物理实验教程 近代物理实 实验46X射线衍射分析 l895年11月8日晚，德国物理学家伦琴(W.C.Roentgen)在做阴极射线实验时发 现，只要一接通电源，距放电管有一段距离的一块荧光屏就会发出绿光。伦琴意识到在实 验中还存在除阴极射线外的一种未知射线，这种新射线被伦琴称为X射线(X-rvs),后来 也被命名为伦琴射线(Roentgen rays)。X射线与1896年发现的放射性现象和1897年发 现的电子一起被誉为19世纪末物理学的三大发现，这三大发现揭开了现代物理学革命的 序落。实际上，伦琴一生在物理学许多领域中开展过实哈研究工作，并做出了一定的贡 献。例如，充电电容器中电介质运动的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压 电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、毛细现象等，因X射线发现的巨大 影响以致这些贡献大多不为人们所注意。伦琴因发现X射线在1901年荣获了第一届诺 贝尔物理学奖。 X射线的发现如同打开了新世界的大门，围绕X射线的创新成果在物理学领域不断 涌现。在伦琴的X射线启发下，法国物理学家贝克勒尔(A.H.Becquerel)于1896年发现 了铀射线。贝克勒尔和居里夫妇(Pierre Curie和Marie Curie)因发现了放射性元素镭 起荣获了1903年的诺贝尔物理学奖。英国物理学家汤姆逊(J.J.Thomson)于1897年在 气体导电性研究中借助X射线最终发现了电子，并因此荣获了1906年的诺贝尔物理学 奖。德国物理学家劳厄(Max Theodor Felix von Laue)于l912年发现了品体的X射线衍 射现象，证明了X射线属于电磁波，并为在实验上证实电子的波动性奠定了重要基础，从 而荣获了1914年的诺贝尔物理学奖。X射线衍射为物质微观结构的研究提供了一个强 有力的工具，从而揭开了更多“诺贝尔奖级”研究的序幕，目前在物理学、化学、生理学和医 学领域与X射线相关的研究成果已经获得了20多项诺贝尔奖。 X射线是波长在0.01~100A范围内的电磁波，具有超强的穿透本领。X射线一经 发现，在医学和工业领域就被用于诊断和检测，特别是X射线的医学应用，开创了医疗影 像技术的先河，大大提高了医疗诊断水平。但伦琴并没有为X射线的发现申请任何专 利，他说道：“我的发现属于全人类，但原这一发现能被全世界的科学家所利用，这样就会 更好地服务于人类.”日前X射线已被广泛应用于众多领域，为人类带来数不尽的发 现和福祉，未来依然可期。 X射线和其他电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象 但是，X射线的频率大约是可见光频率的10倍，因而表现出明显的粒子性，X射线与物质 相互作用时产生的效应与可见光不同。在物质的微观结构中原子、分子的距离(1~10A) 正好落在X时线的波长范围内，X射线与之相互作用时发生的散射和衍射能够提供物质 丰富的微观结构信息。X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD)已经发展出单品衍射 法、多品衍射法、双品衍射法等多种分析方法，成为研究物质微观结构的重要方法，常用于 物相的定性和定量分析，如测定点阵常数、晶粒尺寸、点阵畸变（缺陷）、单晶取向、多晶织 构和应力应变等。X射线衍射分析作为物质成分和结构分析的一种现代科学方法，具有 238
— ２３８ — 实验４Ｇ６ X射线衍射分析 １８９５年１１月８日晚,德国物理学家伦琴(W．C．Roentgen)在做阴极射线实验时发 现,只要一接通电源,距放电管有一段距离的一块荧光屏就会发出绿光.伦琴意识到在实 验中还存在除阴极射线外的一种未知射线,这种新射线被伦琴称为 X射线(XＧrays),后来 也被命名为伦琴射线(Roentgenrays).X射线与１８９６年发现的放射性现象和１８９７年发 现的电子一起被誉为１９世纪末物理学的三大发现,这三大发现揭开了现代物理学革命的 序幕.实际上,伦琴一生在物理学许多领域中开展过实验研究工作,并做出了一定的贡 献.例如,充电电容器中电介质运动的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压 电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、毛细现象等,因 X 射线发现的巨大 影响以致这些贡献大多不为人们所注意.伦琴因发现 X 射线在１９０１年荣获了第一届诺 贝尔物理学奖. X射线的发现如同打开了新世界的大门,围绕 X 射线的创新成果在物理学领域不断 涌现.在伦琴的 X射线启发下,法国物理学家贝克勒尔(A．H．Becquerel)于１８９６年发现 了铀射线.贝克勒尔和居里夫妇(PierreCurie和 MarieCurie)因发现了放射性元素镭一 起荣获了１９０３年的诺贝尔物理学奖.英国物理学家汤姆逊(J．J．Thomson)于１８９７年在 气体导电性研究中借助 X 射线最终发现了电子,并因此荣获了１９０６年的诺贝尔物理学 奖.德国物理学家劳厄(MaxTheodorFelixvonLaue)于１９１２年发现了晶体的 X射线衍 射现象,证明了 X射线属于电磁波,并为在实验上证实电子的波动性奠定了重要基础,从 而荣获了１９１４年的诺贝尔物理学奖.X 射线衍射为物质微观结构的研究提供了一个强 有力的工具,从而揭开了更多“诺贝尔奖级”研究的序幕,目前在物理学、化学、生理学和医 学领域与 X射线相关的研究成果已经获得了２０多项诺贝尔奖. X射线是波长在００１~１００Å 范围内的电磁波,具有超强的穿透本领.X 射线一经 发现,在医学和工业领域就被用于诊断和检测,特别是 X 射线的医学应用,开创了医疗影 像技术的先河,大大提高了医疗诊断水平.但伦琴并没有为 X 射线的发现申请任何专 利,他说道:“我的发现属于全人类,但愿这一发现能被全世界的科学家所利用,这样就会 更好地服务于人类”目前 X 射线已被广泛应用于众多领域,为人类带来数不尽的发 现和福祉,未来依然可期. X射线和其他电磁波一样,能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象. 但是,X射线的频率大约是可见光频率的１０３倍,因而表现出明显的粒子性,X射线与物质 相互作用时产生的效应与可见光不同.在物质的微观结构中原子、分子的距离(１~１０Å) 正好落在 X射线的波长范围内,X射线与之相互作用时发生的散射和衍射能够提供物质 丰富的微观结构信息.X 射线衍射分析(XＧraydiffraction,XRD)已经发展出单晶衍射 法、多晶衍射法、双晶衍射法等多种分析方法,成为研究物质微观结构的重要方法,常用于 物相的定性和定量分析,如测定点阵常数、晶粒尺寸、点阵畸变(缺陷)、单晶取向、多晶织 构和应力应变等.X射线衍射分析作为物质成分和结构分析的一种现代科学方法,具有
