主要内容
X射线技术：X射线衍射 X射线荧光 X射线光电子能谱 光学技术：红外光谱 拉曼光谱 紫外可见吸收光谱 荧光光谱
固体的结构分析
气态 物质 液态 固态 晶体 非晶体
晶体：原子在空间呈有规则地周期性重复排列，或者称
长程有序，如微孔分子筛晶体
非晶体： 原子无规则排列，不具有长程有序，如活性
氧化铝等。
X射线的散射
2.非相干散射: 当入射X射线与原子中束缚较弱 的电子(如外层电子)发生非弹性碰撞时,光子消 耗一部分能量作为电子的动能,于是电子被撞出 离子之外,同时发出波长变长,能量降低的非相干 散射或康普顿散射. 因其分布在各方向上,波长变长,相位与入射 线之间没有固定的关系, 不能产生干涉和衍射.
X射线的透射
☺ X射线有较强的穿透能力，但由于物质对X 射线存在各种作用，只有一小部分透射线保持 原有能量，沿原方向直线穿过并继续传播。 ☺ X射线透过物质后强度的减弱是X射线光子 数的减少,而不是X射线能量的减少。所以, 透 射X射线能量和传播方向基本与入射线相同。
相干散射 —— XRD、sc-XRD
K L
特征谱的产生
当用一个高能量的粒子(电子, 质子等)轰击某物质时, 若该 物质的原子内层电子被轰出电子层, 便在内层形成空穴, 该 空穴会立即被较高能级上的电子层上的电子所填充, 并发出 电磁辐射,这便是特征X射线.
Kα
ΔE = E2 – E1 = hν
Kβ Lα Lβ
M N O
特征X射线的命名
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X射线的产生和本质
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相 同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。波 长范围：0.01~100Å，具有高穿透本领。
X射线谱
由X射线管发出的X射线可分为两种： ☺具有连续波长的连续X射线谱，也叫做白色X射线。 ☺ 由阳极金属材料成分决定的波长确定的特征X射 线，称为特征谱。
柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield） 医学
X射线的发现
X射线的发现
李鸿章在X光被发现后仅7个月 “X射线”是德国物理学家伦琴（Roentgen)于1895 年11月8日发现，并很快以“论一种新射线”为题发 表论文公之于世。 就体验了此种新技术，成为拍X 光片检查枪伤的第一个中国人。
X射线衍射
X射线衍射技术是揭示晶体内部原子排列状况最 有力的工具，它在物质结构研究中具有特殊的作用。 在催化剂研究中，它主要用于物相鉴定、物相分 析及晶胞参数的测定，可以获得许多有用的结构信 息，使催化剂的许多宏观物理性质与微观结构的特点 相关联；也可用来研究物质的分散度；还可用于研究 制备工艺、处理条件对催化剂微观结构的影响。
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晶体的X射线衍射
1912年德国物理学家劳厄做出了晶体 的X射线衍射实验。
布拉格定律 Bragg’s law
1913 年 英 国 布 拉 格 父 子 （ W.H.bragg ＆ W.L. Bragg)建立了布拉格公式。将劳厄推出的衍射方程 简化，能成功解释劳厄斑点。
X射线 X--ray
劳厄斑 Laue spots 晶体 crystal
X射线大事记
1901 1914 1915 1917 1924 1927 1936 1946 1964 1979 1981 伦琴 (Roentgen) 劳厄（Laue） 布拉格父子 (Bragg) 巴克拉 (Barkla) 塞格巴恩 (Siegbahn ) 康普顿(Compton等六人) 德拜 (Debye) 马勒 (Muller) 霍奇金 (Hodgkin) 塞格巴恩(Siegbahn) 发现X射线(1895) 晶体的X射线衍射 分析晶体结构 发现元素的标识X射线 X射线光谱学 康普顿效应 化学 医学 化学 物理
r c a, , b
点阵常数：a, b, c 棱边夹角: α, β, γ
晶面指数的例子
晶面间距
晶间距指同一组平行的面中两相邻面的距离。用d(hkl)表 示。晶面指数确定了晶面的位向和间距, 由晶面指数可以 求面间距d(hkl) 通常，低指数的面间距较 大，而高指数的晶面间距则 较小. 晶面间距愈大，该晶面上的 原子排列愈密集； 晶面间距愈小，该晶面上的 原子排列愈稀疏。
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X射线衍射
物质的性质和性能决定于它们的组成和微观结构—— 如果你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微观结构 看个清清楚楚 X射线衍射将会有助于探究为何成份相同的材料，其 性能有时会差异极大 X射线衍射将会有助于找到预想性能的材料
晶体学基础
晶体和非晶体
晶体是质点(原子,分子或离子)在空间按一 定规律周期性重复排列构成的固体物质。 非晶体则是原子排列不规则，近程有序而远 程无序的无定性体。
X射线光电子能谱：研究原子周围的化学环境，化学位移和电
子结构。
X射线漫反射及广角非相干和小角相干，非相干散射技术：了
