第2章X射线衍射方向.

1第一篇材料X射线衍射分析第一章X射线物理学基础第二章X射线衍射方向第三章X射线衍射强度第四章多晶体分析方法第五章物相分析及点阵参数精确测定第六章宏观残余应力的测定第七章多晶体织构的测定2第二章X射线衍射方向本章主要内容第一节晶体几何学简介第二节布拉格方程第三节X射线衍射法3第一节晶体几何学简介一、14种布喇菲点阵晶体中原子在三维空间规则排列的抽象图形称空间点阵。空间点阵中的阵点不限于原子由基本矢量a、b、c构成的平行六面体称为单位晶胞，如图2-1所示布喇菲晶胞的选择原则：最能反映点阵对称性；a、b、c相等数目最多；、、尽可能是直角布喇菲晶胞的特点是几何关系和计算公式最简单图2-1单位晶胞4一、14种布喇菲点阵自然界的晶体可划分为7个晶系，每个晶系中最多有4种点阵，在7大晶系中只有14种布喇菲点阵1.立方晶系a=b=c，===90图2-2晶系及布喇菲点阵aaaaaa简单立方体心立方aaa面心立方第一节晶体几何学简介5一、14种布喇菲点阵2.正方晶系a=bc，===90续图2-2晶系及布喇菲点阵简单正方体心正方acaaca第一节晶体几何学简介6一、14种布喇菲点阵3.正交晶系abc，===90续图2-2晶系及布喇菲点阵abcabcabcabc简单正交底心正交体心正交面心正交第一节晶体几何学简介7一、14种布喇菲点阵4.菱方晶系5.六方晶系a=b=c，==90a=bc，==90，=120续图2-2晶系及布喇菲点阵aac简单六方简单菱方aaa第一节晶体几何学简介8一、14种布喇菲点阵6.单斜晶系abc，==90续图2-2晶系及布喇菲点阵abc简单单斜底心单斜abc第一节晶体几何学简介9一、14种布喇菲点阵6.三斜晶系abc，90续图2-2晶系及布喇菲点阵abc简单三斜第一节晶体几何学简介10二、晶体学指数1.晶向指数晶体点阵中的阵点按一定周期排列，可将点阵分解为任意方向上的、且相互平行的结点直线簇，阵点等距分布在这些直线上。用晶向指数[uvw]表示一簇直线，其确定方法如图2-3所示。若已知直线上任意两点坐标分别为，(X1Y1Z1)和(X2Y2Z2)则有图2-3晶向指数的确定212121():():()::XXYYZZuw第一节晶体几何学简介11二、晶体学指数2.晶面指数可将点阵分解为任意取向的、相互平行的结点平面簇，不同取向的平面簇具有不同特征。用晶面指数(hkl)表示一簇平面，hkl为其在3个坐标轴上截距倒数比(见图2-4)，即图2-4晶面指数的确定222111111111::::::hklmnpmnp第一节晶体几何学简介12二、晶体学指数3.六方晶系指数用三指数表示六方晶系的晶面和晶向时，其缺点是不能直观地显示等同晶面和等同晶向关系。如(100)、(010)和(10)是等同三个柱面，[100]、[010]、[110]实际上是等同晶向上述晶面和晶向若用四指数可分别表示为，(100)、(010)、(100)，和[20]、[20]、[110]，它们则具有明显的等同性，可分别归属为{100}晶面族和110晶向族，见图2-5第一节晶体几何学简介1111111121213二、晶体学指数3.六方晶系指数若晶面用三指数表示时为(hkl)，则相应的四数指为(hkil)，四指数中前三个指数只有两个是独立的，它们之间的关系为i=-(h+k)有时将i略去，表示为(hkl)图2-5六方晶系的晶体学指数[20]11[110]2第一节晶体几何学简介14二、晶体学指数3.六方晶系指数四轴晶向指数确定方法见图2-6。三指数[UVW]和四指数[uvtw]之间的按以下关系互换U=u–t,V=v–t,W=wu=(2U–V)/3v=(2V–U)/3t=-(u+v)w=W图2-6六方晶系的晶向指数第一节晶体几何学简介15三、简单点阵的晶面间距公式1.正交晶系(2-3)2.正方晶系(2-4)3.