陈孝章的X射线衍射晶体结构分析预习报告

近代物理实验预习报告X射线衍射晶体结构分析学院数理与信息工程学院班级物理091姓名陈孝章学号09180120时间2011年11月06日X射线衍射晶体结构分析【摘要】本实验通过采用与X射线波长数量级接近的物质即晶体这个天然的光栅来作狭缝，从而研究X射线衍射。由布拉格公式以及实验中采用的NaCl晶体的结构特点即可在知道晶格常数条件下测量计算出X射线的波长。也可用它来测定各种晶体的晶格结构。【关键词】X射线衍射晶体结构布拉格公式劳厄法【引言】X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。本实验通过对X射线衍射实验的研究来进一步认识其性质。【正文】1）布拉格公式：光波经过狭缝将产生衍射现象。狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小。对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝观察X射线的衍射，就相当困难。冯·劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶体的晶格正好与X射线的波长属于同数量级。图4—3显示的是NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构。当入射X射线与晶面相交θ角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那末容易看出，图中两条射线1和2的光程差是，即。当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长）布拉格公式在θ方向射出的X射线即得到衍射加强。DCACsind2,2,1n,nsind2根据布拉格公式，即可以利用已知的晶体（d已知）通过测θ角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（λ已知）来测量未知晶体的晶面间距。2）X射线的产生和X射线光谱实验中通常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。1.连续光谱连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λm开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图4—1）。连续光谱的短波限λm只决定于X射线管的工作高压。2.特征光谱阴极射线的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态。图4—2b表示的是原子的基态和K、L、M、N等激发态的能级图，K层电子被轰出称为K激发态，L层电子被轰出称为L激发态，…，依次类推。原子的激发态是不稳定的，内层轨道上的空位将被离核更远的轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，多余的能量便以光量子的形式辐射出来。图4—2a描述了上述激发机理。处于K激发态的原子，当不同外层（L、M、N…层）的电子向K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。同样，L层电子被轰出后，原子处于L激发态，所产生的一系列辐射统称为L系辐射，依次类推。基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的。3）实验步骤1.X射线在单晶中的衍射实验①按照连接图安装实验仪器，使靶台和直准器间的距离为5cm，和传感器的距离为6cm。②将NaCl单晶固定在靶台上（注意取晶体的时候要小心），启动软件“X-rayApparatus”F4键清屏；设置X光管的高压U=35.0KV，电流I=1.00mA，测量时间3s-10s，角步幅为0.1°，按COUPLED键，再按β键，设置下限角为4o,上限角为24o；按SCAN键进行自动扫描；扫描完毕后，按F2键存储文件③已知晶体的晶格常数（a0=564.02pm），测定X射线的波长。④已知X射线的波长，测定晶体的晶格常数。2.劳厄法测定单晶的晶格结构①卸下光缝，装上小孔光栏，在该光栏前用双面胶带纸贴上单晶品袋（需注意样品的边缘是否水平或铅直）。②取下整个测角器装置（包括靶台，传感器及其传动装置等），装上X射线底片架使它铅直放置，正对样品，离样品约15mm。③在底片架的中心安放X射线胶片，使它平直，正对样品。④用U=35kv，I=1mA使底片曝光（单晶曝光半小时）。⑤在暗室中对底片显影、定影，得到劳厄相图。⑥根据单晶样品的劳厄相图中亮点的位置，研究样品的晶体结构。3.德拜-施拉照相法测定多晶粉末样品的晶面间隔①样品制备：多晶样品须把NaF碎片放在研钵中研磨成细粉后，放在薄薄的塑料袋中。②样品安装：卸下光缝，装上锆吸收片后，再装上小孔光栏，在该光栏前用双面胶带纸粘上多晶塑料袋。③取下整个测角器装置，装上X射线底片架使它铅直放置，正方样品，离样品约15mm。④在底片架的中心安放包有黑纸的X射线胶片，使它平直，正对样品。⑤用U=35kv，I=1mA使底片曝光（多晶曝光4小时）。⑥在暗室中对底片显影、定影，得到德拜相图。⑦根据多晶样品的德拜相图中各圆环的直径D，研究样品的晶体结构，求出样品常数。【参考文献】①近代物理实验讲义[M]．浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2011