多晶体分析方法

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• 粉末法是由德国的Debye和Scherrerr于1916年 提出的。如利用得当,粉未法是所有衍射法中 最为方便的方法,它可以提供晶体结构的大多 数信息。粉末法是以单色X射线照射粉末试样 为基础的,所谓“单色”是指x射线中强度最 高的K系X射线,“粉末”可以为真正的粉末 (通常用粘结剂粘结)或多晶体试样。
反之,如果已知晶体的晶胞的形状
和大小就可以预测可能产生的衍射线在 底片上的位置。如2θ最小的线条是由晶
面间距最大的晶面反射的结果。例如立 方晶系中(h2+k2+l2)最小,即为l的时候, hkl为100,此时d最大。因此,100反射对 应于最小2θ位置的线条。其次的反射是 (h2+k2+l2) 为第二小,即(h2+k2+l2)=2的 晶面如110的反射。
粉末法可以分为照相法和衍射仪法,照相法中根 据试样和底片的相对位置不同可以分为三种:
(1)德拜—谢乐法(Debye-Scherrer method),底片位 于相机圆筒内表面,试样位于中心轴上;
(2)聚焦照相法(focusing Method),底片、试样、X射 线源均位于圆周上;
(3)针扎法(Pinhole method),底片为平板形与X射线 束垂直放置,试样放在二者之间适当位置。
Rotation axis=b axis
4.3 粉晶法
暗盒、胶片
X 射线 样品
2
可调节
通常微晶尺寸在10-2~10-2mm,设X射线照射体积为1mm3, 被照射微晶数约为109个——微晶无数,且无规则取向。
波长不变,必然有某晶面(h1k1l1)的间距dhkl满足Bragg方程,, 在2θ方向发生衍射,形成以4θ为顶角的圆锥面。不同的晶面 匹配不同的2θ角,形成同心圆。
强度比可达最佳值,工作电压就选择在 这一范围;x射线管的额定功率除以管压
便是许用的最大管流,工作管流要选择 在此数值之下。
• 其次要掌握曝光时间参数。曝光时间与试 样、相机、底片以及摄照规程等许多因素
有关,变化范围很大,所以要通过试验来 确定。例如用Cu靶和小相机拍摄Cu试样时, 30分钟左右即可,而用Co靶拍摄αFe试样 时,约需2小时。选用大直径相机时摄照 时间须大幅度地增加。拍摄结构复杂的化 合物甚至需要十几小时。
110
020
100
010
C
O b1 b2
S0/
100
110
120
倒易点阵
Ewald sphere
转晶法的Ewald作图
当倒易点阵绕轴转动时, 该平面将反射球截成一
个 小 圆 。 hkl 的 倒 易 点
lth level
Reciprocal lattice rotates here
c
在此圆上与反射球接触,
2 2D
d 2sin
2
2x
最小的2(最内层)对应最大的d 最大的2 (最外层)对应最小的d
以简单立方为例:最大的d意味着(h2+k2+l2)最小
最大d100: (h2+k2+l2)= 1
(100)
其次d110: (h2+k2+l2)= 2
d110
d100
110
111
211
312
例:POM属六方晶系,求得 d 后,代入相应晶系的面间距 计算公式中,得到晶胞参数。
3.摄照规程的选择
要得到一张满意的德拜像,使其达 到实验要求.选择合适的掇照规程是很 重要的。首先要按照第一章第五节所述 的原则选择阳极靶和滤波片。应当指出, 选择阳极和滤波片必须同时兼顾。应先 根据试样选择阳极,再根据阳极选择滤 波片,而不能孤立地选择哪一方。
• 此外还要注意选择合适的管压和管电流。 实验证明,当管压为阳极元素K系临界激 发电压的3—5倍时,特征谱与连续谱的
(2)反装法
• 几何关系如图4—4(b)所示。 x射线从底 片中心孔射入,从底片接口处穿出。高 角线条集中于孔眼附近,衍射线中除口 角极高的部分被光阑遮挡外,其余几乎 全能摄录下来。高角线弧对间距较小, 出底片收缩造成的误差也较小,故运用 于点阵常数的测定。
(3)偏装法(不对称装法)
• 如图4—4(c)所示,底片上有两个孔,分 别对装在光阑和承光管的位置,x射线先 后从这两个孔中通过,衍射线条形成进 出光孔的两组弧对。这种安装底片的方 法具有反装法的优点.其外还可以直接 由底片上测算出真实的圆周长,因此, 消除了由于底片收缩、试样偏心以及相 机半径不准确所产生的误差。这是目前 较常用的方法。
