x射线衍射分析与应用

x射线衍射分析与应用（精选7篇）

x射线衍射分析与应用 篇1

摘要：

X射线衍射分析是一种重要的晶体结构和物相分析技术，广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。本文简要介绍X射线衍射原理，X射线衍射仪器的结构、原理，及其在地质学、医学等自然科学领域中的应用。

前言：

1895年伦琴发现X射线，又称伦琴射线。德国科学家劳厄于1912年发现 0 了X射线衍射现象，并推导出劳厄晶体衍射公式。随后，英国布拉格父子又将此衍射关系用简单的布拉格方程表示出来。到上世纪四、五十年代，X射线衍射的原理、方法及在其他各方面的应用逐渐建立。在各种测量方法中，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。X射线衍射技术可以探究晶体存在的普遍性和特殊性能，使得其在冶金、石油、岩石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域的被广泛应用。

关键词：方法，衍射，原理，应用

X射线衍射仪的原理

1.X射线衍射原理

当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉。当每两个相邻波源在某一方向的光程差等于波长λ的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。光程差为0的衍射叫零级衍射，光程差为λ的衍射叫一级衍射，光程差为nλ的衍射叫n级衍射。n不同，衍射方向的也不同。

由于常用的X射线波长约在2.5A～0.5A之间，与晶体中的原子间距(1A)数量级相同，因此可以用晶体作为X射线的衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。

在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果，决定了X射线在晶体中衍射的方向，所以通过对衍射方向的测定，可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。

晶体结构=点阵+结构基元，点阵又包括直线点阵，平面点阵和空间点阵。在x射线作用下晶体的散射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射线互相干涉外，各原子面的散射线之间还要互相干涉。光栅衍射

当光程差(BD+BF)=2dsinθ等于波长的整数倍nλ时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件为：

2dsinθ=nλ

一、X射线衍射法

1.多晶粉末法

a.物相分析

X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较晶体衍射花样来进行分析的。

对于晶体物质中来说，各种物质都有自己特定的结构参数（点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或分子的数目、位置等），结构参数不同则X射线衍射花样也就各不相同，所以通过比较X射线衍射花样可区分出不同的物质。

2单晶衍射法

若将一束单色X射线射到一粒静止的单晶体上，入射线与晶粒内的各晶面族都有一定的交角，只有很少数的晶面能符合布拉格公式而发生衍射。目前常用的收集单晶体衍射数据的方法，一为回摆法，二为四圆衍射仪法。

X射线衍射法的应用

由于，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点，所以X射线衍射技术在冶金、石油、岩石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域被广泛应用。本文主要介绍其在药物鉴定和岩石矿物学中的重要作用。

1.X射线衍射分析方法在中药鉴定中的应用

X射线衍射分析方法具有简便易行、直观、图谱信息量大、指纹性强、稳定可靠、所需样品量少、结果可靠的特点，用于中药鉴定是一种比较理想而有效的方法，它不仅可用于植物类、动物类、矿物类中药的鉴定，还可用于菌类中药和中药复方的鉴定，为中药的鉴定提供了准确、简便、可靠的鉴定方法，并为临床安全用药提供了保证[23]。

[24] 吕扬，郑启泰，吴楠等探究了x射线衍射Fourier图谱分析方法在茜草类、贝母类、山药类植物类中药中的应用，揭示了中药材道地性的客观规律，并建立了相应评价指标系统。

张丽等将马鹿茸的对照X射线衍射图谱与花鹿茸对照X射线衍射图谱进行拓扑分析比较,得出两种来源的鹿茸具有共同的组分性质，二者可作为同一种中药材[26]使用的结论。王媚等对磁石XRD的图谱特征峰数据进行分析，发现不同产地不同批次的磁石矿物组成及其含量有一定的差异，同时得出磁石药材中主要物相为Fe2O3,SiO2。翁立明[27]等通过对全国10个不同省份的全蝎样品进行分析研究，获取相应的X射线衍射图谱，得出X射线衍射指纹图谱可以用于动物中药材全蝎样品的分析鉴定和质量控制。

