X射线衍射方法及分析

PDF卡
（1）1a,1b,1c为三条
PDF卡片
最强衍射线对应
的晶面间距,1d为 最大面间距
（2）2a,2b,2c,2d
为上述各衍射线的 相对强度，最强线
为100
（3）实验条件 辐射光源 波长 滤波片 相机直径 所用仪器可测 最大面间距 测量相对强度 的方法 数据来源



任务：利用x-ray衍射方法，对材料中的物相进行 定性和定量分析，给出物相的组成和含量。 例如：石英（SiO2），由Si和O组成。 存在状态：非晶态石英玻璃，石英晶体。 石英晶体变体：α、β、γ、石英、方石英、鳞石英。 化学分析：只能分辨Si和O

x-ray衍射物相分析：可一一分辨
三石：化学组成Al2O3· SiO2，其密度、莫来 石转化温度各不相同。 红柱石D = 3.1-3.3 g/cm3 T = 1350-1400℃ 蓝晶石D = 3.5-3.7 g/cm3 T = 1300-1350℃ 硅线石D = 3.1-3.2 g/cm3 T = 1500-1550℃ 两种方法不能互相代替，但可互补，已知化 学成分可大大减轻物相分析的难度。 物相分析包括定性分析与定量分析两部分。

衍射仪和Debye相机的区别
参与衍射的晶面不同

Debye相机中所有与厄瓦尔德球相交的倒易阵
点对应的晶面都参加了衍射。 衍射仪中只有平行于晶体表面的晶面才参加衍 射。

衍射仪法与Debey法的对比
衍射仪法 快0.3—1h 灵敏，弱线可分辨 可重复，数据自动处理， 结果自动检索 盲区小，约为3° 贵，使用条件要求高 样品量大 常用于定量相结构分析 Debye法 >4—5h，手工化 用肉眼 无法重复，人工处理结 果 盲区大，>10° 便宜且简便 样品极其微量 定性，晶体颗粒大小
X射线仪是以特征X射线照射多晶体或粉末样品，用 射线探测器和测角仪来探测衍射线的强度和位置， 并将它们转化为电信号，然后借助于计算机技术对 数据进行自动记录、处理和分析的仪器。
现代X射线衍射仪由：
X射线发生器、X射线测 角仪、辐射探测器和辐 射探测电路4个基本部分 组成。
x射线衍射仪
仪器结构： x-ray发生系统（产生稳定x-ray光源）

制备单相物质的衍射花样使之规范化，将欲 分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物 质的相组成。 将试样的d ~ I数据与已知晶体的d ~ I数据 对比。


目前大量应用的是粉末衍射卡片库，每张晶 体的衍射数据标准卡片上列出晶体的粉末衍 射花样的基本数据。称为PDF卡片（The Powder Diffraction File） 物相定性分析的核心就是如何运用PDF卡片。
用长条形底片卷成圆环状，衍射圆锥与 底片相交构成一系列 对称弧线，每对弧线 间的距离相当于对应 的圆锥顶角4θ对应 的弧长。

1 德拜相机

为减少相机中空气的散射，德拜相机可抽成真空．充 以氢气或氦气
工作原理
德拜法

已知相机半径R，（hkl）产生衍射线与 底片相交两点的距离是S和Sˊ。
S R 4


测角及探测控制系统（测量衍射花样， 使光源、试样、探测器满足一定的几何 和衍射条件） 纪录和数据处理系统。
工作原理
衍射仪光路图
梭拉狭缝由一组等距平行的重金属薄片组成，用来限 制由焦点F发出的射线的水平发散角。 接收狭缝用以排除非衍射线进入计数管和限制衍射束 在水平方向上的发散度，使衍射线背底得到改善。
第五章 物相分析及点阵参数精确测定
主要内容
1. 定性分析
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 定性分析原理 PDF卡片 索引 单相物质的定性分析 多相物质的定性分析
2. 定量分析
2.1 2.2 2.3 2.4 定量分析原理 直接比较法 内标法 K值法

材料研究经常需要知道材料中包含几种结晶 物质或某种物质以何种结晶状态存在。 材料中的一种物质称为一个相，此类问题称 物相分析。 物相：试样中由各种元素形成的具有固定结 构的化合物。（包括单质元素和固溶体）
S S 360 S 57.3 4 R 4 R 2 4R

测量出S即可计算出θ。
德拜法
系统误差来源： 相机半径不准、底片收缩、试样偏心、 实验的吸收等。 误差校正方法： 采用精密实验技术（不对称装片等） 应用数学处理法（图解外推法、最小二 乘法）


2 X射线衍射仪


4.1 4.2
德拜相机 X射线衍射仪
4.3. 衍射仪和Debye相机的区别
多晶体研究方法

单晶体在衍射方向上可得到一个个分立 的衍射点。
多晶体的衍射花样是所有单晶颗粒衍射 的总和。

V
IV
样品
III
II
2 2 r பைடு நூலகம்射X射线
I
2 1


其它晶面产生衍射，形成各自的衍射锥， 只是锥角不同。 圆锥的数目等于满足布拉格方程的晶面数。 底片垂直于x-ray方向安装时，衍射线在底 片上构成许多同心圆（衍射圆环）。

衍射花样中各衍射线的位置（2θ）所确定的 晶面间距（d），和衍射线的相对强度（I/I1） 分别取决于晶胞的形状、大小和晶胞内原子 的种类、数目及排列方式，这些都是物质的 固有特征。 任何结晶物质的衍射数据d和I/I1是其晶体结 构的必然反映。 根据d ~ I数据组来鉴定物相。


2. 定性相分析基本方法

一、定性相分析

目的：
判定物质中的物相组成。

原理：
结晶物质有特定的晶体结构，一定波长的xray照射下，有特定的衍射花样与之一一对 应的。

物质的x-ray衍射花样特征是分析物质相组 成的“指纹脚印”。
1. 定性相分析原理

试样中存在两种或两种以上的晶体物质， 每种物质所特有的衍射花样不变，多相 试样的衍射花样是由所含物质的衍射花 样机械叠加而成。
参数选择
狭缝宽度 增加发散狭缝宽度可增强入射光，虽然这对提高灵 敏度、减少测量时间和强度的统计误差有利．但同 时也会降低分辨率。要想得到高的分辨率，就必须 用小的接收狭缝。 扫描速度 是指接收狭缝和计数器转动的角速度。增大扫描速 度可节约测试时间，但将导致强度和分辨率的下降 时间常数 表示电路对信号反映的快慢，时间常数越小，反映 越快．增大时间常数，可减少统计涨落，从而使衍 射线及背底变得平滑，但同时将降低峰高和分辨 率．