南京大学物化实验系列X射线粉末衍射法测定晶胞常数复习进程.doc

南京大学物化实验系列X射线粉末衍射法测定晶胞常数精品文档精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档收集于网络，如有侵权请联系管理员删除实验二十九X射线衍射法测定晶胞常数—粉末法一．实验目的和要求1、了解X射线衍射仪的基本原理、简单结构和操作方法。2、掌握X射线粉末法的原理，测定NaCl或NH4Cl的晶体点阵形式、晶胞参数以及晶胞中内含物的个数。二．XRD技术的原理和仪器简单介绍X射线的产生在抽至真空的X射线管中，钨丝阴极通电受热发射电子，电子在几万伏的高压下加速运动，打在由金属Cu(Fe、Mo)制成的阳靶上，在阳极产生X射线，如书上P256图III-8-1所示。众所周知，X射线是一种波长比较短的电磁波。由X射线管产生的X射线，根据不同的实验条件有两种类型：(1)连续X射线(白色X射线)：和可见光的白光类似，由一组不同频率不同波长的X射线组成，产生机理比较复杂。一般可认为高速电子在阳靶中运动，因受阻力速度减慢，从而将一部分电子动能转化为X射线辐射能。(2)特征X射线(标识X射线)：是在连续X射线基础上叠加的若干条波长一定的X射线。当X光管的管压低于元素的激发电压时，只产生连续X射线；当管压高于激发电压时，在连续X射线基础上产生标识X射线；当管压继续增加，标识X射线波长不变，只是强度相应增加。标识X射线有很多条，其中强度最大的两条分别称为Kα和Kβ线，其波长只与阳极所用材料有关。X射线产生的微观机理：从微观结构上看，当具有足够能量的电子将阳极金属原子中的内层电子轰击出来，使原子出于激发态，此时较外层的电子便会跃迁至内层填补空位，多余能量以X射线形式发射出来。阳极金属核外电子层K-L-M-N…，如轰击出来的是K层电子(称为K系辐射)，由L层电子跃迁回K层填补空穴，就产生特征谱线Kα，或由M层电子跃迁回K层填补空穴，就产生特征谱线Kβ。当然，往后还有L系、M系辐射等，但一般情况下这些谱线对我们的用处不大。2、X射线的吸收在XRD实验中，通常需要获得单色X射线，滤去Kβ线，保留Kα线。[提问：为什么不能用含有多种波长的多色X射线?事实上就是通过提问对后面的思考题第1题作适当提示。]吸收现象经常用于实验种获得单色X射线。如果在光路中放置一种物质(称为滤光片或单色器)，这种物质的吸收限波长正好出于特征X射线Kα和Kβ波长之间，从而能将绝大部分Kβ线滤去，而透过的Kα线强度损失很小，得到基本上是单色的Kα辐射。我们实验中的阳极选用Cu靶，Cu靶产生的特征Kα线的波长λ＝1.5418Å，Kβ线的波长λ＝1.3922Å，因此可以选用Ni(其吸收限波长λ＝1.4880Å)作滤波片滤去Cu靶中产生的Kβ辐射，得到单色Kα线。3、X射线衍射仪的构造这部分不作要求，同学们只要简单知道是由X射线发生器、测角仪、记录仪这三大部分组成。想要详细了解可以参看《现代仪器分析》、《固体表面分析》等相关参考书。三．X射线粉末衍射法测定晶胞常数1、晶体与晶胞的概念首先需要明确晶体是由具有一定结构的原子、原子团（或离子团）按一定的周期在三维空间重复排列而成的。反映整个晶体结构的最小平行六面体单元称为晶胞。晶胞的形状及大小可通过夹角、、的三个边长a、b、c来描述，因此、、和a、b、c称为晶胞常数。2、粉末法当某一波长的单式X射线以一定的方向投射到晶体上时，晶体内的晶面(同一面上的结构单元构成的平面点阵)像镜面一样反射入射线。但不是任何的反射都是衍射。只有那些面间距为d，与入射的X射线的夹角为θ，且两相邻晶面反射的光程差为波长的整数倍n的晶面簇在反射方向的散射波，才会相互叠加而产生衍射，如图1所示。光程差Δ=AB+BC=dsinθ+dsinθ=2dsinθ，即有Bragg方程2dsinθ=nλ，其中n称为衍射级数。稍作变换，dhkl=d/n=λ/2sinθ，dhkl就是XRD图谱中所说的d值，也是PDF卡片中d值的由来。d(h*k*l*)θθACBO波前Pnλ图1Bragg反射条件图2说明了衍射角的大小，即如果样品与入射线夹角为θ，晶体内某一簇晶面符合Bragg方程，那么其衍射线方向与入射线方向的夹角为2θ，称为衍射角。而θ为半衍射角。θθ图2衍射线方向和入射线方向的夹角2θ2θ图3半顶角为2θ的衍射圆锥如图3所示，多晶样品中与入射X射线夹角为θ面间距为d的晶簇面晶体不止一个，而是无穷多个，且分布在半顶角为2θ的圆锥面上。粉末法就是我们所测样品为多晶粉末(很细，20-30μ)，因而存在着各种可能的晶面取向。当单色(标识)X射线照射到多晶试样表面时，不同取向的晶面都会对X射线发生反射，只有与X射线夹角为θ，满足Bragg方程的晶面才会发生衍射。实际测定时，我们将粉末样品压成片放到测角仪的样品架上，当X射线的计数管和样品绕试样中心转动