总之，,应用X射线衍射Fourier指纹图谱可以实现某些植物或动物中药材的鉴[25] 2 定，而且在分析鉴别同种中药材的不同来源方面有着广阔的发展前景。综上所述，X射线衍射分析技术已广泛应用于我国药学研究的各个领域，并发挥着不可替代的作用.相信通过药学与晶体学科研究人员的共同努力，利用X射线衍射技术，不断建立新的分析方法，并扩展其应用范围，将使X射线衍射技术在我国和世界的不同交义学科领域中发挥更为重要的作用，为我国的创新中、西药学的研究与开发提供有效的质量控制方法。

2.X射线衍射分析法在岩石矿物学中的应用

地壳由矿物、岩石组成，对其成分、结构和性质等的分析是矿物学、岩石学的重要研究内容。X射线衍射技术特别是粉晶X射线衍射技术自发明以来就被应用于矿物、岩石研究，广泛应用于矿物的定性、定量分析。在石油地质和钻采工程等领域，对粘土矿物的研究成果应用较广。尽管方法还存在不足，但基本能满足目前的地质应用要求。因为在地质研究中主要关心粘土矿物的种类和相对含量的高低，对粘土矿物的准确含量并不特别要求。

总之，X射线衍射方法进行物相定量分析方法很多，但是有些方法需要有纯的物质作为标样，而有时候纯的物质难以得到，从而使得定量分析难以进行，从这个

[29]意义上说，无标样定量相分析法具有较大的使用价值和推广价值。

X射线是研究粘土矿物尤其是研究泥岩和碳酸岩盐中粘土矿物的重要手段。冯泽[30]

31[28]则列举了实例，说明了X衍射技术在石油勘探开发中的重要应用。范光、葛祥坤[]，利用微区X射线仪对新疆某地区铍矿床的矿石进行铍选矿试验，探究了铍的存在形式,确定该区域的主要矿物为羟硅铍石。

廖立兵等，介绍了粉晶X射线衍射在岩石矿物学研究中的应用。庞小丽等综述了粉晶X射线衍射法在造岩矿物、拈土矿物、岩组学、类质同象和结晶度的测定等领域发挥的重要作用。综述他们的观点，粉晶X射线衍射不仅在矿物的定性/定量分析、晶胞参数测定、类质同像研究、多型研究、有序/无序结构研究、岩组学研究等传统领域继续发挥着重要作用，在矿物结晶过程和相转变研究、矿物表面物相研究、矿物缺陷研究和矿物晶体结构测定等新领域也展现出广阔的应用前景。

-6由于原子吸收系统分析特点是灵敏度高（10级）、准确度和精确度高、分析速度块、分析范围广，可测定70多种元素，该方法在地球化学找矿分析中常用在Cu，[34]Pb,Zn,Ni,等元素的测定。

李国武[35][32]

[33]等通过实验探究西藏罗布莎铬铁矿中硅铁合金矿物发现样品的x射线衍射中以FeSi为主的单颗粒中含有FeSi2的衍射峰，而在另一些FeSi2单颗粒样品中含有自然硅的衍射峰。说明可能存在FeSi-FeSi2-Si的晶出顺序推测其环境中的还原程度依次增高。因此认为罗布莎铬铁矿重砂中的硅铁合金矿物可能是地球旱期演化分异作用的结果。

此外，X射线衍射分析粘土矿物在油气田开发中的应用

[36]

也十分广泛。许多油 3 气田存在于沉积岩中，沉积岩中的粘土矿物与非粘土矿物的种类、性质与油气田的勘探、开采有大的关系。X射线衍射仪主要用来分析这些矿物，总结出矿物的种类和性质，为勘探和开发提供依据。

