两种几何光路
Bragg-Brentano Geometry
1.扫描范围 2. 步长 3.扫描速度
两种几何光路
Parallel Beam Geometry 1.掠射角大小
XRD实验条件选择 （一）试样
• 衍射仪试样可以是金属、非金属的块状、片状或各种粉末。 对于块状、片状试样可以用粘接剂将其固定在试样框架上， 并保持一个平面与框架平面平行；粉末试样用粘接剂调和 后填入试样架凹槽中，使粉末表面刮平与框架平面一致。 试样对晶粒大小、试样厚度、择优取向、应力状态和试样 表面平整度等都有一定要求。 • 衍射仪用试样晶粒大小要适宜，在1μm-5μm左右最佳。 粉末粒度也要在这个范围内，一般要求能通过325目的筛 子为合适。试样的厚度也有一个最佳值，大小为：
• 伦琴发现，不同物质对x射线的 穿透能力是不同的。他用x射线拍 了一张其夫人手的照片。很快，x 射线发现仅半年时间，在当时对x 射线的本质还不清楚的情况下，x 射线在医学上得到了应用。发展了 x射线照像术。 • 1896年1月23日伦琴在他的研究 所作了第一个关于x射线的学术报 告。 • 1896年，伦琴将他的发现和初步 的研究结果写了一篇论文，发表在 英国的《nature》杂志上。 • 1910年，诺贝尔奖第一次颁发， 伦琴因x射线的发现而获得 sin t '
实验条件选择 （二）实验参数选择
• 实验参数的选择对于成功的实验来说是非 常重要的。如果实验参数选择不当不仅不 能获得好的实验结果，甚至可能将实验引 入歧途。在衍射仪法中许多实验参数的选 择与德拜法是一样的。
• 与德拜法不同的实验参数是狭缝光栏、时 间常数和扫描速度。
发现的X射线是什么呢？人们初步认为是一种电磁波，于是想通过光栅来观察 它的衍射现象，但实验中并没有看到衍射现象。原因是X射线的波长太短，只 有一埃（1Å）。 1912年德国物理学家劳厄想到了晶体，它和x光的波长相近，是天然的光栅， 去找普朗克老师，但没得到支持，去找正在攻读博士的索末菲，两次实验后终 于做出了X射线的衍射实验。
叠加而加强的方向称为X射线晶体衍射方向。
衍射强度
• 影响衍射强度的因素主要有如下两点：
– (1) 与衍射方向相联系的衍射指标hkL； – (2) 晶胞中原子的种类和分布（空间坐标）。
• 原子受 X 射线的作用，主要是对电子的作用，即原子 的散射因子 fj 的数值决定于原子的电子结构，即相同
电子层结构的原子散射因子fj相同。例k+和Cl-两种离子

Q P M R K N
2
1 3
d

L
实质：对于一定波长X射线，一定的面间距的晶 面只在特定的角度产生衍射——选择性反射。
X射线衍射方向
X 射线的晶体衍射方向是指与晶体周期性点阵结构
相联系的原子散射产生的 X射线互相干涉迭加加强的 那些方向。
次生X射线：
晶体结构中的原子、电子在 X 射线作用下，每一个 电子作受迫振动，形成了向四周发射电磁波的波源， 即为次生X射线。 当次生X射线的频率与入射X射线的频率相同，波的
特征X射线的命名方法
• 同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能 级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光子 的能量大于一个Kα光子的能量； 但因L→K层跃迁的几 率比M→K跃迁几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大 五倍左右。
• 显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激 发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空 位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生 K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射 因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长 而被吸收。
XRD
X-ray diffraction
Made by Zhaojun
主要问题 • 什么是XRD • 为什么要做XRD
• XRD的结果能说明什么问题
2
Background of XRD
Röntgen or Roentgen ray (X ray)
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真 空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡 的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细 心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空 管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大 的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解， 故称之为x射线。后来也称伦琴射线。
的电子层结构相同，其散射因子相等，散射 x 射线强 度相同。
X-ray
X射线是一种波长很短(约为1～0.1 nm)的电磁 波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质 发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电 子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶 中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识） X射线。
X射线 冷却水 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器 金 属 靶 X射线 铍窗口 金属聚灯罩
X射线管剖面示意图
产生条件
高速电子遇靶突然停止产生X-射线 1.灯丝 产生自由电子 2.高压 加速电子 使电子作定向的高速运动 3. 靶 阻挡电子 在其运动的路径上设置一个障 碍物使电子突然减速或停止 产生X-射线
实验条件选择 （二）实验参数选择
• 防散射光栏与接收光栏应同步选择。
• 选择宽的狭缝可以获得高的X射线衍射强度，但 分辨率要降低；若希望提高分辨率则应选择小的 狭缝宽度。 • 扫描速度是指探测器在测角仪圆周上均匀转动的 角速度。扫描速度对衍射结果的影响与时间常数 类似，扫描速度越快，衍射线强度下降，衍射峰 向扫描方向偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩 盖而丢失。但过低的扫描速度也是不实际的。
• X射线衍射仪是广泛使用的X射线衍射装置。 1913年布拉格父子设计的X射线衍射装置是衍射 仪的早期雏形，经过了近百年的演变发展，今 天的衍射仪如下图所示。
• X射线衍射仪的主要组成部分 有X射线衍射发生装置、测角 仪、辐射探测器和测量系统 ，除主要组成部分外，还有 计算机、打印机等。
广角测角仪和标准样品台


