X射线衍射技术(XRD)

合集下载
相关主题
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
14
不相干散射也称康普顿效应
当入射X射线光子与物质中的某些电子(例如 外层电子)发生碰撞时,由于这些电子与原子 间的结合松弛,可以近似地看成是自由电子, 碰撞的结果,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。
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。
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


(4)核对PDF卡片与物相判定。
34
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。
9
10
5.3 X射线与物质的相互作用
X射线与物质相互作用时,会产生各种不同的
和复杂的过程。但就其能量转换而言,一束X射
线通过物质时,它的能量可分为三部分:其中 一部分被散射,一部分被吸收,一部分透过物 质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线 束由于散射和吸收的影响强度被衰减。
X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外,
31

数值索引

以Hanawalt无机相数字索引为例。 其编排方法为:一个相一个条目,在索引中占一
横行,其内容依次为按强度递减顺序排列的8条强
线的晶面间距和相对强度值、化学式、卡片编号 和参比强度值。条目示例如下:

芬克无机数值索引与哈那瓦特数值索引相类似,
主要不同的是其以八强线条的d值循环排列,每种 相在索引中可出现8次。
35



2、物相定量分析
基本原理

定量分析的任务是确定物质(样品)中各组成相的相对 含量。 由于需要准确测定衍射线强度,因而定量分析一般 都采用衍射仪法。 设样品中任意一相为 j,其某(HKL)衍射线强度为 Ij, 其体积分数为fj,样品(混合物)线吸收系数为;定量


分析的基本依据是: Ij 随 fj的增加而增高;但由于样 品对X射线的吸收,Ij 亦不正比于fj,而是依赖于Ij与 fj及之间的关系。
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。
6
7
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。
几乎不发生折射,一般情况下也不发生反射。
11
12
5.3.1 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
13
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。
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。
3
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
Ti -O6八面体按顶点聚合
锐钛矿 (Anatase)
四方晶系,晶体中每个Ti -O6八 面体与其邻接的4 个Ti -O6八面
体各有一个共用棱。
低温相
Ti -O6八面体按棱边聚合
39
金红石与锐钛矿的XRD图对比
蓝色:TiO2-standard
TiO2 晶型:锐钛矿型,金红石型,板钛矿型
板钛矿型 不稳定,目前没有工业用途 锐钛矿型 光催化性能较高,作为各种污染处理的光催化剂
制备类骨骼磷灰石的良好材料。
金红石型 具有高折射率和双折射效应,以及化学稳定性比 较好,可以应用在光通信方面。
38
结构单元都是钛氧八面体(Ti -O6) 金红石(rutile) 四方晶系,Ti -O6八面体沿 c轴 呈链状排列,并与其上下的八 面体各有一条棱共用, 链间由八 面体共顶相连。 高温稳定结构(高温相)
8
X射线的频率由下式决定: hν= ω2 —ω1 式中ω1和ω2为原子的正常状态能量和受刺激状态 时的能量。 当打去K层电子时,所有靠外边的电子层中的电 子都可能落到那个空位上,当产生回落跃迁时就 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。当然Kβ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。
29
氯化钠(NaCl)的PDF卡片
30
PDF卡片索引

为方便、迅速查对PDF卡片,JCPDS编辑出
版了多种PDF卡片检索手册:

Hanawalt无机物检查手册、Hanawalt有机相 检查手册、无机相字母索引、Fink无机索引、 矿物检索手册等 检索手册按检索方法可分为两类:以物质名 称为索引(即字母索引)、以d值数列为索引(即 数值索引)。
28
PDF卡片




各种已知物相衍射花样的规范化工作于1938 年由哈那瓦特(J. D. Hanawalt)开创。 他的主要工作是将物相的衍射花样特征(位置 与强度)用d(晶面间距)和I(衍射线相对强度)数 据组表达并制成相应的物相衍射数据卡片。 卡片最初由“美国材料试验学会 ( ASTM)” 出 版,称ASTM卡片。 1969 年成立了国际性组织“粉末衍射标准联 合会(JCPDS)”,由它负责编辑出版“粉末衍 射卡片”,称PDF卡片。
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
36
5.6 XRD应用举例分析
37
5.6.1 TiO2 晶体转晶的分析
纳米TiO2 是一种新型高功能无机产品,具有特异的力学,电和磁等性能。 例如:较高的折光系数和稳定的理化性能 颜料、涂料、纸张的增白剂
光催化作用
应用于废水处理、空气净化以及杀菌等领域
广泛应用在防晒化妆品、食品包装材料、太阳能电池材料等领域
晶体结构分析
晶体对称性(空间群)的测定 点阵常数(晶胞参数)测定
晶粒度测定 晶体定向 宏观应力分析
23
XRD制样要求
样品要干燥,研磨成均匀粉末
制样:
边长5cm左右的方形薄板 下凹圆槽
样品填入圆槽后,用光滑的玻璃板压平,压紧,轻 搓,保证样品表面平整,与槽边平齐。
注意:1.样品量较少时,可以先在槽中加垫片,再填 样品。或者保证有一个与槽面平齐的平面即可,不必填满 圆槽。 2.样品表面必须平整,否则会影响测试结果。
24
XRD操作
扫描参数的设定: star:开始扫描的角度
stop:终止扫描的角度
扫描速度 increment: 0.02 (stepsize) scanspeed: 0.2 0.5等 cont(continue):在原图的基础上重新扫描,减少 正、负偏差,扫描曲线更光滑 广角:5--80° 小角:0.5--10°
子的能量。此外入射 X 射线的能量还消耗于产
生热量。因此,X射线的强度被衰减。
16
17
5.4 晶体几何学知识
晶体
点阵、格子 晶胞 晶面及晶面指数 晶面间距
18
19
20
21
5.5 X-射线衍射分析原理
布拉格方程: nλ=2dsinθ
22
5.6 X-射线衍射分析应用
定性分析 物相分析 定量分析 等效点系的测定 单一物相的鉴定或验证 混合物相的鉴定
25
X’pert MPD Pro
26
1、物相分析
确定物质(材料)由哪些相组成(即物
相定性分析或称物相鉴定)
确定各组成相的含量(常以体积分数或
质量分数表示,即物相定量分析)。
27
(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。
4
X射线应用技术简介
X射线发展至今,已形成了三种完整的应用技术:X射线 形貌技术;X射线光谱技术;X射线衍射技术(XRD)。 (1)X射线形貌技术(X射线照相术)是利用物质对X射线透 过吸收能力的差异分析物质中异物形态。 (2)X射线光谱技术(X射线荧光分析)是利用物质中元素被 X射线激发所产生次生特征X射线谱的波长和强度分析物 质ห้องสมุดไป่ตู้化学组成。 (3)X射线衍射技术是利用X射线在晶体,非晶体中衍射与散 射效应,进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完 整性分析的技术。
32
字母索引

以物相英文名称字母顺序排列。每种相一个 条目,占一横行。 条目的内容顺序为:物相英文名称、三强线d 值与相对强度、卡片编号和参比强度号。条 目示例如下:

33
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)检索PDF卡片;

相关文档
最新文档