立方晶系(2-5)4六方晶系(2-6)2222221clbkahdhkl22222)(1clakhdhkl222lkhadhkl2222234)(1clakhkhdhkl第一节晶体几何学简介16第二节布拉格方程X射线与原子内受束缚较紧的电子相遇时产生的相干散射波，在某些方向相互加强，而在某些方向相互减弱，称这种散射波干涉的总结果为衍射X射线学以X射线在晶体中的衍射现象作为基础，衍射可归结为衍射方向和衍射强度两方面的问题衍射方向可由劳埃方程或布拉格方程的理论导出劳埃方程在本质上解决了X射线衍射方向的问题，但难以直观地表达三维空间的衍射方向布拉格定律将晶体的衍射看成是晶面簇在特定方向对X射线的反射，非常简单方便17一、布拉格方程的导出如图2-7，在LL1处为同相位的一束单色平行X射线，以角照射到原子面AA上，在反射方向到达NN1处为同光程；入射线LM照射到AA晶面的反射线为MN，入射线L1M1照射到相邻晶面BB的反射线为M2N2，它们到达NN2处的光程差=PM2+QM2=2dsin若X射线波长为，则相互加强的条件为2dsin=n(2-7)此式即为著名的布拉格方程图2-7布拉格方程的导出第二节布拉格方程18二、布拉格方程的讨论布拉格方程2dsin=n中，入射线(或反射线)与晶面间的夹角称为掠射角或布拉格角；入射线和衍射线之间的夹角2称为衍射角；n称为反射级数将衍射看成反射是布拉格方程的基础。X射线的晶面衍射和光的镜面反射有所不同，X射线只有在满足布拉格方程的方向才能反射，因此称选择反射布拉格方程简单明确地指出获得X衍射的必要条件和衍射方向，给出了d、、n和之间的关系第二节布拉格方程19二、布拉格方程的讨论1.反射级数如图2-8，若X射线照射到晶体的(100)时，恰好能发生2级反射，则有2d100sin=2；设想在(100)面中间均插入与其完全相同的(200)面，可以把(100)的2级反射看作是(200)的1级反射，则布拉格方程为2d200sin=；又可写成，2(d100/2)sin=，即或(2-10)图2-82级反射示意图第二节布拉格方程2sin2sindnd2sin2sindnd20二、布拉格方程的讨论2.干涉面指数把晶面(hkl)的n级反射面n(hkl)用符号(HKL)表示，称为反射面或干涉面(hkl)是晶体中实际存在的晶面，(HKL)只是为了简化问题而引入的虚拟晶面干涉面指数称为干涉指数，H=nh，K=nk，L=nl，当n=1时，干涉面指数即为晶面指数在X射线结构分析中，一般使用干涉面的面间距第二节布拉格方程21二、布拉格方程的讨论3.掠射角掠射角是入射线(或反射线)与晶面间夹角，一般用于表征衍射方向当一定时，d相同的晶面必然在相同的方向才能获得反射。用单色X射线照射多晶体时，各晶粒d相同的晶面，其反射方向()相同当一定时，随d值减小而增大，说明间距较小的晶面对应于较大的掠射角，否则其反射线就无法加强第二节布拉格方程22二、布拉格方程的讨论4.衍射极限条件掠射角极限范围是0~90，但过大和过小均会造成衍射观测的困难。由于sin≤1，使得反射级数n或干涉面间距d受到限制当d一定时，n随较小而增大，采用短波长X射线照射，可获得较高级数的反射因dsin=/2，故d≥/2，说明只有间距大于或等于X射线半波长的干涉面才能参与反射，采用短波长的X射线照射时，参与反射的干涉面将会增多第二节布拉格方程23二、布拉格方程的讨论5.应用布拉格方程是X射线衍射分析中最重要的基础公式，能简单方便地说明衍射的基本关系用已知波长的X射线照射晶体，通过衍射角2的测量计算晶体中各晶面的面间距d，这就是X射线结构分析用已知面间距d的晶体反射样品激发的X射线，通过衍射角2的测量计算X射线的波长，这就是X射线光谱分析第二节布拉格方程24第二节布拉格方程三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解图2-9表明，入射线与衍射线的单位矢量与之差垂直于衍射面，且其绝对值为：，代入布拉格方程得(2-11)即矢量ghkl=k-k垂直于衍射面(hkl)，且绝对值等于晶面间距的倒数，这一结果把我们引入一个解决衍射问题的矢量空间—倒易空间sin2kk图2-9入射矢量k与衍射矢量k的关系hkldkk25三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一)倒易点阵的定义和性质通常把晶体点阵（正点阵）所占据的空间称为正空间。