XRD原理简述及粉末应用

X射线衍射的原理及应用简述X射线的性质•常用X射线波长:0.1~10埃(0.01~100埃)•不反射,几乎不折射(折射率近乎于1)•波长与晶体中原子间距基本相同,因而可以产生衍射,用X射线研究晶体内部结构X射线的产生•X射线管中的高速电子和阳极靶碰撞,产生极大的负加速度,辐射电磁波•电子数量极大,到达阳极上的时间和条件不可能相同,辐射的电磁波具有连续的各种波长，形成一个连续X射线谱Current(mA)Voltage(kV)X射线的产生随着光管加载电压增高:•各种波长相对强度一致增高,•最高强度射线波长逐渐变短•短波极限值逐渐变小X射线的产生•光管电压增高到某个值时,电子有足够能量打掉原子的内层电子•L3,L2两个支壳层的电子跃迁到K壳层时,产生Kα1和Kα2两个波长的X射线•M壳层跃迁K壳层,则产生Kβ波长的X射线X射线的产生•特征波长X射线的相对强度,随着光管电压的提高而增加•I=Ki(V-Vk)n(n=1.5~1.7)Vk:K系波长X射线的激发电压V:工作电压;i:光管电流•特征波长与连续波长X射线强度的比值,其管电压为Vk的3~5倍时为最大.X射线的产生各种靶材元素的K系辐射的激发电压及适宜的工作电压靶元素原子序数KVkKV(最佳工作电压)元素(被强吸收及散射的元素)Cr242.29095.9820-25Ti,Sc,CaFe261.93737.1025-30Cr,V,TiCo271.79027.7130-35Mn,Cr,VNi281.65918.2930-35Fe,Mn,CrCu291.54188.8635-45Co,Fe,MnMo420.710720.0050-55Y,Sr,RuAg470.560925.5055-60Ru,Mo,NbX射线的吸收•物质对X射线的吸收能力随波长增大而提高•波长达到某些特定值时,吸收能力陡然下降—吸收限Io△XIX射线的吸收•利用吸收限的特性滤掉特征波长中的Kβ波长:滤波片材料的K吸收限正好处于靶材Kα和Kβ波长之间,Kβ波长光子被大量吸收,而Kα波长光子则只被吸收较少一部分,从而得到基本单色的Kα波长X射线.晶体学基础气态物质液态非晶体(粒子无序排布)晶体(粒子有序排布)固态晶体学基础•晶体就是原子团按照一定的规律性在空间上’无限’重复而形成.ba点阵系统原子团晶体+晶体学基础•晶胞:空间上‘无限重复’的点阵系统的基本单元•使用晶格常数来描绘一个晶胞的形状abc-sides-anglescba晶体学基础•晶系和点阵Numberoflattices1242311SystemTriclinicMonoclinicOrthorhombicTetragonalCubicTrigonalHexagonalLatticesymbolsPP,CP,C,I,FP,IP,I,FRP,C,I,FRestrictionsonconventionalcellaxesandanglesabc;abc;==90ºabc;===90ºa=bc;===90ºa=b=c;===90ºa=b=c;==120°,90ºa=bc;==90º,=120°晶体学基础CubicPTetragonalPCubicICubicFTetragonalIMonoclinicPTriclinicMonoclinicCTrigonalRTrigonal&HexagonalPOrthorhombicPOrthorhombicCOrthorhombicIOrthorhombicF衍射•光通过小孔/狭缝时会产生散射,类似于变成了一个光源.光衍射•当波长λ的光通过两个小孔/狭缝时,两个散射源的光程差为波长整数倍时,形成干涉(衍射).两者相位一致时,形成干涉的最强条纹•x=dsinΦ=λdx=dsin衍射•如果不仅仅只有两条狭缝,而是有无数条间隔相同的狭缝,则干涉条纹位置依然,但干涉条纹宽度会变得很窄屏幕两条狭缝无数狭缝X射线衍射•原子同样对X射线会有散射效应,相当于每个原子都是一个光源X射线X射线衍射•晶体中同一晶面族的不同层原子相当于无数个间距相同的X射线散射源•当光程差等于波长的整数倍时,形成衍射dACBB'BC'CA'AdCDB布拉格公式:n=2dsinB’AA’X射线衍射d100(100)(200)(110)(110)(111)(102)d200X射线粉末衍射X射线粉末衍射X射线粉末衍射-传统聚焦光路光管焦斑索拉狭缝发散狭缝防散射狭缝接受狭缝索拉狭缝单色器探测器遮光板X射线粉末衍射-线性探测器•物相定性粉末衍射的应用•物相定量粉末衍射的应用•晶体结构分析–结构精修–指标化–解结构粉末衍射的应用•晶粒尺寸计算–谢乐公式–线型分析(Williamson-HallPlot)粉末衍射的应用粉末衍射的应用•结晶度计算X射线粉末衍射-样品高度误差•样品表面高于或低于衍射基准面,衍射峰峰位偏移.sRRcoss22θθ•相变研究变温样品台的应用47.047.548.048.549.049.550.050.551.051.52Theta(°)050001000015000Intensity(counts)TbVO4样品在低温下的可逆相变•化学反应研究变温样品台的应用高温下水合醋酸铜的分解