六、总结

我认为X射线衍射分析方法是一种有用的工具，在许多科研项目中有重要且有效的作用。它具有许多优点，比如不损伤样品、快捷、能得到有关晶体完整性的大量信息等，该方法虽然不是在任何领域都比别的分析方法优，但在鉴定物质及测定物质结中应用十分广泛。作为物质结构分析不可替代的分析手段，X射线衍射仪在航空、钢铁、化工、建材、石油、煤炭、地矿几乎所有产业以及超导、生命科学等新兴研究领域均有着广泛的应用，常被称作分析仪器中的多面手。

参考文献

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x射线衍射分析与应用 篇2

一、粘土矿物X射线衍射相定量分析方法的相关概述

1. 粘土矿物X衍射相定量分析的应用原理

采用X射线衍射进行粘土矿物的定性分析是将粘土矿物样品通过X射线得到衍射特征，观测其中的强度、衍射图峰型以及d值等，并与标准的粘土矿物类型的衍射特征进行比较，如果和某种标准矿物粘土的衍射特征相符，那么就可对粘土矿物样品的种属进行定性。

粘土矿物定量分析是在定性分析基础上，通过各类矿物的衍射特征来计算其相对百分含量，即根据X射线衍射的强度、衍射图峰型以及d值对粘土矿物进行定量分析。虽然粘土矿物中所含有的物质成分众多，常见的主要有蒙皂石（S）、伊利石（It）、伊利石与蒙皂石的间层矿物（I/S）、高岭石（Kao）、绿泥石（C）以及绿泥石与蒙皂石的层间矿物（C/S）等。但不同物质成分的衍射图谱不会受到物质间的干扰，基于X射线衍射法的粘土矿物定量分析也正是以此为基础所进行的实验分析。

2. 粘土矿物X衍射相定量分析的基本操作

通常情况下粘土矿物采用X射线进行物相定量分析主要有以下几个步骤：

(1)将粘土矿物样品进行自然风干，进行风干样品分析（N片分析）。(2)通过乙二醇饱和处理样品进行EG片分析。(3)对样品加热550℃，并经恒温2小时处理，进行T片分析。(4)以热稀盐酸进行样品处理，并实施H片分析。

以上每个分析步骤，都需要根据现行相关标准进行制备处理。其中步骤(1)、(2)、(3)的N片分析、EG片分析以及T片分析，是X射线衍射实验的必要3项分析。EG片分析的木器是对粘土矿物进行膨胀性与非膨胀性的区分，以此分析不同在不同膨胀度情况下的膨胀矿物。T片分析通过加热与恒温2小时处理，目的是分析矿物经脱水处理后的d值变化。H片分析通过热稀盐酸制备样品，是对高岭土、绿泥石等样品进行区分。

综上，各分析步骤是基于样品特性以及衍射特征来制定的，熟悉掌握各操作步骤，是对粘土矿石开展X射线衍射定量分析的基础。通过上述分析步骤，能够有效得到衍射峰高度、强度以及d值等相关数据，最后根据现行标准SY T5163-1995的计算公式，计算出各类粘土矿物的物质相对百分含量。

二、粘土矿物X射线衍射相定量分析实验的操作方法

本次试验选取21件样品，各样品均制备至少5个试样，共制备132个样品试样进行实验，具体操作如下。

1. 粘土样品提取

以悬浮法对小于2μm的粘土样品进行提取，提取后静置8h左右，为有效去掉碳酸盐以及有机质等影响实验结果，可适量加入稀HCL、双氧水等。

2. 自然风干片（N)

首先对样品进行12h左右的风干处理，样品涂层务必保障均匀，如果太厚会导致加热处理后干裂无效，如果太薄则会造成衍射强度不足，难以测量，将厚度控制在0.1mm左右，并多备几组。

3. 乙二醇饱和（EG)

为保证充分饱和，在恒温箱（40℃-50℃左右）中保温至少7个小时，保证乙二醇的充分饱和。如果饱和不充分，会导致衍射峰不稳定，影响测量结果。

4.550℃加热（T)