所谓倒易点阵，是指在倒空间(量纲为[L]-1)内与某一正点阵相对应的另一个点阵倒易点阵是爱瓦尔德在1924年建立的一种晶体学表达方法正点阵和倒易点阵是在正、倒两个空间内相互对应的统一体，它们互为倒易而共存倒易点阵十分巧妙地、正确地反映晶体点阵周期性的物理本质，是解析晶体衍射的理论基础，是衍射分析工作不可缺少的工具第二节布拉格方程26第二节布拉格方程三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一)倒易点阵的定义和性质1.倒易点阵的定义设正点阵的基本矢量为a、b、c，定义相应的倒易点阵基本矢量为a*、b*、c*，则有(2-12)式中，V是正点阵单胞的体积，VVVbacacbcba,,)()()(bacbcbcbaV27第二节布拉格方程三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一)倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的性质1)倒易点阵基本矢量(2-13)正倒点阵异名基矢点乘积为0，由此可确定倒易点阵基本矢量的方向(2-14)正倒点阵同名基矢点乘积为1，由可确定倒易点阵基本矢量的大小，即(2-15)0bcaccbabcaba),cos(1,),cos(1,),cos(1ccccbbbbaaaa1ccbbaa28第二节布拉格方程三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一)倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的性质2)倒易点阵矢量在倒易空间内，由倒易原点O*指向坐标为hkl的阵点矢量称倒易矢量，记为ghkl(2-16)倒易矢量ghkl与正点阵中的(hkl)晶面之间的几何关系为(2-17)倒易矢量ghkl可用以表征正点阵中的(hkl)晶面的特性(方位和晶面间距)cbaglkhhklhklhklhkldghkl1),(g29三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一)倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的性质3)倒易球(多晶体倒易点阵)单晶体的倒易点阵是由三维空间规则排列的阵点所构成，它与相应正点阵属于相同晶系多晶体由无数取向不同的晶粒组成，其倒易点阵是由一系列不同半径的同心球面而构成多晶体同族{hkl}晶面的倒易矢量在三维空间任意分布，其端点的倒易阵点将落在以O*为球心、以1/dhkl(ghkl)为半径的球面上第二节布拉格方程30三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(二)爱瓦尔德图解由(2-11)式可得，(2-18)此式即为倒易空间的衍射方程容易证明它与布拉格方程是等效的当(hkl)面发生衍射时，其倒易矢量ghkl的倍等于入射线与衍射线的单位矢量之差kk矢量式(2-18)的几何图形表达形式，即为爱瓦尔德图解第二节布拉格方程hklgkk31三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(二)爱瓦尔德图解如图2-10，入射矢量的端点指向倒易原点O*，以入射方向上的C点作为球心，半径为1/作球，球面过O*，此即为爱瓦尔德(或反射球)若某倒易点hkl落在反射球面上，该晶面将发生衍射，衍射线的方向由反射球心指向该倒易点爱瓦尔德图解可直观地说明(hkl)晶面能否发生衍射、以及衍射线的方向图2-10爱瓦尔德图解第二节布拉格方程32三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(三)晶体衍射花样的特点1)单晶体衍射花样用垂直于入射线放置的感光底片记录，单晶体衍射花样由规则排列的衍射斑点组成2)多晶体衍射花样如图2-11，用垂直于