实验三十四 晶体结构分析.doc

实验三十 晶体结构分析 【目的要求】 1. 掌握衍射基本的原理，熟悉布拉格方程。 2. 初步了解衍射仪的构造和使用方法。 3. 【实验原理】 a、b、c、α、β、γx，y，z规定。微观结构除了一定的周期性外，还有一定的对称性。各种可能的微观对称元素和Bravais点阵类型组合产生微观对称类型共有230种，称为230种空间群。这种类型在宏观外形和性质上表现的宏观对称性称为点群，一共32种。从对称划分，晶体分属七大类：三斜、单斜、正交、四方、三方、六方、立方等。 晶体的空间点阵可以划分为一簇簇平行等间距的平面点阵。在晶体点阵中任取一点阵点为原点O，取晶胞的平行六面体单位的三个边为坐标轴(x，y，z)，以晶胞相应的三个边长a，b，c分别为x, y, z 上的单位长度，则有一平面点阵与坐标轴相交，截距为r，s，t，我们用 (1/r):(1/s):(1/t)=h*:k*:l* 来表示这一平面点阵，即晶面指标(h*，k*，l*)。由于(1/nr):(1/ns): (1/nt)= s:t:l。所以一个晶面指标(h*k*l*)代表一族互相平行的平面点阵。 2. X射线衍射基本原理 X射线是一种波长在0.001～10nm之间的电磁波。当一束平行单色X射线通过晶体时，在偏离入射光的某些方向，会观察到一定的强度，即为衍射现象。用于晶体结构分析的X射线波长范围在0.5～2.5A之间，与晶面间距的数量级相当，因此，晶体可以作为X射线的天然衍射光栅。相干散射是晶体衍射的基础。 测定晶体结构主要是确定晶胞参数及晶胞中粒子的位置(即晶胞两要素)，X射线在晶体中的衍射(相干散射)方向可以测定点阵结构的周期性，从衍射强度可以得出粒子在晶胞中的分布。 图2-34-1 Bragg衍射 设波长为λ的X射线入射到两个互相平行的点阵面(h* k* l*) 上，则由衍射条件可以得到： ???θ’散射角=θdh*k*l*sinθnh*nk*nl*＝n( n＝1，2，3，…… (2) 式(2)称为Bragg 方程, 是理解晶体对X射线衍射的最基本方程。式中dh*k*l*是晶面指标为(h*k*l*)的两相邻平面之间的距离, 整数n是衍射级数。nh*nk*nl*常用hkl表示，hkl称为衍射指标。衍射指标和晶面指标间的关系为: hkl=nh*nk*nl*, (nh*nk*nl*为第n级衍射的衍射角。用衍射指标来表示Bragg 方程为：(＝2dhklsin(hkl 。 原子在某一方向上散射波的振幅用原子散射因子f 表示。f随sinθ/λ增加而减少(θ为散射角，λ为波长)。设晶胞中有q个原子，第j个原子在晶胞中分数坐标为(x j, y j, z j)，则： ??? (3) F(hkl)称为结构因子。由于晶胞的散射强度为IC且IC＝Ie?| F(hkl)|,　所以得F(hkl)后，可得到不同衍射方向的X-射线的相对强度，进而根据系统消光规律得到晶胞中原子的分布信息。 3. 单晶衍射数据的收集 单晶衍射数据的收集是为了求得衍射线的方向及强度，确定晶体的对称性、空间点阵的类型和晶胞参数，进而确定晶体中原子的排列。 根据Bragg 方程(＝2dhkl　sin(hkl，式中dhkl　取决于定值晶胞参数，而Ｘ射线波长(及衍射角度(hkl可控制。为了使更多的面网满足衍射方程，目前有多种方法——劳埃法、回摆法、魏森堡法、旋进法和单晶衍射仪法。下面简单介绍单晶衍射仪法。 单晶衍射仪是一种由计算机控制的大型分析仪器。该仪器的特点是，特征X射线作用于安装在测角仪上的单晶后产生衍射点，通过检测器记录衍射点的强度数据。通过计算机控制完成衍射的自动寻峰、测定晶胞参数、收集衍射强度数据，统计系统消光规律，确定空间群等。进而计算晶体结构。单晶衍射仪法是单晶衍射收集的主要方法。 单晶衍射仪的测角仪是仪器的核心部分，由四个旋转轴相交于一点圆组成，它们是(圆、ω圆、2θ圆、(圆。（四个圆都不固定的为四圆单晶衍射仪见图2-34-2，其中(圆固定的为三圆单晶衍射仪见图2-34-3）。 图2-34-2 四圆单晶衍射仪 图2-34-3 χ圆固定的三圆单晶衍射仪 (圆是测角仪头绕晶轴自转的圆。 (圆是安放测角仪头((圆)的垂直大圆。(圆可在这个圆上运动。(圆的轴是水平方位。观察目镜固定在( 圆上。 (圆是带动垂直的( 圆转动的圆，也就是晶体绕垂直轴转动的圆。 2(圆是与(圆同轴，带动计数器转动的圆。 四圆或三圆单晶衍射仪配有优良的计算机系统，其作用是控制仪器的运转、进行晶体学数据计算以及晶体结构解析。 【仪器】衍射仪；等。 【实验步骤】 1. 。0.1～0.7mm，如大小形状不合适，可进行切割。 2. 晶体安装 把选好的晶体用