材料分析测试-第五章-X射线衍射原理

1第五章X射线衍射分析原理第一节衍射方向布拉格方程、衍射线矢量方程、厄瓦尔德图解、劳埃方程第二节衍射强度X射线衍射强度问题的处理过程、晶胞衍射强度、影响衍射强度的其它因素西南科技大学张宝述2衍射的本质：晶体中各原子相干散射波叠加（合成）的结果。衍射波的两个基本特征：衍射线（束）在空间分布的方位（衍射方向）和强度。它们与晶体内原子分布规律（晶体结构）密切相关。3第一节衍射方向一、布拉格方程二、衍射矢量方程三、厄瓦尔德图解四、劳埃方程41912年劳埃(M.Van.Laue)用X射线照射五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)获得世界上第一张X射线衍射照片，并由光的干涉条件出发导出描述衍射线空间方位与晶体结构关系的公式（称劳埃方程）。随后，布拉格父子(W．H．Bragg与W．L．Bragg)类比可见光镜面反射安排实验，用X射线照射岩盐(NaCl)，并依据实验结果导出布拉格方程。5一、布拉格方程选择反射：当X射线以某些角度入射时，记录到反射线，其它角度入射，则无反射。如：以CuK射线照射NaCl表面，当=15和=32时记录到反射线。1.布拉格实验设入射线与反射面之夹角为，称掠射角或布拉格角，则按反射定律，反射线与反射面之夹角也应为。散射角2：入射线方向与散射线方向之间的夹角。62.布拉格方程的导出考虑到：①晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（d）相等的原子面组成；②X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上；③光源及记录装置至样品的距离比d数量级大得多，故入射线与反射线均可视为平行光。布拉格将X射线的“选择反射”解释为：入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了“选择反射”的结果。7设一束平行的X射线（波长）以角照射到晶体中晶面指数为（hkl）的各原子面上，各原子面产生反射。任选两相邻面（A1与A2），反射线光程差=ML+LN=2dsin；干涉一致加强的条件为=n，即2dsin=n式中：n——任意整数，称反射级数，d为（hkl）晶面间距，即dhkl。布拉格方程的导出此即布拉格方程83.布拉格方程的讨论（1）描述了“选择反射”的规律：产生“选择反射”的方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足布拉格方程的方向。（2）表达了反射线空间方位（）、入射线方位（）与反射晶面间距（d）和波长（）的相互关系。（3）入射线照射各原子面产生的反射线，实质是各原子面产生的反射方向上的相干散射线，而被接收记录的样品反射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线。因此，在材料的衍射分析工作中，“反射”与“衍射”作为同义词使用。2dsin=n9sin2ndhklsin2HKLd（4）布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基元。原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉（叠加）的结果。单一原子面的反射（5）干涉指数表达的布拉格方程（5-2）（5-3）=QR-PS=PQcos-PQcos=02dsin=nsin2d通常简写为：10反射级数nA1A2A3B2B1A1与A2之间的间距为dhkl,A1与B1之间的间距为d2h2k2lA1A2…2dhklsin1=A1A2…2dhklsin2=2A1B1…2d2h2k2lsin2=1211（6）衍射产生的必要条件：“选择反射”即反射定律+布拉格方程。