材科制备与检测技术实验第4章 不损伤、不污染样品，测量速度和精度高，可获取品体完整性的大量信息等优点，已广泛应 用在科学研究和生产实践中。通过本实验重点学习X射线衍射分析的基本原理、实验方 法和技术，掌握通过X射线衍射仪测量衍射图谱和分析物相的基本方法和技术。 【实验目的】 (1)理解X射线行射的木原理，学会观测X射线衍射现象的实哈方法和技术 (2)理解X射线衍射仪的工作原理，掌握测量X射线衍射图谱的方法和技术。 (3)理解X射线衍射图谱的物理意义，学会物相分析方法。 (4)了解X射线发现、研究和应用中荣获的一系列诺贝尔奖，培养勇于探索未知和追 求真理、敢于创新的科学精神。 【预习要求】 (1)晶体结构有什么特征？什么是晶面指数？晶面指数与晶面间距有什么关系？ (2)X射线衍射的基本原理是什么？多品X射线衍射图谱是什么？ (3)什么是X射线衍射仪？它主要由哪些部分组成？各起什么作用？X射线管产生 的X射线谱有哪些特征？ (4)多品X射线衍射可分析物质材料的哪此信息 (5)什么是物相分析？如何根据多品X射线衍射图谱进行物相鉴定？ 【实验原理】 一、晶体X射线衍射的基本原理 1.晶体结构的基本知识 晶体中原子、原子团、分子等粒子在空间做规则的周期性排列，这是晶体结构(crystal tructure©)的显若特征。若用几何点代替晶体中原子，原子团、分子等粒子，则这些点在空 间形成的周期性阵列整体称为点阵，即品格(crystal lattice),其中每个点都是实际晶体中 的粒子的抽象，称为格点。如图4-6-1所示，品体中粒子在空间重复排列的最小单元称为 原胞。原胞中以一格点为原点O,与O相连的格点为A,B,C,令沿这三个方向长度OA OB,OC的三个矢量分别为a1,a2,a,称为原胞的基矢。原胞的形状或基矢的取向及长 度都要受到晶体对称性的制约，考虑对称性后的最小重复单元称为晶胞(unit cell),共有 14种类型的晶胞，可划分为三斜、单斜、正交、六角、三角、四角和立方七个晶系，如图4-6-2 所示。 图461品格的原胞与基矢 -239
— ２３９ — 不损伤、不污染样品,测量速度和精度高,可获取晶体完整性的大量信息等优点,已广泛应 用在科学研究和生产实践中.通过本实验重点学习 X 射线衍射分析的基本原理、实验方 法和技术,掌握通过 X射线衍射仪测量衍射图谱和分析物相的基本方法和技术. 【实验目的】 (１)理解 X射线衍射的基本原理,学会观测 X射线衍射现象的实验方法和技术. (２)理解 X射线衍射仪的工作原理,掌握测量 X射线衍射图谱的方法和技术. (３)理解 X射线衍射图谱的物理意义,学会物相分析方法. (４)了解 X射线发现、研究和应用中荣获的一系列诺贝尔奖,培养勇于探索未知和追 求真理、敢于创新的科学精神. 【预习要求】 (１)晶体结构有什么特征? 什么是晶面指数? 晶面指数与晶面间距有什么关系? (２)X射线衍射的基本原理是什么? 多晶 X射线衍射图谱是什么? (３)什么是 X射线衍射仪? 它主要由哪些部分组成? 各起什么作用? X 射线管产生 的 X射线谱有哪些特征? (４)多晶 X射线衍射可分析物质材料的哪些信息? (５)什么是物相分析? 如何根据多晶 X射线衍射图谱进行物相鉴定? 【实验原理】 一、晶体 X射线衍射的基本原理 １．晶体结构的基本知识 晶体中原子、原子团、分子等粒子在空间做规则的周期性排列,这是晶体结构(crystal structure)的显著特征.若用几何点代替晶体中原子、原子团、分子等粒子,则这些点在空 间形成的周期性阵列整体称为点阵,即晶格(crystallattice),其中每个点都是实际晶体中 的粒子的抽象,称为格点.如图４Ｇ６Ｇ１所示,晶体中粒子在空间重复排列的最小单元称为 原胞.原胞中以一格点为原点O,与O 相连的格点为A,B,C,令沿这三个方向长度OA, OB,OC 的三个矢量分别为a１,a２,a３,称为原胞的基矢.原胞的形状或基矢的取向及长 度都要受到晶体对称性的制约,考虑对称性后的最小重复单元称为晶胞(unitcell),共有 １４种类型的晶胞,可划分为三斜、单斜、正交、六角、三角、四角和立方七个晶系,如图４Ｇ６Ｇ２ 所示. 图４Ｇ６Ｇ１ 晶格的原胞与基矢
物理实验教程 一近代物理实 ( (b) 《c)底心单 而心正 (h)六月 (G)简式四免 (k)体心四角 (1)简立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图4-6-2七个晶系的14种品胞 点阵中的格点可看成是分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为品面(crysta1 plane)。同一个格子有无穷多个方向不同的晶面系，立方晶体中三个不同方向的晶面系 如图4-6-3所示。设任一晶面在基矢a1,az,a,方向的截距为ra1s5a2a,其系数的倒数 1,1/,1h简约成互质的整数h,k,使A:k:1-上：：，并记为(h1),这就是 该平行晶面系的品面指数。根据晶面指数可求出晶面间距d,即晶面系中相邻两个平面 的间距。例如，立方晶系的晶面间距为： d=a(h2+k2+l)- (4-6-1) 四角品系的晶面间距为 d=[h+k2)/a+1/e2]- (4-6-2) 正交品系的品面间距为： d=[h2/a2+k/b2+12/c2]-月 (4-6-3) 六角晶系的晶面间距为： d=[4(h:+hk+k2)/3a2+:/2]量 (4-6-4) 式中，a,b,e为晶格常数(lattice parameter)。 10 (110 图46-3立方晶体中的晶面系 240