样品通过马弗炉加热至550℃，加热完成后，恒温两个小时，这个过程需要注意的是，加热处理需要慢慢升温，防止样品因升温过急，而造成开裂无法进行实验。

5. 实验测量

需要注意的是以上操作是同一个样品通过依次经过上述操作步骤进行实验，而不是一个阶段操作采用1个样品的形式。因此每个环节的实验都应当保证为同一放置方位，可做标记。在测量时，需要每个样品的测量方法和基线选取是相同的，对于半高宽需要选对称的衍射峰，对不对称的衍射峰其窄边都应当乘以2，并注意重叠衍射峰的分离。

三、粘土矿物X射线衍射相定量分析实验的结果分析

本次实验共选取21件样品，各样品均制备至少5个试样，共制备132个样品试样，取得102组有效数据，每个样品得到3-6组有效数据，以平均值作为测定结果，部分结果见下表1。从表中数据可以看出，这些测试有效数据大部分满足现行标准的误差范围之内。

注：“*”表示测定的误差结果超过SY/T5163-1995的规定范围，“/”表示没有检出。

为验证本次实验结果的准确性，将上述三个样品送到同样标准的研究院实验室进行测试，具体结果见下表2。

通过以上量表对比可以看出，本次实验的实验结果与研究院实验室的结果基本一致，其中S的实验结果未测出，主要是因为S含量过低，仪器的灵敏度难以有效检测到的因素所致。而表1中It含量偏高的原因，主要是因1.0nm峰重叠，两个实验的分离标准差异所致。总体来看，实验结果较为理想，但仍存在以下几点问题。

1. 衍射强度失真问题

在X射线衍射实验过程中，一些样品因衍射强度失真问题，导致无法取得有效的实验数据。造成这一问题的主要因素包括择优取向以及消光效应等，如果样品粉末足够细的话，那么消光效应的影响可以忽略，但择优取向会因晶体习性等因素难以完全消除，如具有呈层状结构形态的晶体就可能受到择优取向的影响，导致强度失真。

2. 灵敏度方面的问题

在X射线衍射法中，如果粘土样品中某一物质成分的含量低，那么其衍射强度也会随之减弱，如果实验仪器的灵敏度不足，那么将难以测得相应的结果，如本次研究中各样本中的S蒙皂石物相定量分析，没有测出结果。此外某吸收系数较低的混合物基体中混有较多的吸收系数较高的物质时，那么吸收系数较高的物质其衍射峰会较难察觉。如存在较多高岭土（具有较高吸收系数），那么X射线衍射特征来看，衍射峰较难察觉，而其中同时含有少量的吸收系数较低的石英，石英的衍射峰则要明显的多。除以上因素会影响实验灵敏度外，样品晶体本身的质量也会造成一定影响，因此总体来看，X射线衍射实验灵敏度受到较多因素影响，灵敏度总体较差。

3. 样品结晶程度方面的问题

在实验中可以看出，结晶程度较差的样品其衍射线较宽、且较为模糊，没有高角度谱线，这也成为了制约实验效果的重要问题之一。

4. 测量精度方面的问题

实验精度与实验条件、测量技术、重叠峰分峰等因素有关，本次采用X射线衍射进行物相定量分析的实验结果与研究院相比，精度较为良好，但It含量偏高，存在一定误差，主要就是因分峰标准差异所导致，但精度误差基本能控制在10%左右，总体较为理想。

结束语

综上所述，虽然X射线衍射法应用在粘土矿物相定量的分析实验并不能得到完全准确的定量，但因其操作简单、重复性好，同时目前已形成一套较为完善的行业标准，且物相定量分析主要的重点是明确粘土矿物种类以相对含量范围，并没有较高的准确含量测量精度要求，因此从总体来看，仍具有显著的应用价值，值得在粘土矿物中各物质种类以及变化趋势的研究中推广应用。

参考文献

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x射线衍射分析与应用 篇3

关键词：X射线衍射 物相分析 应力 结晶度

中图分类号：TB302 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）12（a）-0020-01

自从伦琴发现了X射线，随后X射线被用于表征晶体的结构和物质的物相。当X射线通过某种物质时，会产生不同的衍射花样，该衍射花样可用于表征物质的晶体结构。随着现代科学技术的发展，X射线衍射技术的不断进步，在材料探测方面取得了重要进展，X射线衍射技术可以对晶体、非晶体、人工器件和生物有机体等材料的结构进行分析和表征，该技术为材料科学的发展提供了一种重要的结构表征手段。

