1、x-射線衍射分析(xrd)課件2022/7/182X-射線1895年倫琴（W.C.Roentgen）研究陰極射線管時，發現管的對陰極能放出一種有穿透力的肉眼看不見的射線。由于它的本質在當時是一個“未知數”，故稱之為X射線。 2022/7/183一、X-射線的性質 肉眼不能觀察到，但可使照相底片感光、熒光板發光和使氣體電離； 能透過可見光不能透過的物體； 這種射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉，在通過物體時不發生反射、折射現象，通過普通光柵亦不引起衍射； 這種射線對生物有很厲害的生理作用。2022/7/184二、X-射線的產生 產生X-射線的方法，是使快速移動的電子(或離子)驟然停止其運動，則

2、電子的動能可部分轉變成X光能，即輻射出X-射線。2022/7/1852022/7/186特征X射線譜的產生 特征X射線的產生與陽極靶原子中的內層電子躍遷過程有關。如果管電壓足夠高，即由陰極發射的電子其動能足夠大的時，那么當它轟擊靶時，就可以使靶原子中的某個內層電子脫離它原來所在的能級，導致靶原子處于受激狀態。此時，原子中較高能級上的電子便將自發的躍遷到該內層空位上去，同時伴隨有多余的能量的釋放。多余的能量作為X射線量子發射出來。顯然，這部分多余的能量等于電子躍遷前所在的能級與躍遷到達的能級之間的能量差。2022/7/187 X射線的頻率由下式決定：h 2 1 式中1和2為原子的正常狀態能量和受

3、刺激狀態時的能量。 當打去K層電子時，所有靠外邊的電子層中的電子都可能落到那個空位上，當產生回落躍遷時就產生K系的X射線光譜。K系線中，K線相當于電子由L層過渡到K層，K線相當于電子由M層過渡到K層。當然K線比K線頻率要高，波長較短。整個K系X射線波長最短。結構分析時所采用的就是K系X射線。2022/7/1882022/7/189三、X射線與物質的相互作用 X射線與物質相互作用時，會產生各種不同的和復雜的過程。但就其能量轉換而言，一束X射線通過物質時，它的能量可分為三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質繼續沿原來的方向傳播。透過物質后的射線束由于散射和吸收的影響強度被衰減。 X

4、射線與物質作用除散射、吸收和通過物質外，幾乎不發生折射，一般情況下也不發生反射。2022/7/18101、 X射線的散射定義：X射線通過物質時，其部分光子將會改變它們的前進方向這就是散射現象。散射現象：包括相干散射和不相干散射2022/7/1811相干散射或稱古典散射 當入射X光子與物質中的某些電子（例如內層電子）發生碰撞時，由于這些電子受到原子的強力束縛，光子的能量不足以使電子脫離所在能級的情況下，此種碰撞可以近似地看成是剛體間的彈性碰撞，其結果僅使光子的前進方向發生改變，即發生了散射，但光子的能量并未損耗，即散射線的波長等于入射線的波長。此時各散射線之間將相互發生干涉，故成為相干散射。相干

5、散射是引起晶體產生衍射線的根源。2022/7/1812不相干散射也稱康普頓效應 當入射X射線光子與物質中的某些電子（例如外層電子）發生碰撞時，由于這些電子與原子間的結合松弛，可以近似地看成是自由電子，碰撞的結果，X射線光子將一部分能量傳遞給電子，使電子脫離原子而形成反沖電子，同時光子本身也改變了原來的前進方向，發生了散射。這種散射由于各個光子能量減小的程度各不相同，即每個散射光子的波長彼此不等，因此相互不會發生干涉，故稱為不相干散射。不相干散射線的波長比入射X射線的能量小、波長大。在X射線衍射分析中只增加連續背景，給衍射圖帶來不利影響。2022/7/18132、X射線的吸收 物質對X射線的吸收