— ２４０ — 图４Ｇ６Ｇ２ 七个晶系的１４种晶胞 点阵中的格点可看成是分列在平行等距的平面系上,这样的平面称为晶面(crystal plane).同一个格子有无穷多个方向不同的晶面系,立方晶体中三个不同方向的晶面系 如图４Ｇ６Ｇ３所示.设任一晶面在基矢a１,a２,a３方向的截距为ra１,sa２,ta３,其系数的倒数 １/r,１/s,１/t简约成互质的整数h,k,l,使h∶k∶l＝ １ r ∶ １ s ∶ １ t ,并记为(hkl),这就是 该平行晶面系的晶面指数.根据晶面指数可求出晶面间距d,即晶面系中相邻两个平面 的间距.例如,立方晶系的晶面间距为: d＝a(h２＋k２＋l２)－ １ ２ (４Ｇ６Ｇ１) 四角晶系的晶面间距为: d＝[(h２＋k２)/a２＋l２/c２]－ １ ２ (４Ｇ６Ｇ２) 正交晶系的晶面间距为: d＝[h２/a２＋k２/b２＋l２/c２]－ １ ２ (４Ｇ６Ｇ３) 六角晶系的晶面间距为: d＝[４(h２＋hk＋k２)/３a２＋l２/c２]－ １ ２ (４Ｇ６Ｇ４) 式中,a,b,c为晶格常数(latticeparameter). 图４Ｇ６Ｇ３ 立方晶体中的晶面系
材料制备与检测技术实验第4章 2.晶体X射线衍射的基本原理 因品体微观结构的周期性，X射线照射品体时会发生衍射现象。当X射线被品体中 原子、原子团，分子等粒子散射时，散射波中与入射波波长相同的相干散射波发生干涉，导 致在某些特定方向上相干加强，从而产生由晶体出射相干加强的衍射X射线。如图464 所示，对于每一个晶面，散射波有最大干涉强度时入射角和散射角的大小相等，且入射线 散射线和平面法线三者在同一平面内，这是产生衍射线的必要条件。因此，晶体的X射 线衍射遵循布拉格方程(Bragg's equation),即 2dsin 0=n (4-6-6) 式中，n=0,1,2.为衍射级数，0为掠射角，d为晶体晶面间距，入为入射线波长。当入射 X射线与晶面之间的掠射角0满足式(4-6-6)时，在与入射线方向成20的方向上产生衍射 X射线，20称为衍射角。衍射线在空间的分布规律由晶胞大小和形状以及入射X射线的 波长决定，衍射线强度取决于原子在晶胞中的位置。晶体X射线衍射强度可简单地表 示为： I=I。KFI2 (4-6-7 式中，1。为入射单色X射线的强度：K为一个与衍射时的几何条件、样品形状，环境条件 等因素有关的综合因子：F称为结构因子，与品体结构以及单个品胞内所含原子的性质有 关。根据固体物理学理论可知，晶体的结构因子可表示为： F-∑fne2u.t.i) (4-6-8) 式中，j为虚数单位：f。为单个品胞内第m个原子的原子散射因子：xm,ym,n为第m个 原子的坐标：h,k,1为所观测衍射线对应品面的品面指数：求和∑表示对单个品胞内的 所有原子求和。 d 图46-4X射线在晶面上的衍射 二、X射线衍射图谱的测量方法 1.多晶X射线衍射仅的工作原理 X射线衍射图谱通常表示为衍射线的强度随衍射角变化的关系图，X射线衍射仪(X ,XPD或XRD)是一种通过测量X射线衍射图谐研究物质内部 微观结构的仪器，其基本结构组成包括X射线源系统、测角仪系统、X射线强度探测系统 行射图谱数据处理分析系统等部分。 (1)X射线源系统。 X射线源系统一般由X射线产生装置和控制装置组成，X射线产生装置提供测量所 需的X射线，X射线控制装置实现X射线参数控制、射线防护和过载保护。X射线管是X 射线衍射仪中常用的X射线产生装置。X射线管的工作原理如图4-65所示，由加热阴 -241
— ２４１ — ２．晶体 X射线衍射的基本原理 因晶体微观结构的周期性,X射线照射晶体时会发生衍射现象.当 X 射线被晶体中 原子、原子团、分子等粒子散射时,散射波中与入射波波长相同的相干散射波发生干涉,导 致在某些特定方向上相干加强,从而产生由晶体出射相干加强的衍射 X射线.如图４Ｇ６Ｇ４ 所示,对于每一个晶面,散射波有最大干涉强度时入射角和散射角的大小相等,且入射线、 散射线和平面法线三者在同一平面内,这是产生衍射线的必要条件.因此,晶体的 X 射 线衍射遵循布拉格方程(Braggsequation),即 ２dsinθ ＝nλ (４Ｇ６Ｇ６) 式中,n＝０,１,２为衍射级数,θ为掠射角,d 为晶体晶面间距,λ 为入射线波长.当入射 X射线与晶面之间的掠射角θ满足式(４Ｇ６Ｇ６)时,在与入射线方向成２θ的方向上产生衍射 X射线,２θ称为衍射角.衍射线在空间的分布规律由晶胞大小和形状以及入射 X 射线的 波长决定,衍射线强度取决于原子在晶胞中的位置.晶体 X 射线衍射强度I 可简单地表 示为: I＝I０K|F|２ (４Ｇ６Ｇ７) 式中,I０为入射单色 X射线的强度;K 为一个与衍射时的几何条件、样品形状、环境条件 等因素有关的综合因子;F 称为结构因子,与晶体结构以及单个晶胞内所含原子的性质有 关.根据固体物理学理论可知,晶体的结构因子可表示为: F ＝∑fmej２π(hxm＋kym＋lzm) (４Ｇ６Ｇ８) 式中,j为虚数单位;fm 为单个晶胞内第m 个原子的原子散射因子;xm ,ym ,zm 为第m 个 原子的坐标;h,k,l为所观测衍射线对应晶面的晶面指数;求和 ∑ 表示对单个晶胞内的 所有原子求和. 图４Ｇ６Ｇ４ X射线在晶面上的衍射 二、X射线衍射图谱的测量方法 １．多晶 X射线衍射仪的工作原理 X射线衍射图谱通常表示为衍射线的强度随衍射角变化的关系图,X 射线衍射仪(XＧ raypowderdiffractometer,XPD或 XRD)是一种通过测量 X射线衍射图谱研究物质内部 微观结构的仪器,其基本结构组成包括 X射线源系统、测角仪系统、X射线强度探测系统、 衍射图谱数据处理分析系统等部分. (１)X射线源系统. X射线源系统一般由 X射线产生装置和控制装置组成,X 射线产生装置提供测量所 需的 X射线,X射线控制装置实现 X射线参数控制、射线防护和过载保护.X射线管是 X 射线衍射仪中常用的 X射线产生装置.X 射线管的工作原理如图４Ｇ６Ｇ５所示,由加热阴