1 X射线衍射基本原理

X射线是一种波长较短的电磁波，波长在10-10～10-12 m之间，X射线一般由X射线光管产生，在一根封闭的真空管中，在管子的阴极和阳极施加一个高电压，从阴极发射出的电子流在高压作用下被加速，高速电子流轰击阳极金属靶产生X射线。当一束单色的X射线照射到晶体上时，由于晶体物质是由规则排列的原子构成，规则排列的原子间的距离与X射线波长相当，经不同原子散射的X射线相互干涉，X射线在某些特殊方向上被加强，衍射线方位和强度的空间分布与晶体结构密切相关，不同晶体结构的物质具有各自独特的衍射花样，这就是X射线衍射的基本原理[1]。

1913年，英国物理学家布拉格父子提出了可以反映衍射空间方位和晶体内部结构关系的布拉格方程：

（1）

式中d为晶体的晶面间距，n为任意正整数，θ为掠射角，λ为X射线波长。

2 X射线衍射技术在材料分析中的应用

2.1 物相分析

任何一种晶体都有自己特定的点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子的位置和数目等结构参数，这些特定的结构与X射线的衍射角θ和衍射强度I存在某种对应关系。因此，当X射线在晶体中发生衍射时，不同的晶体对应不同的衍射花样，不存在衍射花样完全相同的两种物质。对于自然界中存在的结晶物质，在一定的规范的测试条件下，对所有物质进行X射线衍射测试，得到所有物质的标准X射线衍射花样（即I-2θ曲线），各种已知晶体的X射线衍射花样的收集、校订、编辑和出版工作是由“粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）”负责，每一种晶体的X射线衍射花样被制成一张卡片，称为粉末衍射卡（简称PDF卡），X射线物相分析就是利用PDF卡片进行物相检索和分析的。要对某种未知样品进行物相分析时，首先利用X射线衍射仪测试出该样品的X射线衍射花样，然后将实验测试X射线衍射花样与数据库中标准的X射线衍射花样进行对比，如果该样品是一种单相物质，通过对比可以直接确定该样品的物相；如果该样品是由多种晶体构成，则可以在所测重叠的衍射花样中将各种晶体的衍射花样逐一剥离出来，从而确定出该样品的物相构成。

2.2 应力的测定

薄膜的性能与其化学成分、微结构、表形貌及残余应力等多种因素密切相关。研究表明，残余应力对薄膜的电磁学和力学性能及其使用寿命都有重要影响。准确测量薄膜的残余应力是薄膜应用的基础，在科学和技术方面具有重要的意义。薄膜残余应力的测试方法主要包括中子衍射法、拉曼光谱法、压痕法、曲率法和X射线衍射法等。与其他方法相比，X射线衍射技术因其具有非破坏性、可测局部应力、可测表面应力、可区分应力类型、测量时无需使材料处于无应力状态等优点而成为一种比较理想的残余应力测试手段。于国建等[2]采用X射线衍射技术测试了金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延生长的GaN薄膜的应力情况，结果表明，GaN薄膜中存在压应力。

2.3 材料粒径的表征

纳米材料的性能与其粒径的尺寸密切相关。由于纳米材料颗粒尺寸较小，极易发生团聚，若采用粒度分析仪测试纳米材料的颗粒尺寸，得到的结果与其实际的颗粒尺寸差距较大。利用X射线衍射花样，根据谢乐公式可以测定纳米材料的平均颗粒尺寸。杨景景等[3]利用谢乐公式计算出溶胶-凝胶法制备Co掺杂ZnO薄膜的平均晶粒尺寸，并研究Co掺杂量对ZnO薄膜晶粒尺寸的影响。

