X射线衍射原理与应用

✓通过晶体时可以发生衍射
✓对生物细胞和组织具有杀伤力
波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围
内的20称21/软3/7X射线。
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X射线的产生
➢ 由原子内层轨道中电子跃迁或高能电 子减速所产生
固体靶源 同步辐射 等离子体源 同位素 核反应 其他
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体完整性的因
素，导致衍射
2θ
谱线的峰值强
度降低，峰形 I 变宽。
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2θ
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
物质微区不均匀性，例如存在纳米级别的异 类颗粒或孔隙，则会在 2θ<5o 范围内出现相应 的漫散射谱线即小角散射现象。
I
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2θ换算为
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2 sinθ/λ
铜靶X射线：K1=1.54059Å， K2=1.54442Å，则 K=1.54187Å
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
原子完全无序情况 ，例如稀薄气体。在进 行X射线分析时，只能得到一条近乎水平的 散射背底谱线。
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I
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2θ
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
长程有序。有此排列结构的材料为晶体
周期性的结构可以用晶格表示
晶格的格点构成晶格点阵
确定固体中原子
排列形式是研究
固体材料宏观性
质和各种微观过
程的基础
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晶体结构周期性——立体光栅
晶体中有很多的晶面族。不同的晶面族有不 同的间距，即，晶格常数，d。
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1912年劳厄等发现X射线衍射现象，证实X射
线的电磁波本质及晶体原子周期排列。
随后，布拉格进行了深入研究，认为各衍射
斑点是由晶体不同晶面反射所造成的，导出了
著名的布拉格定律。
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X射线的性质
✓穿透能力强（能穿透除重金属外的一定厚 度金属板）
✓能使气体等电离
✓折射率几乎等于1（穿过不同媒质时几乎不 折射、不反射，仍可视为直线传播），因而 不能利用折射来聚焦
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X射线的产生——固体靶源
X射线管
高速运动的电子突然受阻时，与物质原子之间发生能量交换， 从而产射X射线
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X射线的产生——固体靶源
转靶
焦点和辐射
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X射线的产生——固体靶源
X射线管的光谱结构
K1
强 度
15kV
连续X射线谱
K2
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晶体结构周期性——立体光栅
晶体周期性的空间结构可以作为衍射光栅
一维周期
二维周期
三维周期
晶体是一种三维周期结构的光栅
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晶体结构周期性——立体光栅
但是晶体的结构周期，即晶格常数，通
常比可见光的波长小得多(可见光波长一 般在380-780nm之间，常见晶体的晶格常 数约为几个埃) ，因此，可见光不能在晶 体中出现衍射。
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X射线的产生——固体靶源
物相分析、结构分析主要使用K作为单色X射线源
➢LK层跃迁概率大，K线强度大。
K线比相邻的连续谱线的强度大90倍左右，比K 线强度大 4~5倍，在K线系中K1:K2:K=100:50:22。
➢取K线作为光源，K、K、L系、M系等辐射因强 度弱而容易去除。
➢K1、K2线波长和能量差别很小，通常将这两条线 称为K线，其波长是K1、K2波长的加权平均值，即
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2 1
3 3 K
CHKEN1LI
K2
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X射线的产生——固体靶源
物相分析、结构分析通常使用Cr、Fe、Co、 Cu、Mo等靶材
靶材选取原则：
✓ 波长与样品晶格常数匹配
✓ 靶材发出的K线波长尽可能远离试样中组要元素 的K系吸收限，通常靶比试样高一个原子序数，或采用 与试样中主要元素相同的靶材元素——避免强吸收和荧 光干扰
原子近程有序但远程无序情况，例如非晶体 材料。由于近程原子的有序排列，在配位原子 密度较高原子间距对应的 2θ 附近产生非晶散 射峰。
I
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2θ换算为
CHENLI 4π sinθ/λ
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
非晶体材料的近程原子有序度越高，则配位 原子密度较高原子间距对应的非晶散射峰越强， 且散射峰越窄。
强 度
25kV
K
特征X射线谱
连续X射线谱
min
波长
min
波长
不同管压下X射线强度-波长关系曲线
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X射线的产生——固体靶源
元素特征X射线的命名规则
n=3 (M层）
能 量
L4 L3 L1
K1 K 2 K1 K 3 K系
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L系
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n=2 (L层）
n=1 (K层）
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二、X射线晶体衍射几何 理论
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X射线晶体衍射原理
用X射线照射晶体，入射的X射线可以被 晶体中的每一个格点散射，各个散射波在 空间发生相干叠加，产生衍射。
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X射线晶体衍射原理
1913年英国布喇格父子（W.H .bragg .WL
Bragg)建立了一个公式--布喇格公式。不但
I
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2θ换算为
CHENLI 4π sinθ/λ
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
理想晶体的衍射谱线，是布拉格方向对应 的 2θ 处产生没有宽度的衍射线条。
前提是不存在消光现象。
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I
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2θ
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物质结构状态与散射(衍射)谱线
实际晶体中
由于存在晶体 I 缺陷等破坏晶
X射线衍射原理及应用
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内容提要
一、背景介绍 二、 X射线晶体衍射几何理论 三、 X射线晶体衍射的试验技术 四、衍射谱线的数学表达 五、衍射谱线宽化效应 六、X射线衍射技术的应用
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一、背景介绍 ——晶体周期性结构与X射线的电磁波属性
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能解释劳厄斑点，而且能用于对晶体结构的
研究。
布喇格父子认为当能量很高的X射线射到晶
体各层面的原子时，原子中的电子将发生强
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晶体结构周期性——立体光栅
物质结构状态：
自然界中物质常见的结构状态包括： 原子完全无序(稀薄气体) 原子近程有序但远程无序(非晶) 原子近程有序和远程有序(晶体)
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晶体结构周期性——立体光栅
固体包括：晶体（单晶体、多晶体）、非晶体
晶体结构：原子规则排列，排列具有周期性，或称