物理实验教程 一近代物理实稻 d 极钨丝产生的电子在极间高压作用下加速到达阳极（常称为靶），电子运动突然受阻，其部 分动能转变为辐射能并以X射线的形式放出。靶面发射的X射线能量与电子束总能量 的比率e可近似表示为： e=1.1×10ZV (4-6-9) 式中，Z为粑材组成元素的原子序数：V为X射线管阴阳极间的加速电压，V。 X射线真空 密封罩 接变压 阳 皱商X射线阴极金属聚焦罩 图4-6-5X射线管的工作原理 当加速电压足够大时，碰撞阳极靶的高能电子就能将靶材中原子的内层电子电离，使 不同靶材的不同外层电子跃迁回内层，从而辐射出X射线连续谱和不同频率的特征谱， 常用的靶材有Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,W等，在衍射仪中常用铜靶的Ka特征谱线(K表示 K系谱线，a表示跨越一个能级的辐射，Kα特征谱线就是K系骑越一个能级的辐射线，即 电子从L层跃迁到K层辐射出的特征谱线)作为单色X射线源，其波长为0.154187 nm。因为轰击粑面电子束的绝大部分能量转化为热能，在工作时X射线管的粑必须强制 冷却（常用水冷），以避免阳极靶被加热至熔化。因此，材的熔点、导热系数和靶面冷却 效率等因素使X射线管的最大功率受到了一定的限制。例如，极佳导热性的铜靶和高榜 点的钼靶产生X射线的功率常为相同结构的铁靶、钴靶、铬靶的两倍。 (2)测角仪系统。 测角仪系统是精确测量28衍射角的装置，其工作原理如图4-6-6所示。样品台位于 测角仪中心，样品台的中心轴O八与测角仪的中心轴O垂直。装在样品台上的被测样品 表面应与测角仪中心袖严格重合。X射线管焦点F和接收计数器光阑G位于同一圆周上， 计数 X射线 测角仪圆 图46-6测角仪系统的工作原理 242-
— ２４２ — 极钨丝产生的电子在极间高压作用下加速到达阳极(常称为靶),电子运动突然受阻,其部 分动能转变为辐射能并以 X 射线的形式放出.靶面发射的 X 射线能量与电子束总能量 的比率ε可近似表示为: ε＝１１×１０－９ZV (４Ｇ６Ｇ９) 式中,Z 为靶材组成元素的原子序数;V 为 X射线管阴阳极间的加速电压,V. 图４Ｇ６Ｇ５ X射线管的工作原理 当加速电压足够大时,碰撞阳极靶的高能电子就能将靶材中原子的内层电子电离,使 不同靶材的不同外层电子跃迁回内层,从而辐射出 X 射线连续谱和不同频率的特征谱. 常用的靶材有 Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Ag,W 等,在衍射仪中常用铜靶的 Kα特征谱线(K 表示 K 系谱线,α表示跨越一个能级的辐射,Kα特征谱线就是 K 系跨越一个能级的辐射线,即 电子从 L层跃迁到 K 层辐射出的特征谱线)作为单色 X 射线源,其波长为０１５４１８７４ nm.因为轰击靶面电子束的绝大部分能量转化为热能,在工作时 X射线管的靶必须强制 冷却(常用水冷),以避免阳极靶被加热至熔化.因此,靶材的熔点、导热系数和靶面冷却 效率等因素使 X射线管的最大功率受到了一定的限制.例如,极佳导热性的铜靶和高熔 点的钼靶产生 X射线的功率常为相同结构的铁靶、钴靶、铬靶的两倍. (２)测角仪系统. 测角仪系统是精确测量２θ衍射角的装置,其工作原理如图４Ｇ６Ｇ６所示.样品台位于 测角仪中心,样品台的中心轴ON 与测角仪的中心轴O 垂直.装在样品台上的被测样品 表面应与测角仪中心轴严格重合.X射线管焦点F 和接收计数器光阑 G位于同一圆周上, 图４Ｇ６Ｇ６ 测角仪系统的工作原理
0 材科制备与检测技术实验第4章 这个圆周称为测角仪圆，该圆所在的平面称为测角仪平面。X射线管和计数器分别固定 在两个同轴的圆盘上，由两个步进马达分别驱动，根据不同测量需求可采用单独驱动或联 合驱动” 入射线从X射线管焦点F发出，经入射光阑组S和H投射到样品表面而产生 衍射，衍射线经接收光阑组M,S:,G进入计数器。在常规衍射测量(0扫措)时，保持样 品不动，X射线管和计数器绕测角仪中心轴转动，不断地改变入射线与样品表面的夹角日 (掠射角)，计数器与样品表面的夹角也为日，接收各衍射角20所对应的衍射X射线。 (3)X射线强度探测系统。 X射线强度探测系统的核心器件是计数器，其主要功能是将X射线光子的能量转换 成电脉中信号。用于X射线衍射仪的辐射计数器通常有正比计数器、，闪烁计数器和位 正比探测器。闪烁计数器是各种品体X射线衍射工作中通用性最好的探测器，分为零 维、一维和二维计数器。零维闪烁计数器在任何一个时刻只能接收一个20角的衍射线强 度。一维阵列计数器在任何时刻可同时接收多个20角的衍射线强度，其探测强度是零维 闪烁计数器的200倍以上，可大幅度地提高测量速度。二维平面计数器在垂直方向上可 同时接收多个衍射线强度，并且在水平方向上可接收衍射圆环上一段的强度，这不仅提高 了衍射强度的探测效率，而且能观测衍射圆环上的强度分布和衍射圆环的形状。衍射圆 环上强度分布的不均匀性反映了所测样品材料的织构，而衍射圆环的变形则反映了所测 材料的应力状态。现代X射线衍射仪通常都配置一维阵列计数器或二维平面计数器。 (4)衍射图谱数据处理分析系统。 现代X射线衍射仪都配置计算机数据处理分析系统，安装有衍射图谱处理分析软 件，用于衍射图谱数据的自动化和智能化记录和分析。 2。多晶衍射样品的制备方法 多晶X射线衍射仪测量的样品主要是粉末，也可用于测量块体、片状、薄膜、纤维样 品，要求样品干净、无污染。 X射线衍射分析大多数需要测量粉末样品，但残余应力、织构 和薄膜的测量则必须是块体样品。 (1)粉末样品制备 X射线衍射的测量要求粉末样品的粒度均匀且颗粒大小为1~10m,样品用量需要 装满样品架的窗孔或凹槽。选取具有代表性的样品，通过研磨与分筛制成达到粒度和用 量要求的粉末，再将其固定在样品架的窗孔或凹槽中，这样就制备出衍射测量所要求的样 品。在样品架的窗孔或凹槽中固定粉未样品有很多种方法，如正压法、背压法、侧装法、撒 样法、喷雾干燥法、气溶胶法、沉降分离法等，最常用的方法是正压法和背压法 正压法制样步骤：取粉末样品撒入样品架的凹槽中，使松散样品粉末略高于样品架平 面：用毛玻璃片轻压样品表面，刮掉多余的粉末：反复平整样品表面，使样品表面压实且不 高出样品架平面。正压法制样简单，但所制粉末样品存在一定的择优取向，衍射强度与标 准PDF(powder diffraction file,PDF)卡片上的强度不匹配。因此，正压法制备的样品 般只适用于物相鉴定（定性物相分析），不适宜用于定量物相分析。 背压法制样步骤：将带窗孔的样品架正面（光滑平整面）朝下，扣在平板毛玻璃片上 粉末从样品架背面撒入窗孔中，用拇指轻轻压实粉末（戴一次性手套），再翻转样品架，取 走平板玻璃片即可。背压法制备的样品测量面(X射线照射面)紧密平滑光洁，与样品架 表面严格平齐，可获得准确的衍射峰位置：同时与PDF卡片上的强度有较好的匹配性，可 243