2.4 结晶度的测定

结晶度是影响材料性能的重要参数。在一些情况下，物质结晶相和非晶相的衍射图谱往往会重叠。结晶度的测定主要是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积的比，在测定时必须把晶相、非晶相及背景不相干散射分离开来。范雄等[4]利用X射线衍射仪测试了不同退火时间处理的聚丙烯的X射线衍射花样，并采用函数分峰法计算出样品中非晶峰和结晶峰比例关系，计算出不同退火处理条件下聚丙烯的结晶度，找出聚丙烯结晶度随退火时间的变化规律。

3 结语

X射线衍射技术已经渗透到物理、化学和材料科学等诸多领域，成为一种重要测试和分析方法。该文主要介绍了X射线衍射的基本原理以及X射线衍射技术在材料物相分析、应力测量、晶粒尺寸分析和结晶度计算等方面的应用。

参考文献

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第一章X射线衍射分析 篇4

1．讨论同一物质的吸收谱和发射谱概念中二者之间的关系：

2．名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应。3．X射线的本质是什么？ 4．连续X射线的特点？

5．相干散射和非相干散射的特点？

6．特征X射线谱与连续谱的发射机制之主要区别何在？

7．试述由布拉格方程与反射定律导出衍射矢量方程的思路。

8．当波长为λ的X射线照射到晶体并出现衍射线时，相邻两个（hkl）反射线的波程差是多少？相邻两个（HKL）反射线的波程差又上多少？ 9，判别下列哪些晶面属于[111]晶带：（110），（231），（231），（211），（101），（133），（112），（132），（011），（212）

10．概念：晶面指数与晶向指数、晶带、干涉面、X射线散射、衍射与反射。11．试述布拉格公式2dHKLsinθ=λ中各参数的含义，以及该公式有哪些应用？

12．当X射线在原子上发射时，相邻原子散射线在某个方向上的波程差若不为波长的整数倍，则此方向上必然不存在反射，为什么？

x射线衍射分析与应用 篇5

实验学时：2

一、实验目的

1.了解X射线衍射仪的构造及基本原理

2.了解衍射仪法测得粉末衍射花样的基本特征，并掌握定性分析方法 3.测试并鉴别一个粉末样品

二、实验内容

本实验涉及了三个知识点： 1．X射线衍射仪的构造及基本原理 2．X射线衍射物相定性分析的原理 3．多相粉末样品的鉴别 三．实验原理、方法和手段

（一）X射线衍射仪的基本构造

本实验使用的X射线衍射仪。仪器主要分为如下几部分：X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器、电脑。主要部件如图1所示，简述如下：

1.X射线管

图1 X射线管示意图

X射线管是由玻璃外罩将发射X射线的阴极与阳极密封在高真空(10-5~10-7mmHg)之中的管状装置。

（1）阴极：由绕成螺线形的钨丝组成，用高压电缆接负高压，并加到灯丝电流，灯丝电流发射热电子。管壳做成U形，目的是加长阴极与阳极间放电的距离。

（2）阳极：又称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方，靶材为特定的金属材料（例如铜靶，钼靶等）。靶安装在靶基上（多为铜质），靶基底部通冷却水管，在工作过程中不断喷水冷却，并与衍射仪的管座相接并一起接地。

操作时由高压电缆接预高压，并加以灯丝电流，管壳应经常保持干燥清洁。2．测角仪

测角仪安装在衍射仪前部，用于安置试样，各类附件及各种计数器，其相对位置如图2所示：

（二）测角仪的工作原理

入射线从X射线管焦点S出发,经过入射光阑系统DS投射到试样P表面产生衍射,衍射线经过接收光阑系统RS进入计数器C。注意：试样台H、计数器C可以分别独立地沿测角仪轴心转动，工作时试样与计数管以1：2的角速度同时扫描（θ-2θ连动）。试样与计数管的转角度数可在测角仪圆盘上的刻度读出。

（三）X射线物相分析原理

任一种结晶物质都具有特定的晶体结构。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样一一对应，多相试样的衍射花样只是有它所含物质的衍射花样机械叠加而成。

