X射线衍射物相定性分析

X射线衍射分析2008.92OutlineIntroductionMaterialsCharacterizationComparisonofsometestmethodsXRDHistoryretrospectionNatureandproductionofXrayInteractionofXraysandmaterials3WhatisMaterialsScienceandEngineering?Materialsscienceinvestigatestherelationshipsthatexistbetweenthestructureandpropertiesofmaterials•Materialsengineeringengineersthestructureofmaterialstoproducesubstanceswithapredeterminedsetofproperties4过程Processing结构Structure性能效能Properties结构形成过程“材料工艺”中心环节材料学基础构件、器件的制备“材料选择”PerformanceMaterialsScienceandEngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkages5MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.6研究材料组成、结构、性能与使用效能之间关系，最终实现按要求设计材料的目的。为获得所需性能指标的材料，必须考虑适宜的材料合成、制备、加工等研究技术。为研究所获得材料的化学组成、物相组成、结构和各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析分析表征方法。分析测试方法的选择和使用贯穿材料研究、应用的全过程.“Seeing”isbelievingMSEandMaterialsCharacterization材料科学与工程和材料表征7MaterialsCharacterizationElementalAnalysisPhaseidentificationPhasetransformationStructureatdifferentlevels,MacrotomoleculesandatomsSurface,interfaceMicroscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods8多层次的物质结构Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.宏观：Macroscopic(0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微观：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介观：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亚原子：Subatomic(0.1nm)Electrons,protons,neutrons材料科学研究范畴Domainofmaterialscience9MaterialsCharacterizationElementalAnalysisPhaseidentificationPhasetransformationStructureatdifferentlevels,MacrotomoleculesandatomsSurface,interfaceMicroscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods材料研究需要各种分析表征手段，要求我们掌握它们的原理并在实践中加以灵活运用。材料的分析与表征原理MaterialsCharacterization材料信号输入信号输出材料与输入信号相互作用，产生输出信号。比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。材料的分析与表征MaterialsCharacterization信号输入信号输出光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等材料了解掌握和灵活运用各种表征手段。光子、电子、离子束、中子、热、磁、电、光等13元素化学分析elementalanalysis元素种类与含量（定性定量），不能反映原子之间的化学结合状态。在大多情况下不能满足材料研究需要。如材料中广泛存在同素异构现象。常见元素分析方法有化学分析法、荧光x射线分析、光谱法（原子吸收、发射等)离子探针微区分析、电子探针微区分析、X射线光电子能谱等。相分析方法phaseanalysis反映元素的化学结合状态。“相”的概念与物理化学中“相”的概念有区别。常见分析方法有光学显微镜、电子显微镜、热分析、x射线衍射物相分析（定性、定量）等。几种分析方法的局限与对比14材料相定量分析方法比较Qs:哪几种相、某种物质的结晶状态、各相的含量岩相法petrographicanalysis观察显微镜多个视域各相所占的面积，经统计并折算为体积或重量百分数。费时费力，精度不高，对组分不均匀的材料，试样和视域的选择均影响分析结果。（5%）化学相分析法chemicalanalysis特种溶剂对各组分选择性溶解使各相分开。由于同一溶剂对不同相不易做到绝对的溶解或不溶，往往难以建立完整的方法而作为其他方法的补充。X-射线衍射物相定量分析X-raydiffraction•根据相含量与衍射线强度的关系定量。快速、简便。对简单系统，精度能满足要求。1516X射线的发展史1895年，德国物理学家Röntgen（伦琴）在研究阴极射线时发现了X射线（1901年获得首届诺贝尔奖）1912年，德国的Laue(劳厄)第一次成功地进行X射线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成了一门新的学科—X射线衍射晶体学。（1914年获得诺贝尔奖）1913年，英国Bragg（布喇格父子）导出X射线晶体结构分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（1915年获得诺贝尔奖)17X射线的发展史1917年,巴克拉发现元素的标识X射线；1924年,塞格巴恩创立了X射线光谱学；1936年，德拜、1946年，马勒，1979年，柯马克等人由于在X射线及其应用方面研究而获得化学，生理，物理诺贝尔奖；有机化学家豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射线分析以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。181、衍射分析技术的发展与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单年份学科得奖者内容1901物理伦琴WilhelmConralRontgenX射线的发现1914物理劳埃MaxvonLaue晶体的X射线衍射亨利.布拉格HenryBragg劳伦斯.布拉格LawrenceBragg.1917物理巴克拉CharlesGloverBarkla元素的特征X射线1924物理卡尔.西格班KarlManneGeorgSiegbahnX射线光谱学戴维森ClintonJosephDavisson汤姆孙GeorgePagetThomson1954化学鲍林LinusCarlPanling化学键的本质肯德鲁JohnCharlesKendrew帕鲁兹MaxFerdinandPerutz1962生理医学FrancisH.C.Crick、JAMESd.Watson、Mauriceh.f.Wilkins脱氧核糖核酸DNA测定1964化学DorothyCrowfootHodgkin青霉素、B12生物晶体测定霍普特曼HerbertHauptman卡尔JeromeKarle鲁斯卡E.Ruska电子显微镜宾尼希G.Binnig扫描隧道显微镜罗雷尔H.Rohrer布罗克豪斯B.N.Brockhouse中子谱学沙尔C.G.Shull中子衍射直接法解析结构1915物理晶体结构的X射线分析1937物理电子衍射1986物理1994物理1962化学蛋白质的结构测定1985化学19X射线应用技术X射线形貌技术（Radiography）医学诊断、治疗、工业探伤X射线光谱技术（Spectrum）元素分析X射线衍射技术（XrayDiffraction-XRD）相分析、结构分析等20课程要求和内容提纲理解XRD和仪器工作原理，熟练掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面应用。X射线的物理基础晶体结构基础知识X射线衍射几何条件和衍射线强度X射线衍射仪X射线衍射物相定性分析原理及应用21第一章X射线的物理基础ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety221.TheNatureofXraysX射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102埃的范围。（如右图所示）23波粒二相性propertiesofbothwavesandparticles波动性：用波长、频率、振幅、传播方向表征。一个随时间变化的正玄式振荡的电场，其垂直方向是一类似变化的磁场，即交变变化的电磁场的传播，传播方向由右手螺旋定则确定。干涉、衍射现象。粒子性：和其它电磁波和微观粒子一样（中子、质子、电子等），x光子是具有确定能量的粒子。与物质相互作用现象，用动能和动量表征。波粒二相性公式：E=hv=h.c/λ，P=h/λ24由于x射线有能量，可以使底片感光、荧光屏发光，气体电离。而x射线的强度与照相底片的感光程度、荧光屏发光亮度及气体的电离程度有关，因此可以利用这些效应来检测x射线的存在及强度。能量与强度EnergyandIntensity能量：E=hv=h.c/λ（与波长成反比，频率成正比）与穿透能力相关。强度：是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s.强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.252.ProductionofXRays－X射线源X射线源X射线管发出的X射线（最多）Xraytube-Thermalcathodesynchronizationacceleration同步辐射源26Xraytube27WorkingofXraytube2829303.XRayspectrum－X射线谱当高能电子与靶上原子碰撞时，高能电子突然受阻产生负加速度。按照经典电磁辐射理论，加速带电粒子辐射电磁波，从而产生连续X射线。Suddendecelerationoffast-movingparticlesContinuousandcharacteristicXRayspectrum31h.c/λ=eVλ=h.c/eVλ0=1.24/VContinuous/whiteXRayspectrum32短波限连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短