一届诺贝尔 奖获得者。1895年他发 现一种穿透力很强的一 种射线。后来很快在医 学上得到应用，也引起 各方面重视。
伦琴M.K.RÖntgen (1845-1923) 德国物理学家
水晶
石膏
• 如果原子(或离子、分子)在空间的分布不具备这 种严格的周期规律就称为非晶体，如：玻璃、塑 料、松香、陶瓷等。 • 玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成 连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化 而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学 氧化物的组成(Na2O· CaO· 6SiO2),主要成份是二氧 化硅。
2、什么是晶体，与非晶体的区别是什么？
• 自然界中的物质通常以三种聚集态出现： 固态、液态、气态。 • 如果固态物质中，原子(或离子、分子)是 按照一种确定的方式在三维空间做严格的 周期性的排列，即相隔一定的距离(即周期) 重复出现，这样的物质称为单晶体，如：
食盐
糖
紫水晶
白水晶
方解石 钟乳石
• 保罗· 博耶和约翰· 沃克因为在研究ATP酶结构方面的贡献而获得了 1997年诺贝尔化学奖； • 罗德里克· 麦金农由于在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面的贡献 而获得了2003年诺贝尔化学奖； • 罗杰· 科恩伯格因为在真核转录的分子基础研究上的贡献而获得了 2006年诺贝尔化学奖； • 文卡特拉曼· 拉马克里希南、托马斯· 施泰茨和阿达· 约纳特由于对核糖 体结构和功能方面的研究而获得了2009年诺贝尔化学奖；
单晶X-射线衍射
代表性单晶X-射线衍射
与X-射线衍射分析相关的诺贝尔奖有哪些？
• X射线及晶体领域的部分诺贝尔奖获得者
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 管
衍 射 图
晶体
The End
玻璃
• 在实际工作中，部分同学可能会将玻璃当成晶体
准晶
长程有序的原子排列，但是准晶体不具备晶体的平移对称性
X-射线衍射技术的基本特点
• X-射线衍射不是吸收光谱。 • 可用于有机分子包括金属有机框架（MOF）、 无机分子、生物大分子如蛋白质、核酸等的 三维结构分析。 • 是测定有机分子绝对构型的最可靠手段。
底 片Biblioteka 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
X射线单晶结构分析原理
• 由于组成晶体的原子间距离与X射线的波长为同一 数量级，因此，具有点阵结构的晶体就成为X射线 的天然三维光栅。 • 当X射线射入到晶体后，在晶体中产生周期性变化 的电磁场，迫使晶体内原子中的电子产生受激振 动，部分X射线将改变其原来的方向，如果次级射 线的波长与入射X射线的波长相同，散射波之间将 出现干涉现象，这就是衍射现象。 • X射线单晶结构分析应用的正是晶体对X射线的衍 射效应。
单晶X-射线衍射分析概述
Institute of Traditional Chinese Medicine and Natural Products
Jinan University
1 概述
什么是单晶X-射线衍射分析?
• 将一定波长的X射线照射到结晶性物质上时， X射线因在结晶内遇到周期性排列的原子或 离子而发生散射，散射的X射线在某些方向 上相互加强，而在某些方向上相互减弱， 从而显示与晶体结构对称性相对应的衍射 图样。X射线衍射分析是利用晶体对X射线 的衍射效应，对物质的三维结构进行分析 的方法。
X-射线为不带电的粒子流，由实验 发现不受电场磁场的影响。本质和光 一样。是波长很短的电磁波。
劳厄ue 德国物理学家 (1879-1960)
1912年劳厄证实了Ｘ射线照射晶体会发生相干散射 （后来叫衍射）现象。由此开创了Ｘ射线微观晶体
学领域。
X 射 线 管
劳 厄 斑 点
铅 屏
晶体
• 2011年诺贝尔化学奖得主Dan Shechtman, 因为发现准晶。
• 罗伯特· 莱夫科维茨和布莱恩· 科比尔卡由于对G蛋白偶联受体的研究而 获得了2012年诺贝尔化学奖；
• 2013年9月16日 - 瑞典皇家科学院宣布授予清华大学施一公教授2014
年度爱明诺夫奖(Gregori Aminoff Prize),奖励他运用X-射线晶体学手 段在细胞凋亡研究领域做出的突出贡献.