— ２４３ — 这个圆周称为测角仪圆,该圆所在的平面称为测角仪平面.X 射线管和计数器分别固定 在两个同轴的圆盘上,由两个步进马达分别驱动,根据不同测量需求可采用单独驱动或联 合驱动.入射线从 X射线管焦点F 发出,经入射光阑组 S１和 H 投射到样品表面而产生 衍射,衍射线经接收光阑组 M,S２,G 进入计数器.在常规衍射测量(θＧθ 扫描)时,保持样 品不动,X射线管和计数器绕测角仪中心轴转动,不断地改变入射线与样品表面的夹角θ (掠射角),计数器与样品表面的夹角也为θ,接收各衍射角２θ所对应的衍射 X射线. (３)X射线强度探测系统. X射线强度探测系统的核心器件是计数器,其主要功能是将 X 射线光子的能量转换 成电脉冲信号.用于 X射线衍射仪的辐射计数器通常有正比计数器、闪烁计数器和位敏 正比探测器.闪烁计数器是各种晶体 X 射线衍射工作中通用性最好的探测器,分为零 维、一维和二维计数器.零维闪烁计数器在任何一个时刻只能接收一个２θ 角的衍射线强 度.一维阵列计数器在任何时刻可同时接收多个２θ角的衍射线强度,其探测强度是零维 闪烁计数器的２００倍以上,可大幅度地提高测量速度.二维平面计数器在垂直方向上可 同时接收多个衍射线强度,并且在水平方向上可接收衍射圆环上一段的强度,这不仅提高 了衍射强度的探测效率,而且能观测衍射圆环上的强度分布和衍射圆环的形状.衍射圆 环上强度分布的不均匀性反映了所测样品材料的织构,而衍射圆环的变形则反映了所测 材料的应力状态.现代 X射线衍射仪通常都配置一维阵列计数器或二维平面计数器. (４)衍射图谱数据处理分析系统. 现代 X射线衍射仪都配置计算机数据处理分析系统,安装有衍射图谱处理分析软 件,用于衍射图谱数据的自动化和智能化记录和分析. ２．多晶衍射样品的制备方法 多晶 X 射线衍射仪测量的样品主要是粉末,也可用于测量块体、片状、薄膜、纤维样 品,要求样品干净、无污染.X射线衍射分析大多数需要测量粉末样品,但残余应力、织构 和薄膜的测量则必须是块体样品. (１)粉末样品制备. X射线衍射的测量要求粉末样品的粒度均匀且颗粒大小为１~１０μm,样品用量需要 装满样品架的窗孔或凹槽.选取具有代表性的样品,通过研磨与分筛制成达到粒度和用 量要求的粉末,再将其固定在样品架的窗孔或凹槽中,这样就制备出衍射测量所要求的样 品.在样品架的窗孔或凹槽中固定粉末样品有很多种方法,如正压法、背压法、侧装法、撒 样法、喷雾干燥法、气溶胶法、沉降分离法等,最常用的方法是正压法和背压法. 正压法制样步骤:取粉末样品撒入样品架的凹槽中,使松散样品粉末略高于样品架平 面;用毛玻璃片轻压样品表面,刮掉多余的粉末;反复平整样品表面,使样品表面压实且不 高出样品架平面.正压法制样简单,但所制粉末样品存在一定的择优取向,衍射强度与标 准 PDF(powderdiffractionfile,PDF)卡片上的强度不匹配.因此,正压法制备的样品一 般只适用于物相鉴定(定性物相分析),不适宜用于定量物相分析. 背压法制样步骤:将带窗孔的样品架正面(光滑平整面)朝下,扣在平板毛玻璃片上, 粉末从样品架背面撒入窗孔中,用拇指轻轻压实粉末(戴一次性手套),再翻转样品架,取 走平板玻璃片即可.背压法制备的样品测量面(X 射线照射面)紧密平滑光洁,与样品架 表面严格平齐,可获得准确的衍射峰位置;同时与 PDF卡片上的强度有较好的匹配性,可
物理实验教程 一近代物理实 用于定量物相分析 (2)块体样品制备。 选取块体样品时要注意样品应具有表征的代表性。样品的测量面一定要研磨成平 面，研磨时先用粗砂纸粗磨，再用不低于320号的砂纸细磨。样品大小应与样品架的窗孔 大小一致。块体样品固定时，样品架正面朝下，扣在玻璃板上，块体样品测量面朝下，放入 样品架的窗孔中，再用“真空胶泥”粘牢。注意：勿让胶泥露出测量面，以免引起不必要的 胶泥衍射峰干扰。 3.多晶X射线衍射实验测量参数的选择 (1)X射线波长的选择 根据被测样品的元素组成，选择合适的X射线波长即选择X射线管的阳极靶材，这 是X射线衍射实验成功的基础。所用X射线波长范围应与品体点阵的面间距大致相当， 多品体衍射一般选用波长为0.05一0.25nm的X射线。应避免使用能被样品强烈吸服 的波长，否则会使样品激发出强烈的荧光辐射，增高衍射图谱的背景。根据元素吸收性质 的规律，选祀的规则为：X射线管粑材的原子序数要比样品中最轻元素（钙及比钙元素更 轻的元素除外)的原子序数小或相等，最多不宜大于1。 (2)X射线管工作电压和电流的选择 X射线管产生的特征谱和连续谱的强度随管电压的增大而增大，且正比于管电流 当管电压过大时X射线连续谱不易被滤波片滤掉，会增加衍射图谱的背底，影响衍射图 谱分析。为了使峰背比（衍射峰强度与背景强度之比）最大，需要选择合适的管电压和电 流。通常选择X射线管的工作电压为激发电压（能产生X射线特征谱的最小电压）的5一 6倍。最大管电流的选择取决于X射线管的额定功率和粑材种类，管电压与电流的乘积 不得超过X射线管的额定功率，实际使用的功率应小于额定功率的80%。另外，当管电 流过大时灯丝会因混度高而弯曲，浩成衍射峰位移 (3)X射线单色化方法的选择。 X射线单色化和背底消除是检测微小峰的一项重要测量技术。X射线单色化的常用 方法有：选用合适的滤波片、合理选择单色器种类和调整安装方向，选用高分辨率探测器 和脉冲幅度分析器。选用合适的X射线波片可吸收掉小于样品衍射所需的特征谱波长 的X射线连续谱和特征谱，但不能滤除逃逸峰和比衍射特征谱波长大的X射线，样品产 生的荧光X射线还会被记录。 X射线单色器(X-ray monochrometer)是一种通过单晶体衍射作用获得单色X射线 的装置，其核心部件是一个表面弯曲的单晶体，只有满足单晶衍射条件的X射线才能通 过，合理选取单晶体和调整安装方向，可选择出样品衍射所需波长的X射线特征谱。因 此，X射线单鱼器能铭去除衍射所不需要的任何其他被长的父射线，如荧光灭射线、连绒 X射线、其他波长的X射线特征谱、逃逸峰、外部污染光源。如果高功率X射线辐射源和 单色器配合使用，通常可替代采用更换不同靶材的X射线管方法来选择X射线波长，满 足相关衍射分析的需要 X射线的单色化除从X射线源的方面来实现外，还可从接收X射线的方面来实现 高分辨率探测器和脉冲幅度分析器组合使用，可去除康普顿散射的影响，有效测定轻元素 非晶的径向分布函数等 244