即当满足此条件时有可能产生衍射；若不满足此条件，则不可能产生衍射。sin2d布拉格方程的意义:（1）表达了晶面间距d、衍射方向和X射线波长之间的定量关系，是晶体结构分析的基本公式。（2）已知X射线的波长和掠射角，可计算晶面间距d。（3）已知晶体结构（晶面间距d），可测定X射线的波长。反射定律？晶体对X射线的反射与对可见光的反射有什么不同？12二、衍射矢量方程入射线方向单位矢量s0反射线方向单位矢量s由“反射定律+布拉格方程”表达的衍射必要条件，可用一个统一的矢量方程式，即衍射矢量方程表达。反射面（HKL）法线（N）衍射矢量s-s0反射定律的数学表达式：s-s0//N，s-s0=2sin故布拉格方程可写为：s-s0=/d13“反射定律+布拉格方程”可用衍射矢量（s-s0）表示为s-s0//N由倒易矢量性质可知，（HKL）晶面对应的倒易矢量r*HKL//N且r*HKL=1/dHKL，引入r*HKL，则上式可写为(s-s0)/=r*HKL(r*HKL=1/dHKL)设R*HKL=r*HKL（为入射线波长，可视为比例系数），则上式可写为s-s0=R*HKL(R*HKL=/dHKL)HKLdss0衍射矢量方程亦为衍射矢量方程14三、厄瓦尔德图解讨论衍射矢量方程的几何图解形式。衍射矢量三角形——衍射矢量方程的几何图解入射线单位矢量s0晶面反射线单位矢量s反射晶面（HKL）倒易矢量r*的倍R*HKLs0终点是倒易（点阵）原点（O*）s终点是R*HKL的终点P，即（HKL）晶面对应的倒易点衍射角15晶体中有各种不同方位、不同晶面间距的（HKL）晶面。当一束波长为的X射线以一定方向照射晶体时，哪些晶面可能产生反射？反射方向如何？解决此问题的几何图解即为厄瓦尔德（Ewald）图解。按衍射矢量方程，晶体中每一个可能产生反射的（HKL）晶面均有各自的衍射矢量三角形。各衍射矢量三角形的关系如图所示。H1K1L1H2K2L2H3K3L3同一晶体各晶面衍射矢量三角形关系可能产生反射（衍射）的晶面，其倒易点必落在反射球上。厄瓦尔德球(反射球)16厄瓦尔德做出了表达晶体各晶面衍射产生必要条件的几何图解，如图所示。厄瓦尔德图解厄瓦尔德图解步骤1.作OO*=s0；2.作反射球（以O为圆心、OO*为半径作球）；3.以O*为倒易原点，作晶体的倒易点阵；4.若倒易点阵与反射球（面）相交，即倒易点落在反射球（面）上（例如图中之P点），则该倒易点相应之（HKL）面满足衍射矢量方程；反射球心O与倒易点的连接矢量（如OP）即为该（HKL）面之反射线单位矢量s，而s与s0之夹角（2）表达了该（HKL）面可能产生的反射线方位。17四、劳埃方程由于晶体中原子呈周期性排列，劳埃设想晶体为光栅（点阵常数为光栅常数），晶体中原子受X射线照射产生球面散射波并在一定方向上相互干涉，形成衍射光束。181.一维劳埃方程入射线单位矢量s0任意方向上原子散射线单位矢量s点阵基矢（原子间距）a一维劳埃方程的导出原子列中任意两相邻原子（A与B）散射线间光程差（）为：=AM-BN=acos-acos0：s与a之夹角0：s0与a之夹角散射线干涉一致加强的条件为=H，即：a(cos-cos0)=HH——任意整数19a(cos-cos0)=H表达了单一原子列衍射线方向（）与入射线波长（）及方向（0）和点阵常数的相互关系，称为一维劳埃方程。亦可写为a·(s-s0)=H由原子列衍射的X射线形成的一套圆锥202.二维劳埃方程a(cos-cos0)=Hb(cos-cos0)=K或a·(s-s0)=Hb·(s-s0)=K单一原子平面受X射线照射必须同时满足两个方程，才可能产生衍射。0及0——s0与a及b的夹角及——s与a及b的夹角213.