第7章 X射线衍射.pptVIP

主要内容： 7.1 X射线概述 7.2 X射线衍射原理 7.3 X射线衍射分析方法 7.4 X射线衍射在高聚物中的应用 7.1 X射线概述 当高速电子冲击到阳极靶上时就产生X射线。X射线和光波相同，是一种电磁波，它显示波粒二象性，但波长较光波更短一些。X射线的波长范围在0.01～100?。 在高聚物的X射线衍射方法中所使用的X射线波长一般在0.5～2.5 ?左右（最有用的是CuKα＝1.542 ?），因为这个波长与高聚物微晶单胞长度2～20 ?大致相当。Kα射线，电子由L层跃迁到K层产生的射线。 由M层电子跃迁入K层空位，发生的X射线称Kβ线。Kβ是由Kβ1和Kβ2组成的，Kβ2因强度太弱常常被忽略。 强度I0的单色X射线，透过厚度为l(cm)的物质，其吸收为： μ的数值随物质的状态而变，它可由物质的化学组成、密度(ρ)、质量吸收系数(μm)算得：μ=μmρ，μm与X射线波长及吸收物质的原子序数有关，μm≈kλ3Z3，k为常数。 吸收突变的产生可解释为当入射X射线光子具有足够能量(波长较短)时，可将样品中K电子击出产生荧光X射线。当入射X射线波长逐渐增加时，对物质穿透减少，相当于μm逐渐增加。由于X射线波长加长，X射线光子能量下降；而当下降到某一数值不足使物质产生K系激发时，此时入射X射线光子能量除消耗一部分激发L、M系电子外，大部分透过，相当于μm反而降低，这里就是第一个突变产生的原因，这个突变称K吸收限，还有L吸收限出现。 利用吸收限的性质，选择滤波材料的吸收限刚好在靶材料特征X射线Kα与Kβ辐射波长之间(一般比靶材料元素的原子序数小1或2)，可将大部分Kβ辐射滤掉，而Kα很少损失，基本上得到Kα单色辐射。 7.2 X射线衍射原理 当一束X射线照射到晶体上时，首先被电子所散射，每个电子都是一个新的辐射波源，向空间辐射出与入射波相同频率的电磁波。在一个原子系统中所有电子的散射波都可以近似地看作是由原子中心发出的。 因此，可以把晶体中每个原子都看成是一个新的散射波源，它们各自向空间辐射与入射波相向频率的电磁波。由于这些散射波之间的干涉作用使得空间某些方向上的波始终保持互相叠加，于是在这个方向上可以观测到衍射线；而在另一些方向上的波则始终是互相抵消的，于是就没有衍射线产生。 所以，X射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量的原子散射波互相干涉的结果。 每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。一个衍射花样的特征可以认为由两个方面组成： (1)衍射线在空间的分布规律(称之为衍射几何)； (2)衍射线束的强度。 衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定的，而衍射线强度则取决于原子在晶胞中的位置、数量和种类。 为了通过衍射现象来分析晶体结构，必须掌握晶体学知识；并在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系。 7.2.1 晶体学 晶体的基本特点是它具有规则排列的内部结构。晶胞是由格子点组成的平行六面体，是晶体的最小重复单元。 为了完整地描述晶胞的大小和形状，引入六个晶胞参数。一般来说，晶轴即是晶胞中各棱的方向，a、b、c形成右手坐标系。 晶胞总共有七种类型，即立方、四方、正交、六方、三方、单斜、三斜，它们构成七个晶系和14种空间点阵(Bravais A.点阵)。 2. 晶面指数 在晶体学中，晶面在空间的位置一般用晶面指数表示。具体确定晶面指数的方法如下： ①在以基矢a、b、c构成的晶胞内，量出一个晶面在三个基矢上的截距，并用基矢长度a、b、c为单位来度量； ②写出三个分数截距的倒数； ③将三个倒数化为三个互质整数，并用小括号括起，即为该组平行晶面的晶面指数(米氏符号或米勒指数)。 晶面表示：(hkl) ，也可表示一组平行晶面。如果晶面在某轴上的截距位于原点的负侧，则相应的指数是负，这时要在该指数上方划一负号。 晶体中方向表示：[uvw]，u、v、w 3个数是与该方向上的一个矢量在3个轴上的分量成正比例的3个最小整数。 7.2.2布拉格定律1. 布拉格方程的导出 一束波长为λ的X射线以θ角投射到面间距为d的一组平行原子面上。从中任选两个相邻原子面A、B，作原子面的法线与两个原子面相交于K、L；过K、L画出代表A和B原子面的入射线和反射线。 经A和B两个原子面反射的反射波的光程差为： δ=ML+LN=2dsinθ 干涉加强的条件为： 布拉格方程2dsinθ=nλ，n为整数，称为反射级数；θ为掠射角或半衍射角，也称为布拉格角，把2θ称为衍射角。 2. 选择反射 X射线在晶体中的衍射实质上是晶体中各原子散射波之间的干涉结果。只是由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射线的反射，所以才借用镜面反射规律来描述X射线的衍射几何。 可见光以任意角度投射到镜面上都可以产生反射，而原子面对X射线的反射并不是任意的，只有当λ