— ２４４ — 用于定量物相分析. (２)块体样品制备. 选取块体样品时要注意样品应具有表征的代表性.样品的测量面一定要研磨成平 面,研磨时先用粗砂纸粗磨,再用不低于３２０号的砂纸细磨.样品大小应与样品架的窗孔 大小一致.块体样品固定时,样品架正面朝下,扣在玻璃板上,块体样品测量面朝下,放入 样品架的窗孔中,再用“真空胶泥”粘牢.注意:勿让胶泥露出测量面,以免引起不必要的 胶泥衍射峰干扰. ３．多晶 X射线衍射实验测量参数的选择 (１)X射线波长的选择. 根据被测样品的元素组成,选择合适的 X 射线波长即选择 X 射线管的阳极靶材,这 是 X射线衍射实验成功的基础.所用 X射线波长范围应与晶体点阵的面间距大致相当, 多晶体衍射一般选用波长为００５~０２５nm 的 X 射线.应避免使用能被样品强烈吸收 的波长,否则会使样品激发出强烈的荧光辐射,增高衍射图谱的背景.根据元素吸收性质 的规律,选靶的规则为:X 射线管靶材的原子序数要比样品中最轻元素(钙及比钙元素更 轻的元素除外)的原子序数小或相等,最多不宜大于１. (２)X射线管工作电压和电流的选择. X射线管产生的特征谱和连续谱的强度随管电压的增大而增大,且正比于管电流. 当管电压过大时 X射线连续谱不易被滤波片滤掉,会增加衍射图谱的背底,影响衍射图 谱分析.为了使峰背比(衍射峰强度与背景强度之比)最大,需要选择合适的管电压和电 流.通常选择 X射线管的工作电压为激发电压(能产生 X射线特征谱的最小电压)的５~ ６倍.最大管电流的选择取决于 X 射线管的额定功率和靶材种类,管电压与电流的乘积 不得超过 X射线管的额定功率,实际使用的功率应小于额定功率的８０％.另外,当管电 流过大时灯丝会因温度高而弯曲,造成衍射峰位移. (３)X射线单色化方法的选择. X射线单色化和背底消除是检测微小峰的一项重要测量技术.X 射线单色化的常用 方法有:选用合适的滤波片、合理选择单色器种类和调整安装方向、选用高分辨率探测器 和脉冲幅度分析器.选用合适的 X 射线波片可吸收掉小于样品衍射所需的特征谱波长 的 X射线连续谱和特征谱,但不能滤除逃逸峰和比衍射特征谱波长大的 X 射线,样品产 生的荧光 X射线还会被记录. X射线单色器(XＧraymonochrometer)是一种通过单晶体衍射作用获得单色 X 射线 的装置,其核心部件是一个表面弯曲的单晶体,只有满足单晶衍射条件的 X 射线才能通 过,合理选取单晶体和调整安装方向,可选择出样品衍射所需波长的 X 射线特征谱.因 此,X射线单色器能够去除衍射所不需要的任何其他波长的 X 射线,如荧光 X 射线、连续 X射线、其他波长的 X射线特征谱、逃逸峰、外部污染光源.如果高功率 X 射线辐射源和 单色器配合使用,通常可替代采用更换不同靶材的 X 射线管方法来选择 X 射线波长,满 足相关衍射分析的需要. X射线的单色化除从 X射线源的方面来实现外,还可从接收 X 射线的方面来实现. 高分辨率探测器和脉冲幅度分析器组合使用,可去除康普顿散射的影响,有效测定轻元素 非晶的径向分布函数等
材料制备与检测技术实验第4章 (4)狭缝参数的选择。 在X射线衍射仪光路中狭缝有梭拉狭缝、发散狭缝、防散射狭缝和接收狭缝。狭缝 的大小影响X射线衍射强度和分辨，狭缝越大，衍射强度越大，但分辨率越低：狭缝小 时可提高分辨率，但损失衍射强度。一般情况下，需要提高衍射强度时应选用大一些的狭 缝，需要高分辨时应选用小一些的狭缝。梭拉狭缝是固定的，用于限制X射线垂直发散 度，这一发散度的大小对行射强度和分辨率都有很大影响。发散侠缝用于限制样品表面 X射线水平发散度，加大狭缝时分辨率降低，但强度增加。防散射狭缝与发散狭缝在相同 安装角度下配对使用，用于减小非相干散射及本底等因素造成的背景影响，提高峰背比。 接收狭锋位于衍射线的焦点处，用于限定进入探测器的X射线衍射线，接收狭缝的大小 对衍射仪的分辨率，衍射峰强度以及峰背比都有重要影响。测量时如果主要为了提高分 辨率，则应选择较小的接收狭缝：为了提高衍射强度，则应加大接收侠缝。 (⑤)时间常数与扫描速度的选择。 时间常数的选择对衍射实验测量的影响较大，时间常数增大会导致衍射峰高下降，峰 形不对称（向扫描方向拉宽）以及峰顶向扫描方向移动，影响衍射图谱的测量结果。为了 提高测量的精度，一般希望选择小的时间常数，但时间常数过小会造成衍射峰毛刺。扫描 速度的影响与时间常数的影响相似，扫描速度较快时，衍射强度下降，衍射峰向扫措方向 偏移，分辨率下降，一些弱峰会被掩盖而丢失。为了提高测量精度，应选择较小的扫描 速度。 三、X射线衍射的物相分析 根据品体X射线衍射的基本原理可知，X射线衍射的特征图谱（衍射峰的位置、强度 和数量)是由物质特有的元素组成、品型、分子成键方式、分子的构型及构象等决定，每 种物质都有各自独特的化学组成和晶体结构，任何两种物质的晶品胞大小、质点种类及其在 晶胞中的排列方式不会完全一致。因此，根据X射线衍射特征图谱和数据，可实现物质 的物相和晶体结构分析。 与物质成分分析不同，物相分析不仅要确定组成物质的各个元素，而且要确定这些元 素的存在状态（即物相），一般分为定性物相分析(qualitative phase analysis)即物相鉴定 (phase identification)和定量物相分析(quantitative phase analysis)。定性物相分析是定 量物相分析的基础，主要是明确被分析物质由哪些元素和哪些相构成：定量物相分析则是 进一步明确这此相的相对含量和相关参数值。定性物相分析的普褊方法是通村被测样品 的衍射图谱(d-1数据组)与已知物质的标准衍射图谱(d-1数据组)对比，从而确定出被测 样品中存在的物相和相关参数。物相鉴定的对比分析应满足两个一致条件：①被测样品 衍射图谱中须有被鉴定物相的各衍射峰出现，并且d值与标准值在实验误差范围内一致： ②被测样品衍射峰的相对强度顺序应与标准物相的强度顺序原则上一致，但当因被测样 品的选取和制备方法使晶粒具有择优取向时，行射肇相对强度的顺序会有所变化。标准 衍射图谱可从衍射数据国际中心(International Center for Diffraction Data,ICDD)的 PDF卡片数据库中检索，ICDD出版发行的2O21版PDF卡片数据库收录的有机物和无 机物的物相已超过105万条。定量物相分析的常用方法有外标法、内标法、K值法、参考 强度比法、绝热法、吸收衍射法等。内标法是定量物相分析的一种最普遍方法，具有适用 245