三维劳埃方程a(cos-cos0)=Hb(cos-cos0)=Kc(cos-cos0)=L或a·(s-s0)=Hb·(s-s0)=Kc·(s-s0)=L三维晶体若要产生衍射，必须同时满足上述三个方程0、0及0——s0与a、b及c的夹角、及——s与a、b及c的夹角22劳埃方程的约束性或协调性方程0、0、0与、、必须满足几何条件cos20+cos20+cos20=1cos2+cos2+cos2=1三个方向的衍射圆锥23衍射方向理论小结布拉格方程、衍射矢量方程、厄瓦尔德图解和劳埃方程均表达了衍射方向与晶体结构和入射线波长及方位的关系。衍射矢量方程是衍射必要条件的矢量表达式，由“布拉格方程+反射定律”导出。厄瓦尔德图解是衍射矢量方程的几何图解形式。作为衍射必要条件，衍射矢量方程、布拉格方程+反射定律及厄瓦尔德图解三者之间是等效的。“劳埃方程+协调性方程”等效于“布拉格方程+反射定律”。X射线衍射必要条件的各种表达式，也适用于电子衍射分析。24衍射方向理论解决了衍射产生的必要条件。试问：1.满足布拉格方程、衍射矢量方程、厄瓦尔德图解和劳埃方程，是否一定可以观察到衍射线（或衍射斑点，衍射花样）？2.衍射产生的充分必要条件是什么？衍射波的两个基本特征?25第二节X射线衍射强度X射线衍射强度理论包括运动学理论和动力学理论一个电子的散射强度原子散射强度晶胞衍射强度小晶体散射与衍射积分强度多晶体衍射积分强度影响衍射强度的其它因素26X射线衍射强度问题的处理过程偏振因子原子散射因子结构因子干涉函数积分强度其它因素27一、一个电子的散射强度一束偏振的X射线照射晶体，基元散射即晶体中原子内电子散射（相干散射）的强度（Ie）：242240sincmReIIe2-328)22cos1(2242240cmReIIe电子对光矢量为E0的非偏振光入射时的散射强度：22cos12称为偏振因子或极化因子29二、原子散射强度一个原子对入射X射线的散射是原子中各电子散射波相互干涉的结果。原子中各电子散射波的相互干涉30原子散射强度Ia表达为eaIfI2原子散射因子f的物理意义为：原子散射波振幅与电子散射波振幅之比，即eEEf0f曲线——f与sin/的关系，sin=0时，f=Zsinf31当入射线波长接近原子的某一吸收限（如K吸收限K）时，f值将明显下降，此现象称为原子的反常散射，此时，需对f值进行校正：即f=f-f，f称原子散射因子校正值。32三、晶胞衍射强度一个晶胞对入射X射线的散射是晶胞内各原子散射波合成的结果。晶胞内任意两原子的相干散射33晶胞沿（HKL）面反射方向的散射波即衍射波FHKL是晶胞所含各原子相应方向上散射波的合成波。设晶胞含n个原子，有njLzKyHxijHKLjjjefF1)(2njjjjjjjjHKLLzKyHxiLzKyHxfF1)(2sin)(2[cosF的复指数函数表达式F的复三角函数表达式F的模F即为其振幅ebEEFEb——晶胞散射波振幅34晶胞沿(HKL)面反射方向散射，衍射强度（Ib）HKL=FHKL2Ie若FHKL2=0，则（Ib）HKL=0，这就意味着(HKL)面衍射线的消失。衍射产生的充分必要条件应为：衍射必要条件(衍射矢量方程或其它等效形式)加F2≠0。因F2=0而使衍射线消失的现象称为系统消光。晶胞衍射波F称为结构因子（结构因数），其振幅F为结构振幅。电子散射（相干散射）强度（Ie）35结构因子的计算2()1jjjniHxKyLzHKLjjFfefj为各原子散射波的振幅重要关系式：eni=(-1)n，n为任意整数，奇数时等于-1，偶数时为1。1.简单晶胞的F与F2值原子坐标（0,0,0）)0(2)000(2iLKHifefeFF2=f2这表明：F2与晶面指数无关，所有晶面均有反射且具有相同的结构因子，与这些反射面对应的倒易点组成了一个初基的倒易格子。362.体心晶胞的F与F2值体心晶胞含有两个原子，原子坐标分别为(0,0,0)，（1/2,1/2,1/2）因此，(110)、(200)、(211)、(220)、(310)、(222)、……均有反射，而(100)、(111)、(210)、(221)、……无反射。与这些反射面对应的倒易点组成了一个面心的倒易点阵。37体心点阵对应的面心倒易点阵所有干涉指数之和为偶数38体心立方-F