解晶体点振缺陷状态或其统计分布规律，晶粒大小。
X射线衍射貌相术：研究晶体内部缺陷的分布，形状，性质和
数量。
X射线的波长位于0.001-10 nm之间， 与 物质的结构单元尺寸数量级相当，因此成为物 质结构分析的主要手段，广泛应用于物理学， 化学，医学，材料学，地质学等学科领域。 X射线的发现和广泛应用是二十世纪科 学发展中最伟大的成就之一。围绕X射线发 现、发展和应用而进行科研工作的科学家获 诺贝尔奖的就有近三十人之多。
荧பைடு நூலகம்效应------X射线荧光分析/元素分析 俄歇效应------俄歇电子能谱/表面化学组成/化学键能
X射线的散射
X射线穿过物质时，物质的原子可能使X射 线光子偏离原射线方向，即发生散射。 1. 相干散射：当入射X射线光子与原子中束缚 较紧的电子发生弹性碰撞时，X射线光子的能量 不足以使电子摆脱束缚，电子的散射线波长与 入射波长相同，有确定的相位关系。相干散射 波之间产生相互干涉，就可获得衍射，故相干 散射是X射线衍射的基础。
☺ 某层电子被激发，称某系激发。如K层电子被激发， 称K系激发。 ☺某受激层电子空穴被外层电子填充后所产生的X射线辐 射，称某系辐射，某系谱线或某线系。如外层电子填充 K层空穴后产生的X射线称K系辐射，K系谱线或K线系。 ☺当电子填空穴前处于近邻，次近邻，···电子层， 则在对应谱线名称下方标上α, β, γ。 ☺当电子处于某电子层的各电子亚层，则在该谱线名称 的下方再标上数字。
如陶瓷颗粒，矿石，沙子，水泥等。
空间点阵: 这些阵点在三维空间呈周期性规则排列的几
何图形称为空间点阵，简称点阵。
微晶: 只有几百个或几千个晶胞并置而成的微小晶粒。
(粉末)
晶胞: 连接点阵中相邻阵点而成的最小平行六面体，是
具有代表性的基本单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重 复堆砌就构成了空间点阵。
晶胞选取的原则
扩展X射线吸收精细结构分析（EXAFS）：得到邻近原子的间
距，配位数和无序度等结构信息。
X射线技术的特点
X射线来自原子内层电子的跃迁, 谱线简单, 干扰少. 灵敏度较高, 一般检出限为10-5 – 10-6 g. 强度测量再现性好. 分析元素范围广, 浓度范围大, 可从常量组分到痕 量杂质都可进行测量. 样品不受破坏, 便于进行无损分析. 可以进行价态的分析. 易于实现仪器自动化, 分析快速, 准确.
−
+
K（热阴极） ——发射电子 真空管 A（阳极）
K A
X光
连续谱的产生
当高速运动的电子击靶时，电子略过阳极物质原子核 附近，由于静电引力的作用而获得负加速度。根据经典电 磁学理论，一个具有加速度的电子，必然向周围辐射电磁 波，这种现象称为韧致辐射。 由于击靶的电子数目极多, 击靶时间不同, 略过 原子核附近的距离也不同, 因此, 获得的负加速度也不完 全一致, 它们辐射的光子频率谱是包含各种波长的连续波。
布拉格定律
布拉格父子认为当能量很高的X射线射到晶体各层面 的原子时发生相干散射, 每个原子是散射的子波波源, 向周 围发射同频率的电磁波。X射线的衍射现象起因于相干散 射的干涉作用。
两束周期, 振幅相同的波从同一点出发, 由于它们的位相不同,可能产生如下现象:
两个波相位同步, 周期未变, 只是 振幅是两者之和, 这是衍射图象最 明亮的部分。 两个波相位相反, 振幅互相抵消, 这是衍射图象最黑暗的部分。
正交点阵中一些晶面的面指数
X射线衍射原理
光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕 过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 由 于相干波的干涉作用产生明暗相间的衍射花纹，代表着 衍射方向和强度。 光栅衍射：光栅为一系列等宽狭缝，由物理光学可知, 若光的波长与衍射光栅宽度非常接近时, 可发生衍射 的现象，得到一系列明暗相间的条纹。 劳厄想到，晶体是质点按周期性排列构成的固体物 质。因原子面间距与入射X射线波长数量级相当，那么晶 体可以当作是X射线的三维衍射光栅,这就是最早的X射线 衍射。在X射线一定的情况下，根据衍射的花样可以分析 晶体的性质。
散射
非相干散射 光电效应
俄歇效应 —— AES 荧光效应—— XPS、XRF
吸收
热耗
透射——衰减
X射线的吸收
X射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。 除转变为热量外，还可转变为电子电离，荧光产 生，俄歇电子形成等光电效应。 1. 光电效应：当入射电子能量大于物质中原子核 对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而 脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子 被称为光电子，这种因入射线光子的能量被吸收而 产生光电子的现象称为光电效应。
催化剂组成和结构的知识是了解催化过程中发生 的化学变化的关键，从这些信息有可能来确定催
第二章 催化剂组成与结构的表征
化剂哪些部位是有活性的，在催化过程中是如何 变化的以及结构对这些活性位的影响。 催化剂表征对了解催化剂结构与组成在预处理， 在诱导期，在反应条件下和使用和再生过程中所 发生的变化也是至关重要的。