— ２４５ — (４)狭缝参数的选择. 在 X射线衍射仪光路中狭缝有梭拉狭缝、发散狭缝、防散射狭缝和接收狭缝.狭缝 的大小影响 X射线衍射强度和分辨率,狭缝越大,衍射强度越大,但分辨率越低;狭缝小 时可提高分辨率,但损失衍射强度.一般情况下,需要提高衍射强度时应选用大一些的狭 缝,需要高分辨时应选用小一些的狭缝.梭拉狭缝是固定的,用于限制 X 射线垂直发散 度,这一发散度的大小对衍射强度和分辨率都有很大影响.发散狭缝用于限制样品表面 X射线水平发散度,加大狭缝时分辨率降低,但强度增加.防散射狭缝与发散狭缝在相同 安装角度下配对使用,用于减小非相干散射及本底等因素造成的背景影响,提高峰背比. 接收狭缝位于衍射线的焦点处,用于限定进入探测器的 X 射线衍射线,接收狭缝的大小 对衍射仪的分辨率、衍射峰强度以及峰背比都有重要影响.测量时如果主要为了提高分 辨率,则应选择较小的接收狭缝;为了提高衍射强度,则应加大接收狭缝. (５)时间常数与扫描速度的选择. 时间常数的选择对衍射实验测量的影响较大,时间常数增大会导致衍射峰高下降,峰 形不对称(向扫描方向拉宽)以及峰顶向扫描方向移动,影响衍射图谱的测量结果.为了 提高测量的精度,一般希望选择小的时间常数,但时间常数过小会造成衍射峰毛刺.扫描 速度的影响与时间常数的影响相似,扫描速度较快时,衍射强度下降,衍射峰向扫描方向 偏移,分辨率下降,一些弱峰会被掩盖而丢失.为了提高测量精度,应选择较小的扫描 速度. 三、X射线衍射的物相分析 根据晶体 X射线衍射的基本原理可知,X 射线衍射的特征图谱(衍射峰的位置、强度 和数量)是由物质特有的元素组成、晶型、分子成键方式、分子的构型及构象等决定,每一 种物质都有各自独特的化学组成和晶体结构,任何两种物质的晶胞大小、质点种类及其在 晶胞中的排列方式不会完全一致.因此,根据 X 射线衍射特征图谱和数据,可实现物质 的物相和晶体结构分析. 与物质成分分析不同,物相分析不仅要确定组成物质的各个元素,而且要确定这些元 素的存在状态(即物相),一般分为定性物相分析(qualitativephaseanalysis)即物相鉴定 (phaseidentification)和定量物相分析(quantitativephaseanalysis).定性物相分析是定 量物相分析的基础,主要是明确被分析物质由哪些元素和哪些相构成;定量物相分析则是 进一步明确这些相的相对含量和相关参数值.定性物相分析的普遍方法是通过被测样品 的衍射图谱(dＧI 数据组)与已知物质的标准衍射图谱(dＧI 数据组)对比,从而确定出被测 样品中存在的物相和相关参数.物相鉴定的对比分析应满足两个一致条件:① 被测样品 衍射图谱中须有被鉴定物相的各衍射峰出现,并且d 值与标准值在实验误差范围内一致; ② 被测样品衍射峰的相对强度顺序应与标准物相的强度顺序原则上一致,但当因被测样 品的选取和制备方法使晶粒具有择优取向时,衍射峰相对强度的顺序会有所变化.标准 衍射图谱可 从 衍 射 数 据 国 际 中 心 (InternationalCenterforDiffractionData,ICDD)的 PDF卡片数据库中检索,ICDD 出版发行的２０２１版 PDF卡片数据库收录的有机物和无 机物的物相已超过１０５万条.定量物相分析的常用方法有外标法、内标法、K 值法、参考 强度比法、绝热法、吸收衍射法等.内标法是定量物相分析的一种最普遍方法,具有适用
物理实验教程 近代物理实 于多相体系、标准曲线通用等优点，但标准曲线的制作工作量大，只适用于粉末样品。参 考强度比法是一种快速定量物相分析的方法，可直接与标准PDF卡片的数据对比分析， 但带有参考强度比数据的标准PDF卡片数量有限。 根据多品X射线衍射图谱和数据，可分析被测物质样品的许多信息，如物相和结构、 粒度、应力、结晶度等，其分析方法各不相同。从X射线衍射图谱的整体特征可大致分析 出物质的晶体组织结构。如果被测样品是纯粹晶体物质，无论是单晶体、多晶体还是混合 晶体，衍射图谱会由一个或多个精细谱峰构成，峰形很窄，很尖锐，很对称，背景基线几乎 水平。如果样品是无定利的非品体物质，则衍射图兽不会出现衍射蜂（即结细谱峰），只会 有一个或几个相干散射的很宽的大包谱峰，背景基线波动、不水平。如果样品是品体和非 品体的混合物质，则衍射图谱应由精细谱峰和大包谱峰组合构成。X射线衍射图谱中衍 射峰的位置主要用于物相的鉴定、晶胞参数的精修、残余应力的测量，衍射峰的强度可用 于物相的含量、结晶度以及织构的计算，衍射峰的形状可用于计算晶粒大小、微观应变、位 错层错等。X射线衍射的精确分析需要较强的专门知识和技术，分析具体被测物质样品 时应学习和参考相关的X射线衍射分析专业书籍和资料。 【实验器材】 实验器材主要有X射线衍射仪，计算机、衍射图谱处理分析软件、研钵等。X射线衍 射仪实验测量基本参数的选取参考表4-6-1中所给数据，测量不同物质样品时应根据样品 的特性合理优化相关测量参数。 表4-6-1X射线衍射仪实验测量基本参数的选取 起始角度29 终止角度29扫描步宽 管电压 管电流 时间常数 0° 80° 0.03°/ 30 kV 20 mA 0.5 【实验内容】 一、基础性实验内容 分别制备单质硅(Si)、二元化合物二氧化硅(SiO2)和三元化合物碳酸钠(Na,CO,)的 粉末样品，测量各样品的X射线衍射图谱，根据PDF卡片数据库的标准图谱，标定各个谱 线，进行定性物相分析，并确定各样品物质的存在状态（单晶、多晶、非晶）、晶格类型、晶格 常数、晶面间距和品面指数。 二、设计性实验内容 1验内 在结合现有实验条件的基础上，通过查阅文献自主设计实验方案，尝试完成下列实验 内容 (1)测量实验室提供的未知样品的X射线衍射图谱，根据PDF卡片数据库的标准图 谱进行物相鉴定。 (2)合理选取和制备样品，研究X射线衍射仪实验测量中时间常数和扫描速度的选 取对定性和定量物相分析的影响，优化出时间常数和扫描速度的最佳值。 (3)洗取生水泥制备粉末样品，采用X射线衍射方法进行物相鉴定和结构分析 (4)选取黏土矿物制备薄膜样品，采用X射线衍射方法进行定量物相分析。 246-
