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第六章 X射线衍射(XRD) 第一节 X射线物理学基础 X射线的本质 X射线和可见光一样，都显示波粒二象性，故两者的本质是相同的， 都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主要差别于波长不同。 X射线的波长范围 X射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长0.01 ~ 10nm；能量：124 keV - 0.124 keV 其短波段与γ射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。 X射线是由高能量粒子（电子）轰击原子所产生的电磁辐射，包括： 连续X射线谱-具有连续波长，又称白色X射线 特征X射线-具有特定波长的谱线，该谱线与靶极的材料有关，又称单色X射线。当化学元素受高能光子或粒子照射，如内层电子被激发，将产生空穴，当外层电子跃迁回补时，就会放射出特征X射线。 X射线在物质中的散射 入射光子与原子碰撞改变方向，在各个方向发生散射。 X射线与物质的散射是由于X射线与外层电子的相互作用而产生。 散射作用分为两种，相干散射和非相干散射。 在散射现象中，当散射线波长与入射线相同时，相位滞后恒定，散射线之间能互相干涉，称为相干散射；而当散射线波长与入射线波长不同时，散射线之间不相干涉，则称之为非相干散射。而康普顿散射即为非相干散射。 三、干涉、散射及衍射 干涉：两个或两个以上的光波(电磁波)相遇时，在一定情况下会相互影响(光程差等于nλ时，相互叠加)。 散射：光束(电磁波)通过不均匀媒质时，部分光束(电磁波)将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象。 衍射：当光(电磁波)的波长与障碍物尺寸相差不大时可以绕过障碍物继续向前发射，并且强度明显增加的现象。 光(电磁波)通过狭缝后的扩展。衍射图样 散射及衍射的电磁学原理 在光波(电磁波)的照射下，介质内原子中的电子会发生频率相同的强制振动，每个原子又可作为一个新的波源向四周发射与入射线波长相同的次生光波，这就是散射波。 这些“次生光波”由于存在光程差，会发生干涉现象，只有当光程差等于nλ时才会互相叠加产生衍射现象，其它情况下则减弱或相互抵消。 产生衍射的必要条件 一组可以发生相互干涉的波 一组尺寸与波长相当周期排列的散射中心 利用X射线测试晶体结构 四、晶体学基础 1、晶体的基本性质 晶体结构的基本特征：原子（或原子团）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。 晶体和非晶体的两大性能区别： 非晶体 晶体 熔点： 熔化范围 固定熔点 方向性： 各向同性 各向异性 2、空间点阵的概念 晶体是由原子或原子团在三维空间中规则重复排列组成的固体。 作为基本单元的原子或原子团叫结构基元，简称基元。 为反映晶体中原子排列的周期性，以一个点代表一个基元，这个点就叫阵点，阵点在三维空间的周期性分布形成无限的阵列，就叫空间点阵，简称点阵。 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。 3、晶胞 由于晶体点阵的周期性，可在其中取一个阵点为顶点，以三个不共面的点阵直线上周期为边长的平行六面体作为重复单元，来反映晶体结构的特征，这样的重复单元称为晶胞。 4、七个晶系的晶格参数 5、晶面与晶面间距 五、X射线的衍射 衍射的本质: 晶体中各原子相干散射波叠加（合成）的结果。 衍射波的两个基本特征: 衍射线（束）在空间分布的方位（衍射方向）和强度，与晶体内原子分布规律（晶体结构）密切相关。 1、劳厄的X射线衍射实验 2、布拉格方程 （2）布拉格方程的导出 布拉格方程的导出基础： ①晶体结构具有周期性(可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（d）相等的原子面组成)； ②X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上； ③光源及记录装置至样品的距离比d数量级大得多，故入射线与反射线均可视为平行光。 入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自产生的相互平行的反射线之间的干涉作用导致了“选择反射”的结果，据此导出了布拉格方程。 3.1.2 Bragg方程 二、XRD测量方法 （1）照相法 利用X射线的感光效应，用特制胶片记录试样的衍射方向和强度。德拜-谢乐法（多晶）、劳厄（Laue）法（单晶）、周转晶体法（单晶） 。 多晶样品制备 根据所研究的课题，样品可以是多晶块、片或粉末。 通常是将样品研磨成小颗粒粉末。将研磨后的粉末用手挤压在薄板内框中，利用粉末的自聚能力与框架一起成型。用厚玻璃板作为成型工作面，并以与玻璃接触过的样品表面作为衍射表面。为了消除取向，常把纤维样品剪切为长度小于0.5mm的小段，再用上述过程制样。