• 光阑的主要作用是限制入射线的不平行 度和固定入射线的尺寸和位置,也称为
准直管。承光管的作用是监视入射线和 试样的相对位置;同时吸收透射的X射线, 保护操作者的安全。
二、实验方法
• 1.试样的制备 样品粉末一般要经玛瑙研钵研细,粒
度约在微米数量级,必要时可通过约 0.045mm的筛孔。可将粉末与树脂调匀后 粘接至0.05-0.08mm直径的玻璃丝上。做好 的试样其直径为2-1mm,长10-15mm。
德拜相机是按图4—1所示的衍射几何设计 的。图4—2和图4—3分别为德拜相机的外观和 剖面示意图。相机是由一个带有盖子的不透光
的金属筒形外壳、试样架、光阑和承光管等部
分组成。照相底片紧紧地附在相机盒内壁。德 拜相机直径为57.3mm或114.6mm。这样设计的 目的是当相机直径为57.3mm时,其上周长为 180mm,因为圆心角为360°,所以底片上每一 毫米长度对应2°圆心角;当相机直径是 114.6mm时,底片上每一毫米对应1°圆心角, 这样做完全是为了简化衍射花样计算公式。
通过衍射弧对间距2L计算θ角的公式可以从图4—5 所示的衍射几何中得出 4 2L
360 2R
式中R为相机半径,即圆筒底片的曲率半径。
• 如果(4—1)式中的θ用角度表示,则
当相机的直径2R=57.3mm时,θ=2L/2;当相 机的直径2R=114.6mm时,θ=2L/4。 对背射区,即2θ=90°时
2.底片的安装
• 德拜相机采用长条底片,安装前在光阑 和承光管的位置处打好孔。安装时应将 底片紧靠相机内壁,并用压紧装置使底 片固定不动。底片的安装方式根据园简 底片开口处所在位置的不同,可分为以 下几种:
1)正装法
2)反装法
3)偏装法(不对称装法)
(1) 正装法
x射线从底片接口处入射,照射试样后 从中心孔穿出,见团4—4(a)。这样.低 角的弧线接近小心孔,高角线则靠近端 部。由于高角线有较高的分辨本领(见本 节后部)有时能将Kα双线分开。正装法 的几何关系和计算均较简单,常用于物 相分析等工作。
Zeroth level
衍射矢量 S/终止于此
O*
圆上,即hkl衍射光束 X-ray
的方向。同理,kh0衍 beam
射和hk-1衍射也如此。
Sphere of reflection
lth level
0th level
Sphere of reflection
hkl
1/
1/
Direct beam C
c* (00l)
Baidu Nhomakorabea
4、德拜—谢乐法中系统误差的来源
德拜—谢乐法常用于点阵常数精 确测定.其系统误差的来源主要有: (1)相机半径误差 ; (2)底片收缩(或伸长)误差; (3)试样偏心误差; (4)试样对x射线的吸收误差; (5)x射线折射误差。
(1)相机半径误差
因为只有背射区域才适用于点阵常数 的精确测定,因此用图4—18所示的S’和Φ 来考察这些误差。如果相机半径的淮确值 为R,由于误差的存在,所得的半径值为 R+ΔR。对于在底片上间距为S’的一对衍射 线,其表观的Φ值Φ表观为S’/4(R+ΔR), 而真实的Φ真实值为S’/4R。因此,Φ的测 量误差是
• 当相机直径2R=57.3mm时,θ=90°-2L’/2;当 相机直径2R=114.6 mm时,θ=90°-2L’/4。
• 因为X射线波长λ为已知量,所以在计算出θ角 之后,可利用布拉格方程算出每对衍射圆弧所 对应的反射面的面间距。
• 对于衍射线相对强度,当要求不很精确时,一 般可用自测。把一张衍射花样中的线条分为很 强、强、中、弱、很弱等五级,也可以把最强 的线条定为100,余者则按强弱程度用百分数 来表示。如需要精确的衍射强度数据,则需要 用衍射仪法,并且要通过衍射强度公式进行计 算。
图4-10绘出了x射线在粉末样品上发生衍射时的衍射线的空间 分布(图中只绘出了四个衍射圆锥)。工程上及一般的科学试验 中常见的是多晶体的块状试样,如果晶粒足够细(例如在30um 以下)将得到与粉末试样相似的结果,但晶粒粗大时参与反射 的晶面数量有限,所以发生反射的概率变小,这样会使得衍射 圆锥不连续,形成断续的衍射花样。