• 在式中，λ是入射特征X射线的波长，是 经过精确测定的，有效数字可达7位数， 对于一般分析测定工作精度已经足够了。 干涉指数是整数无所谓误差。所以影响点 阵常数精度的关键因素是sinθ。
（三）物相定量分析方法
• 多相物质经定性分析后，若要进一步知道各个组成物相的 相对含量，就得进行X射线物相定量分析. • 根据X射线衍射强度公式，某一物相的相对含量的增加， 其衍射线的强度亦随之增加，所以通过衍射线强度的数值 可以确定对应物相的相对含量。 • 由于各个物相对X射线的吸收影响不同，X射线衍射强度与 该物相的相对含量之间不成正比关系，必须加以修正。 • 德拜法中由于吸收因子与2θ角有关，而衍射仪法的吸收 因子与2θ角无关，所以X射线物相定量分析常常是用衍射 仪法进行。
软硬X射线的区别
连续谱 (软X射线) 特征谱 高速运动 的粒子能 量转换成 电磁波 高能级电 子回跳到 低能级多 余能量转 换成电磁 波
谱图特征:强 是衍射分析的 度随波长连 背底; 续变化 是医学采用的
(硬X射线)
仅在特定波 长处有特别 强的强度峰 衍射分析采用
X射线衍射分析方法
X射线衍射仪法
定性判断结晶与取向
由照片判断 非晶无取向 弥散环 非晶取向 结晶取向 赤道线上的弥散斑 有系列对称弧 结晶无取向 有系列同心锐环 结晶高度取向 对称斑点
由衍射仪判断 “宽隆”峰：表明无定形 “尖锐“峰：表明存在结晶或近晶
（二）点阵常数的测定
• X射线测定点阵常数是一种间接方法，它 直接测量的是某一衍射线条对应的θ角， 然后通过晶面间距公式、布拉格公式计算 出点阵常数。以立方晶体为例，其晶面间 距公式为： a d H 2 K 2 L2 • • 根据布拉格方程2dsinθ=λ，则有： H 2 K 2 L2 • a sin
X射线物相定性分析
• 1938年由Hanawalt提出，公布了上千种物质的X射 线衍射花样，并将其分类，给出每种物质三条最强 线的面间距索引（称为Hanawalt索引）。 • 1941年美国材料实验协会（The American Society for Testing Materials，简称ASTM）提出推广， 将每种物质的面间距d和相对强度I/I1及其他一些 数据以卡片形式出版（称ASTM卡），公布了1300种 物质的衍射数据。以后，ASTM卡片逐年增添。
n=3 M层
Cu靶X-Ray有一 定的强度比： (Cu,K1)： (Cu,K2)=0.497 (Cu,K1)： (Cu,K1)=0.200
K K K系
L1 L2 L3 K L系
n=2 L层 n=1 K层
原 子 能 级 跃 迁 时 产 生 X-Ray的 情 况
Cu154.056pm; Cu154.439pm; Cu139.222pm
Bragg father and son
1913年英国物理学家布拉格父 子(W.H.Bragg, W.L.Bragg)在劳 厄发现的基础上，成功地测定 了NaCl、KCl等的晶体结构， 并提出了作为晶体衍射基础的 著名公式──布拉格方程 d为晶面间距，θ为入射束与反射面的夹角，λ为X射 线的波长，n为衍射级数，其含义是：只有照射到相 邻两镜面的光程差是X射线波长的n倍时才产生衍射。
X射线谱
连续X射线谱
• X 射线强度与波长 的关系曲线，称之 X射线谱。 • 在管压很低时，小 于20kv的曲线是连 续变化的，故称之 连续 X 射线谱，即 连续谱。
• 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 • 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电 压。
特征X射线谱
• 当管电压超过某临界值时，特征谱 • 才会出现，该临界电压称激发电压。 当管电压增加时，连续谱和特征谱 强度都增加，而特征谱对应的波长 保持不变。 • 钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位 于一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。 • 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å 和 0.71Å 处，后者的强度约为前者强 度的五倍。这两条谱线称钼的K系