X 射线多晶衍射实验报告
摘要：
本实验主要利用X 射线粉末干涉仪分别测定四种样品A 、B 、C 、D 的衍射图谱，对样品进行了物相分析。

通过X 射线粉末衍射分析得到样品A 为的组分为2TiO 晶体；样品B 为ZnO 晶体，且样品B 的晶粒大小为：244.680
A ±0.33600
A ；样品C 为2TiO 和ZnO 的混合物，且2TiO 与ZnO 的质量比例为1：1；样品D 同样是2TiO 和ZnO 的混合物，质量比例为50:11. 关键词：
X 射线粉末衍射；物相分析；衍射图谱 引言：
X 射线是一种波长很短的电磁波，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。

1912年德国物理学家劳厄提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X 射线的空间衍射光栅,即当一束 X 射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。

分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。

获得多晶衍射图的方法有两种：德拜照相法和衍射仪法。

20世纪50年代初X 射线粉末衍射仪开始代替德拜照相法记录粉末衍射数据，而德拜照相法逐渐被淘汰，因为x 射线粉末衍射仪法在材料物相的定性、定量测量方面有明显的有优势。

本实验主要通过对X 射线粉末衍射仪的了解与运用，从而进一步熟悉定性物相分析和PDF 数据库的使用方法，了解定性物相分析、精确测定晶格常数以及晶粒大小测量等实验方法。

实验原理： 1、X 射线发生器
X 射线发生器主要是由X 射线管、高压发生器、管压管流稳定电路和各种保护电路组成。

实验中的X 射线管主要是利用真空管。

在高真空的玻璃管里，被加热的阴极所发射的热电子，经阴极和阳极间的高电压加速后，高速撞击到阳极上，阳极为产生X 射线的靶源。

电子与靶物质发生碰撞而迅速减速，发生多次碰撞，逐次丧失能量，直至完全耗尽为止。

在碰撞过程中会产生具有确定最短波长的X 射线连续谱，辐射出特定波长的光子，即标识X 射线。

2、布拉格衍射方程
晶体中原子的排列是有规律的、周期性的，原子间的距离在几埃左右，当波长跟此数量级相近的X 射线入射到晶体上，位于晶格点阵上的原子将对X 射线产生散射。

同一晶面族上入射相同的反射线在相互叠加时，如果它们的相位相同将产生干涉。

(,,)h k l d 为某一晶面族的间距，h ，k ，l 为晶面族的面指数，入射X 射线与该晶面成θ角。

相邻两平面反射的两条X 射线的光程差为(,,)2sin h k l d δθ=。

当光程差δ为入射X 射线波长的整数倍n 时，
(,,)2sin h k l d n θλ= （1）
即产生第n 级干涉最大值。

此式称为布拉格方程。

3、X 射线粉末衍射
在晶体粉末X 射线衍射图谱中，通常衍射峰对应的衍射角取决于晶体的大小和形状，以此对样品进行定性物相分析；而衍射峰的强度取决于晶胞内原子的类型和分布，以此对样品进行定量物相分析。

(一)定性物相分析
定性物相分析的关键就是将获得的未知样品的衍射图谱与已经化合物的衍射图谱进行一一对比，当未知材料的衍射数据满足以下条件时，便可以确定样品的组成成分。

(1)样品衍射图谱中能找到某组分物相应该出现的各衍射峰，且其实验的 值与相应的已知的 值在实验误差范围内误差是一致的。

(2)所有衍射峰的相对强度顺序与已知组分物相的强度顺序原则上保持一致，但当晶体晶粒具有择优取向时，衍射峰的相对强度顺序会发生变化。

实验中采用粉末卡片衍射集（PDF ）对比已知衍射图谱。

（二）定量物相分析
目前最常用的定量物相分析法有内标法、参考强度比法、吸收衍射法等。

这些方法都需要利用制定好的各种标准及多次重复安放样品，对仪器进行反复、仔细的校准。

图 1 X 射线管示意图
1—灯丝 2—真空 3—阳极 4—窗口 5—管壳 6—管座
实验中使用的是内标法。

为避免繁复的强度因子计算，可在试样内均匀混入一定量的标准物，再根据标准物和被测相的衍射线强度来求测物相的定量组成，这种方法就是内标法。

内标物应有稳定的化学性质，它不应与试样起作用，内标物的较强的衍射峰应靠近被测相所选定测量的衍射峰，但不相互重叠，通常选立方晶体较好，因其对称性高，衍射线条少；
当然内标法只能用于粉末试样，内标物应与被测试样充分混合研窟．所以内标物的衍射线强度不应明显受研磨的影响。