(2)试样吸收误差
试样对X射线的吸收将使衍射线偏离 理论位置,在计算德拜相时应予以考虑。
(3)底片收缩误差
一般说来,照相底片经冲洗、干燥 后,会发生收缩或伸长,结果使衍射线 对之间的距离S’增大或缩小成为S’+ΔS’。 因此,由于底片收缩或伸长造成的测量 误差为
4.衍射花样的测量和计算
• 德拜法衍射花样的测量主要是测量衍射线条的 相对位置和相对强度。然后,再计算出θ角和 晶面间距。每个德拜像都包括一系列的衍射圆 弧对,每对衍射圆弧都是相应的衍射圆锥与底 片相交的痕迹,它代表一族{hkl}干涉面的反射。 图4—5所示为德拜法的衍射几何,图中绘出了 三个衍射圆锥的纵剖面。当需要计算θ角时, 首先要测量衍射圆孤的弧对间距2L。
• 所有的衍射法其衍射束均在反射圆锥面上,圆 锥的轴为入射束。各个圆锥均由特定的晶面反
射引起的。第二章已经述及,在粉末试样中有
相当多个粉末颗粒,含有相当多的我们感兴趣 的(hkl)晶面,而且是随颗粒一起在空间随机 分布的。当一束X射线从任意方向照射到粉末样 品上时,总会有足够多的(hkl)晶面满足布拉 格方程,在与入射线呈2θ角的方向上产生衍射, 衍射线形成一个相应的4θ顶角的圆锥。
4.2 转晶法(Rotation Method)
底片
入射 X射线
转晶法原理
CO:入射方向。实际晶体 旋转,即倒易点阵绕 C* 旋 转 , 所 有 hkl 晶 面 的 倒 易点都分布在与C*垂直的 同一平面(l =1的层面)。
121
111
101
011
021 121
001
111
b3 101 120
S/
入射X射线
V IV
样品
III II
22 I r
2 1
同心圆称为Debye环,环直径为2X,样品至底片距离2D
若X光波长已知,可计算晶面间距dhkl ,进而求晶胞参数
若晶面间距dhkl 已知,可计算X光波长。
X 射线 样品
2
2D
2dsin =
d 2sin
2x
tg2 2X
2D
1 tg 1 2X
(a)铜 (b)钨 (c)锌
S 4 R O
0< 2<90
入射X射线
V IV
样品
III II
22 I r
2 1
S2 S1
S 360 1 S 57.3 R 2 4 4R
§4—2 粉末照相法
一、德拜法及德拜相机
多晶体粉末的衍射花样可以用照相法记录, 要解决的问题是如何得到圆锥的照片,如何测定 2θ角,如何由θ角推算出圆锥所属的晶面。图4— 1(a)所示为德拜法的衍射几何。根据在底片上测 定的衍射线条的位置可以确定衍射角θ,如果知 道λ的数值就可以推算产生本衍射线条的反射面 的晶面间距。
O
Oscillation diagram of apatite (sample K7,
Cu/Ni, 40kV, 20mA, exposed 3h.,Oscillation axis =c axis。
Weissenberg diagram of apatite sample K7 Cu/N 40kV, 20mA, exposed 60h., D=57.3mm, r=24mm。
三、衍射花样的指标化
• 现在,我们可以求出对应于各个衍射弧对的θ 角了,对应θl、θ2、…、用布拉格方程可以求 出一系列d1,d2,…,但这并没有什么实际意 义,我们要知道的是被测物质的晶体结构。为 此需要标定出每条衍射线的晶面指数(干涉指 数)。衍射花样的指数化就是确定每个衍射圆环 所对应的干涉指数。不同晶系的指数化方法是 不相同的,在金属及其合金的研究中经常遇到 的是立方、六方和正方晶系的衍射花样。这里 以立方晶系为例,介绍指数化方法。
1
d
2 hkl
4 3
h2
hk a2
l
2
l2 c2
hkl 2x(mm)
100
34
105
55
110
68
115
89
d(Å) a(Å) c(Å)
3.86 4.46
2.60
7.6
2.23 4.46
1.89
7.8
第四章 多晶体分析方法
• 前几章我们讨论了x射线的产生及其在晶体中 衍射的基本原理,这一章将介绍x射线衍射的 最基本的实验方法和装置。
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