6、是指X射線能量在通過物質時轉變為其它形式的能量。對X射線而言，即發生了能量損耗。有時把X射線的這種能量損耗稱為吸收。物質對X射線的吸收主要是由原子內部的電子躍遷引起的。在這個過程中發生X射線的光電效應和俄歇效應，使X射線的部分能量轉變成為光電子、熒光X射線及俄歇電子的能量。此外入射X射線的能量還消耗于產生熱量。因此，X射線的強度被衰減。2022/7/18142022/7/1815四、X-射線衍射分析原理布拉格方程： n=2dsin 2022/7/1816五、X-射線衍射分析應用物相分析 定性分析定量分析單一物相的鑒定或驗證混合物相的鑒定晶體結構分析點陣常數（晶胞參數）測定晶體對稱性（空間群）的

7、測定等效點系的測定晶體定向晶粒度測定宏觀應力分析2022/7/1817Xpert MPD Pro 2022/7/18181、物相分析確定物質（材料）由哪些相組成（即物相定性分析或稱物相鑒定）確定各組成相的含量（常以體積分數或質量分數表示，即物相定量分析）。2022/7/1819（1）物相定性分析基本原理與方法物質的X射線衍射花樣特征：分析物質相組成的“指紋腳印”。 制備各種標準單相物質的衍射花樣并使之規范化，將待分析物質(樣品)的衍射花樣與之對照，從而確定物質的組成相。2022/7/1820PDF卡片各種已知物相衍射花樣的規范化工作于1938年由哈那瓦特(J. D. Hanawalt)開創。他

8、的主要工作是將物相的衍射花樣特征(位置與強度)用d(晶面間距)和I(衍射線相對強度)數據組表達并制成相應的物相衍射數據卡片。卡片最初由“美國材料試驗學會(ASTM)”出版，稱ASTM卡片。1969年成立了國際性組織“粉末衍射標準聯合會(JCPDS)”，由它負責編輯出版“粉末衍射卡片”，稱PDF卡片。 2022/7/1821氯化鈉(NaCl)的PDF卡片2022/7/1822PDF卡片索引為方便、迅速查對PDF卡片，JCPDS編輯出版了多種PDF卡片檢索手冊：Hanawalt無機物檢查手冊、Hanawalt有機相檢查手冊、無機相字母索引、Fink無機索引、礦物檢索手冊等檢索手冊按檢索方法可分為兩

9、類：以物質名稱為索引(即字母索引)、以d值數列為索引(即數值索引)。 2022/7/1823數值索引以Hanawalt無機相數字索引為例。其編排方法為：一個相一個條目，在索引中占一橫行，其內容依次為按強度遞減順序排列的8條強線的晶面間距和相對強度值、化學式、卡片編號和參比強度值。條目示例如下： 芬克無機數值索引與哈那瓦特數值索引相類似，主要不同的是其以八強線條的d值循環排列，每種相在索引中可出現8次。2022/7/1824字母索引以物相英文名稱字母順序排列。每種相一個條目，占一橫行。條目的內容順序為：物相英文名稱、三強線d值與相對強度、卡片編號和參比強度號。條目示例如下： 2022/7/1825物相定性分析的基本步驟（1）制備待分析物質樣品；（2）用衍射儀法或照相法獲得樣品衍射花樣； （3）檢索PDF卡片；（4）核對PDF卡片與物相判定。2022/7/1826多相物質分析多相物質相分析的方法是按上述基本步驟逐個確定其組成相。多相物質的衍射花樣是其各組成相衍射花樣的簡單疊加，這就帶來了多相物質分析(與單相物質相比)的困難：檢索用的三強線不一定局于同一相，而且還可能發生一個相的某線條與另一相的某線條重疊的現象。因此，多相物質定性分析時，需要將衍射線條輪番搭配、反復嘗試，比較復雜。2022/7/18272、物相定量分析基本原理定量分析的任務是確定物質(樣品)