实验装置：
本实验采用的是XRD-6000型X射线粉末衍射仪。

该衍射仪主要由X射线发生器、衍射测角仪、衍射数据采集及数据处理系统等部分组成，如图2所示。

1、X射线发生器
X射线发生器一般是由X射线管、高压发生器、管压管流稳定电路和各种保护电路等部分组成。

2、测角仪
测角仪是衍射仪中最精密的机械部分，用来准确测量衍射角，是衍射仪的核心部分。

3、探测仪与数据采集
XRD-6000型X射线粉末衍射仪的探测器采用NaI(TI)闪烁计数器，其基本结构由闪烁晶体、光电倍增管和前置放大器三部分组成。

4、操作与数据处理系统
本实验中衍射仪的运行控制、数据采集与分析都是通过一个计算机X射线分析实时操作系统完成的。

图2 X射线衍射仪结构示意图
实验结果极其分析：
1、样品A
采集数据，启动PDF数据库软件，测定样品A的衍射图谱，如图3所示，然后利用操作
TiO晶体，图3上标出了发生衍射的晶面族的晶面常数，与数据处理系统分析出样品A为
2
对应的PDF卡片为21-1272。

图3 样品A衍射图谱
表1 样品A衍射角与强度关系表
2、样品B
图4 样品B 衍射图谱
表2 样品B 衍射角与强度关系表
3、样品C
采集数据，启动PDF 数据库软件，确定所测样品的组成成分，并根据比照出对应的面指数，得到如图5所示：由定向物相分析法可知，样品C 为2TiO 和ZnO 的混合物，A 物质为
2TiO ，B 物质为ZnO ，且两者的质量比为1：1。

图5 样品C 衍射图谱
4、样品D 中A 与B 的质量分数
采集数据，启动PDF 数据库软件，确定所测样品的组成成分，得到如图6所示，已知样品D 的组分与样品C 相同，但是质量比不同。

图5为样品C 的衍射图谱。

利用操作与数据处理系统进行判断，可以分析出各衍射峰曲线来自于哪种晶体的衍射。

找出其中几个峰，其中一半是A （2TiO ）晶体衍射的，余下是B （ZnO ）晶体衍射的，读取它们的(
)A
C B
I I 。

图6为样品D 的衍射图谱，同样找到上步中的那几条衍射峰，读取(
)A D B I I 。

便可根据前面叙述的方法计算()A D B
X
X 。

根据测得样品C 和样品D 衍射图谱时的数据便可以计算D 样品中的(
)A
D B
X X 。

图6 样品D 衍射图谱
表3 计算D 样品中的(
)A
D B
X X
平均一下三组数据，最后得到在D 样品中，()A
D B
X X =50:11 。

由于实验中的过程误差，所以该值存在一定误差。

5、薄膜
图7 样品B薄膜衍射图谱
测得的B薄膜晶粒大小244.680
A±0.3360
A
将样品A，样品C和B薄膜的衍射图谱画入同一图中，如图8所示：
图8 样品A，C与薄膜的衍射图谱
实验结论：
本实验利用X射线粉末干涉仪法测定了一些样品的衍射图谱，并对其进行了物相分析。

试验中测得样品A为
2
TiO晶体；样品B为ZnO晶体，且样品B的晶粒大小为：244.680A±
0.33600
A；样品C为
2
TiO和ZnO的混合物，且
2
TiO与ZnO的质量比例为1：1；样品D
同样是
2
TiO和ZnO的混合物，质量比例为50:11。

参考文献：
【1】熊俊. 近代物理实验. 北京师范大学出版社2007。