实验16X射线衍射(XRD)-省物理实验示范中心网站.PDFVIP

近代物理实验 —— 物理实验教学示范中心 实验16 X 射线衍射(XRD) 引 言 1895 年，伦琴(W. C. Roentgen)在研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种穿透力极强 的肉眼看不见的射线，由于当时不知它为何物，故称之为X 射线。伦琴对X 射线的性质进行了多 方面的观察和实验，预测了X 射线的性质。 1912年德国慕尼黑大学劳厄(M ．Von Laue)提出X射线的波长线度小于晶体中原子间的距离，X 射线可以被晶体衍射。在他的提议下，Fridrich 和Knipping 先后用硫酸铜和闪锌矿进行了晶体的X 射线衍射实验，首次得到了衍射斑点成4次对称分布的闪锌矿X射线衍射图，证实了晶体对X射线的 衍射。X射线衍射的发现，肯定了X射线的本质，证实了晶体的周期性结构。 英国物理学家布拉格父子(W ．H ．Bragg ，W ．L ．Bragg) 从反射的观点出发，提出了X 射线 照射在晶体中一系列相互平行的原子面上将会发生反射，导出了布拉格方程。l913 年Bragg 父子首 次用 X 射线衍射法测定了氯化钠的晶体结构，随后又完成了对氯化钾、溴化钾和碘化钾的晶体结 构测定工作，开创了晶体结构的X 射线衍射测定法。 X射线在现代分析测试方法中占极有重要地位，应用非常广泛，包括： 1) X射线晶体学即X射线衍射，用于物质微结构的研究； 2) X射线光谱学，用于成分分析； 3) X射线透视，用于身体检查，金属无损检查； 4) X射线光刻等。 X 射线衍射分析是一种无损检测方法，现已成为不可缺少的材料研究表征和质量控制手段，可 以采用这种方法进行分析研究的材料范围非常广泛，包括流体、金属、矿物、聚合物、催化剂、塑 料、药物、薄膜镀层、陶瓷和半导体等。X 射线衍射分析的功能：1) 物质结构的测定，包括晶体 结构、点阵常数、物相的定性和定量分析，非晶和准晶结构的测定；2) 晶体取向的测定；3) 晶粒 尺寸、点阵畸变的测定；4) 残余应力的无损测定和5) 织构的测定等。X 射线衍射分析的特点，1) 反映大量原子散射行为的统计结果，与材料的宏观性能有良好的对应关系，2) 不能给出材料内实 际存在的微观成分和结构的不均匀性的信息，不能分析微区的形貌、成分及原子的存在状态。 实验目的 1. 了解X射线的基本性质，理解X射线衍射的原理，晶体对X射线的衍射。 2. 学习和了解衍射谱的峰位与晶面的关系、衍射强度与晶体参数和状态的关系。 3. 掌握衍射仪的原理和实验技术。 实验原理 X 射线衍射分析以 X 射线在晶体中的衍射现象作为基础，衍射可归结为两方面的问题，衍射 方向和衍射强度。衍射方向问题的理论基础是劳埃方程和布拉格方程，两者是等价的。劳埃方程根 1 近代物理实验 —— 物理实验教学示范中心 据晶体中原子对 X 射线的散射、散射线的干涉推导得出，而布拉格方程将复杂的衍射转化为晶面 图1. X 射线衍射原理 对X 射线的反射，后者方程更为简洁，是X 射线衍射分析中最重要的公式。 晶体是由原子在三维空间中规则排列而成的，在研究晶体结构时一般可将原子堆砌的模型抽象 为空间点阵。空间点阵可以在不同方向上划分出不同的平面点阵簇，称为晶面，如图所示，每一组 晶面互相平行、间距相等。晶面用晶面指数(hkl)来表示，h ，k ，l 是晶面在三个坐标轴上截距倒数 的互质比，h : k : l 是同一簇晶面中所有平面的共同比值。低指数晶面在X 射线衍射中更为重要， 这些晶面的原子密度较大，晶面间距也较大。在同一晶体中，存在着若干组晶面间距相等、晶面上 结点分布相同的等同晶面，这些等同晶面构成晶面系或晶面族，用符号{hkl}来表示。 一束平行 X 射线照到一块晶体上，首先被电子所散射，每个电子都是一个辐射波源，向空间 辐射出与入射