— ２４６ — 于多相体系、标准曲线通用等优点,但标准曲线的制作工作量大,只适用于粉末样品.参 考强度比法是一种快速定量物相分析的方法,可直接与标准 PDF卡片的数据对比分析, 但带有参考强度比数据的标准 PDF卡片数量有限. 根据多晶 X射线衍射图谱和数据,可分析被测物质样品的许多信息,如物相和结构、 粒度、应力、结晶度等,其分析方法各不相同.从 X 射线衍射图谱的整体特征可大致分析 出物质的晶体组织结构.如果被测样品是纯粹晶体物质,无论是单晶体、多晶体还是混合 晶体,衍射图谱会由一个或多个精细谱峰构成,峰形很窄,很尖锐,很对称,背景基线几乎 水平.如果样品是无定型的非晶体物质,则衍射图谱不会出现衍射峰(即精细谱峰),只会 有一个或几个相干散射的很宽的大包谱峰,背景基线波动、不水平.如果样品是晶体和非 晶体的混合物质,则衍射图谱应由精细谱峰和大包谱峰组合构成.X 射线衍射图谱中衍 射峰的位置主要用于物相的鉴定、晶胞参数的精修、残余应力的测量,衍射峰的强度可用 于物相的含量、结晶度以及织构的计算,衍射峰的形状可用于计算晶粒大小、微观应变、位 错层错等.X射线衍射的精确分析需要较强的专门知识和技术,分析具体被测物质样品 时应学习和参考相关的 X射线衍射分析专业书籍和资料. 【实验器材】 实验器材主要有 X射线衍射仪、计算机、衍射图谱处理分析软件、研钵等.X 射线衍 射仪实验测量基本参数的选取参考表４Ｇ６Ｇ１中所给数据,测量不同物质样品时应根据样品 的特性合理优化相关测量参数. 表４Ｇ６Ｇ１ X射线衍射仪实验测量基本参数的选取 起始角度２θ 终止角度２θ 扫描步宽 管电压 管电流 时间常数 ０° ８０° ００３°/s ３０kV ２０mA ０５s 【实验内容】 一、基础性实验内容 分别制备单质硅(Si)、二元化合物二氧化硅(SiO２)和三元化合物碳酸钠(Na２CO３)的 粉末样品,测量各样品的 X射线衍射图谱,根据 PDF卡片数据库的标准图谱,标定各个谱 线,进行定性物相分析,并确定各样品物质的存在状态(单晶、多晶、非晶)、晶格类型、晶格 常数、晶面间距和晶面指数. 二、设计性实验内容 １．实验内容 在结合现有实验条件的基础上,通过查阅文献自主设计实验方案,尝试完成下列实验 内容: (１)测量实验室提供的未知样品的 X射线衍射图谱,根据 PDF卡片数据库的标准图 谱进行物相鉴定. (２)合理选取和制备样品,研究 X 射线衍射仪实验测量中时间常数和扫描速度的选 取对定性和定量物相分析的影响,优化出时间常数和扫描速度的最佳值. (３)选取生水泥制备粉末样品,采用 X射线衍射方法进行物相鉴定和结构分析. (４)选取黏土矿物制备薄膜样品,采用 X射线衍射方法进行定量物相分析
0 材科制各与检测技术实验第4章 2,实验要求 阐述实验基本原理和方法，说明测量系统组成和基本实验步骤，进行实际实验测量， 选择合理方法处理实验数据，分析与讨论实验结果。 【注意事项】 (1)X射线衍射仪是一种大型分析测试仪器，开机、测量、关机等操作达须严格按照 操作规程完成。 (2)在X射线源的红色警灯亮时，严禁打开防护罩，以免X射线外泄。 (3)X射线衍射仪工作过程中严禁触碰除操作面板之外的仪器其他部位，以免因高 压泄漏而发生触电危险。 (4)在实验测量过程中应经常检查循环水，保证正常工作，以免保护装置失灵而烧坏 X射线管。 (5)X射线衍射议属干Ⅲ类射线装置，般不会使受到照射的人员产牛放射损伤，在 满足安全与防护要求条件下可放心做实验，应消除不必要的射线恐慌心理 【思考与讨论】 (1)简课多品X射线衍射方法分析物质化学组成和品体结构的物理原理 (2)结合具体的实验内容，详细闸述根据X射线衍射图谱进行物相鉴定和品体结构 分析的方法和步骤。 (3)在用测量的SiO,衍射图谱做定性物相分析时，若发现实际测量数据与PDF卡片 中标准数据有整体误差，则会有哪些因素造成这些误差？如何消除或藏小这些误差？ (4)试阐述用X射线衍射仪进行定量物相分析的方法和步骤。 (5)试阐述X射线衍射分析与拉曼光谱分析的异同。 【参考文献】 [1]何新.近代物理实验指导[M们.北京：治金工业出版社，2021 「2门黄继武，X射线衍射理论与实践「M门.北京：化学工业出版社，2020. [3]俞瀚.材料测试分析综合实验教程[M门.北京：化学工业出版社，2020 [4]陈云琳.近代物理实验[M门.2版.北京：北京交通大学出版社，2019. 「5]云月厚，杨军，近代物理实脸「M门.呼和浩特：内蒙古大学出版社，2018 [6]韩炜.近代物理实验[M门.北京：高等教育出版社，2017 [7]羊亿，彭跃华.近代物理实验教程[M门.上海：上海交通大学出版社，2017. [8]吴思诚，荷坤，近代物理实验[M们.4版.北京：高等教有出版社，2015. 「9黄志高，近代物理实验「M.北京：科学出版社，2012， [10] ROENTGEN W C.On a New Kind of Rays [J].Science,1896,53(7): 274-276. -247
— ２４７ — ２．实验要求 阐述实验基本原理和方法,说明测量系统组成和基本实验步骤,进行实际实验测量, 选择合理方法处理实验数据,分析与讨论实验结果. 【注意事项】 (１)X射线衍射仪是一种大型分析测试仪器,开机、测量、关机等操作必须严格按照 操作规程完成. (２)在 X射线源的红色警灯亮时,严禁打开防护罩,以免 X射线外泄. (３)X射线衍射仪工作过程中严禁触碰除操作面板之外的仪器其他部位,以免因高 压泄漏而发生触电危险. (４)在实验测量过程中应经常检查循环水,保证正常工作,以免保护装置失灵而烧坏 X射线管. (５)X射线衍射仪属于Ⅲ类射线装置,一般不会使受到照射的人员产生放射损伤,在 满足安全与防护要求条件下可放心做实验,应消除不必要的射线恐慌心理. 【思考与讨论】 (１)简述多晶 X射线衍射方法分析物质化学组成和晶体结构的物理原理. (２)结合具体的实验内容,详细阐述根据 X 射线衍射图谱进行物相鉴定和晶体结构 分析的方法和步骤. (３)在用测量的SiO２衍射图谱做定性物相分析时,若发现实际测量数据与 PDF卡片 中标准数据有整体误差,则会有哪些因素造成这些误差? 如何消除或减小这些误差? (４)试阐述用 X射线衍射仪进行定量物相分析的方法和步骤. (５)试阐述 X射线衍射分析与拉曼光谱分析的异同. 【参考文献】 [１] 何新．近代物理实验指导[M]．北京:冶金工业出版社,２０２１． [２] 黄继武．X射线衍射理论与实践[M]．北京:化学工业出版社,２０２０． [３] 俞瀚．材料测试分析综合实验教程[M]．北京:化学工业出版社,２０２０． [４] 陈云琳．近代物理实验[M]．２版．北京:北京交通大学出版社,２０１９． [５] 云月厚,杨军．近代物理实验[M]．呼和浩特:内蒙古大学出版社,２０１８． [６] 韩炜．近代物理实验[M]．北京:高等教育出版社,２０１７． [７] 羊亿,彭跃华．近代物理实验教程[M]．上海:上海交通大学出版社,２０１７． [８] 吴思诚,苟坤．近代物理实验[M]．４版．北京:高等教育出版社,２０１５． [９] 黄志高．近代物理实验[M]．北京:科学出版社,２０１２． [１０] ROENTGEN W C．Ona New KindofRays[J]．Science,１８９６,５３(７): ２７４Ｇ２７６．