实验一X射线物相定性分析

-1-实验1X射线物相定性分析一、实验目的1．了解X射线衍射仪的结构及工作原理。2．掌握X射线衍射物相定性分析的原理、实验方法以及物相检索方法。二、实验原理当一束单色X射线照射到某一结晶物质上，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d与X射线入射角之间满足布拉格（Bragg）方程：2dsin=（为入射X射线的波长）时，就会产生衍射现象。X射线物相分析就是指通过比较结晶物质的X射线衍射花样来分析待测试样中含有何种或哪几种结晶物质（物相）。任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。这些结构参数与X射线的衍射角和衍射强度I有着对应关系，结构参数不同则X射线衍射花样也各不相同。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，不存在两种衍射花样完全相同的物质。通常用表征衍射线位置的晶面间距d（或衍射角2）和衍射线相对强度I的数据来代表衍射花样，即以晶面间距d为横坐标，衍射相对强度I为纵坐标绘制X射线衍射图谱。目前已知的结晶物质有成千上万种。事先在一定的规范条件下对所有已知的结晶物质进行X射线衍射，获得一套所有结晶物质的标准X射线衍射图谱（即d-I数据），建立成数据库。当对某种材料进行物相分析时，只需要将其X射线衍射图谱与数据库中的标准X射线衍射图谱进行比对，就可以确定材料的物相，如同根据指纹来鉴别人一样。各种已知物相X射线衍射花样的收集、校订和编辑出版工作目前由国际性组织“粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）”负责，每一种物相的X射线衍射花样制成一张卡片，称为粉末衍射卡，简称PDF卡，或称JCPDS卡。通常的X射线物相分析即是利用PDF卡片进行物相检索和分析。当多种结晶物质同时产生衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加——它们相互独立，不会相互干涉。逐一比较就可以在重叠的衍射花样-2-中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。三、实验仪器本实验使用的仪器是日本Rigaku有限公司生产的RigakuUltimaIV型X射线衍射仪，主要由X射线发生器（即X射线管）、测角仪、X射线探测器、计算机控制处理系统等组成。四、实验步骤1．样品制备对于粉末样品，通常要求其颗粒的平均粒径控制在5m左右，即过320目（约40m）的筛子，还要求试样无择优取向。因此，通常应用玛瑙研钵对待测样品进行充分研磨后使用。对于块状样品应切割出合适的大小，即不超过铝制样品架的矩形孔洞的尺寸，另外还要用砂轮和砂纸将其测试面磨得平整光滑。2．充填试样将适量研磨好的试样粉末填入样品架的凹槽中，使粉末试样在凹槽里均匀分布，并用平整光滑的玻片将其压紧；将槽外或高出样品架的多余粉末刮去，然后重新将样品压平实，使样品表面与样品架边缘在同一水平面上。块状样品直接用橡皮泥或石蜡粘在铝制样品架的矩形孔洞中，要求样品表面与铝制样品架表面平齐。3．样品测试（1）开机前的准备和检查将制备好的试样插入衍射仪样品台，盖上顶盖关闭防护罩；开启水龙头，使冷却水流通；检查X光管窗口应关闭，管电流、管电压表指示应在最小位置；接通总电源，打开稳压电源。（2）开机操作开启衍射仪总电源，启动循环水泵；等待几分钟后，打开计算机X射线衍射仪应用软件，设置管电压、管电流至需要值，设置合适的衍射条件及参数，开始样品测试。（3）停机操作测量完毕，系统自动保存测试数据，关闭X射线衍射仪应用软件；取出试-3-样；15分钟后关闭循环水泵，关闭水源；关闭衍射仪总电源及线路总电源。4．物相检索根据测试获得的待分析试样的衍射数据，利用MDIJade软件在计算机上进行PDF卡片的自动检索，并判定唯一准确的PDF卡片，并计算衍射曲线的d值（或2值）、相对强度、衍射峰宽等数据。(1)选择扫描范围为20°-80°，用连续扫描方式扫描，得到样品的“全谱”；(2)用Jade软件打开测量图谱；(3)根据图谱情况，进行“图谱光滑”和“扣除背景和Kα2”操作（为了减少信息的损失，可省略）(4)用鼠标右键点击“S/M”按钮，打开检索条件设置对话框，去掉“Usechemistryfilter”选项的对号，同时选择多种PDF子库，检索对象选择为主相（S/MFocusonMajorPhases）再点击“OK”按钮，进入“Search/MatchDisplay”窗口。-4-(5)系统自动检索出与样品衍射谱最匹配的100种PDF卡片并列表显示。(6)在检索结果列表中，根据谱线角度匹配情况并参考强度匹配情况，选择最匹配的PDF卡片作为物相鉴定结果。(7)检索完成后，鼠标右键点击常用工具栏中的“打印机”按钮，转到“打印预览”窗口，可保存/复制/打印/编辑检索结果。如图所示。-5-(8)在物相鉴定后，选择菜单命令“Report-PeakID(Extended)”，打开峰检索报告。在这个报告里列出了每一个峰的衍射角、面间距、测量的峰强度（峰高）、对应的物相和晶面指数，同时也列出了标准卡片上的衍射角、标准衍射角与测量值之间的差值，如图所示。-6-五、实验报告要求1．用实验报告专用纸撰写实验报告，简述实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤（并注明相应的测试条件）等。2．实验结果：将实验数据和物相检索所得到的标准物质数据以表格形式列出，要求写出样品名称（中英文）、PDF卡片编号，实验数据和PDF卡片标准数据中衍射线的晶面间距d值、相对强度值及干涉面指数（HKL）。3．结论：确定待测试样所属的物相或包含哪几种物相。RigakuUltimaIV简要操作步骤和MDIJade软件（助教讲）