为便于对比和存储，将d和I的数据组代表衍射花样。将由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组进行对比从而鉴定出试样中存在的物相。

四、实验组织运行要求

分批组织实验，要求学生在实验前预习实验指导书，了解实验内容，实验过程中能独立完成实验指导书中的要求。

五、实验条件

所用仪器设备：日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪。实验材料：混合粉末样品

六、实验步骤 1．制备试样

将待测混合粉末样品用样品盛放片盛放，将样品轻轻压紧刮平、固定，就可插到衍射仪的样品台上进行扫描测试.2．辐射的选择

不管是哪种方法,其辐射的选择原则相同.根据化学成分的原则,阳极靶面材料的原子序数Z最好比被测物质的原子序数Z小1-2或相等,即

Z靶

衍射仪选用采用计数率的闪烁计数器SC-70，可以实现70万CPS的计数线性。

4．测量参数的选择

测量参数的选择应该说比较繁复，它包括光阑、时间常数、扫描速度、倍率等，受很多因数制约，只能靠实验的积累。

5.衍射实验

对待测样品进行衍射实验，电脑显示衍射花样。6.XRD实验分析（1）计算机检索

实验室配备了PDF卡片库，采用该系统可检索全JCPDS-PDF卡片。只要将待测样品的实验衍射数据（d-I）及其误差(d±△d)考虑输入，也可以输入样品的元素信息以及物相隶属的子数据库类型（有机、无机、金属、矿物等），计算机按照给定的程序将之与标准的花样进行匹配、检索、淘汰、选择，最后输出结果。

（2）分析各个峰的归属（3）计算聚合物材料的结晶度

七、实验报告 要求如下：

1．简述X射线衍射仪技术的原理及各主要部分的作用 2．掌握物相定性分析的基本原理 3．分析混合粉末样品衍射实验结果

八、安全防护

X射线衍射（范文） 篇6

（大庆师范学院 物理与电气信息工程系 10级物理学一班 周瑞勇 201001071465）

摘 要：X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，可据此计算分子中各种原子间的距离和空间排列，是分析大分子空间结构有用的方法。

关键词：核外电子 散射 衍射 空间排列

一

前言

1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。

X射线及其衍射X射线是一种波长很短(约为20～0.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。如通常使用的靶材对应的X射线的波长大约

为1.5406埃。考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。

二 发展

X射线是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。

自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。

劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，当时老布拉格（WH．Bragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WL．Bragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。

1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。

三 原理与应用

1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。

当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格方程的条件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。

X射线衍射在金属学中的应用 X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明α、β和δ铁都是立方结构，β-Fe并不是一种新相;而铁中的α─→γ

转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。随后,在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究，对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。目前 X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。在金属中的主要应用有以下方面。

四 物相分析与取向分析

物相分析 是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

取向分析 包括测定单晶取向和多晶的结构（见择优取向）。测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。

晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。

宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测量点阵平面在不同方向上的间距的变化，可计算出残留应力的大小和方向。

对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。

合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。

结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。

液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。

特殊状态下的分析 在高温、低温和瞬时的动态分析。

此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小,X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。

五 最新进展

X射线分析的新发展 金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属 X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。

参考文献：

[1] 梁栋材，X射线晶体学基础，科学出版社，2006年，北京

x射线衍射分析与应用 篇7

X射线衍射(XRD)技术是鉴定物相的重要方法。物质的粉晶XRD谱图如同人的指纹一样,由其本身晶体结构特征及原子散射因子所决定。根据粉晶XRD的图样与粉晶衍射卡片(PDF)对比,核对衍射线的位置及衍射强度是否一致,可以进行物相鉴定。现有的PDF卡片有很多是通过理论计算获得的,并按照数据的可靠性进行了区分。PDF卡片也可通过实验的方法得到,标准粉晶样品应有很高的纯度并应尽可能地消除样品的择优取向。近年来,PDF卡片库随着新物相的不断增多处于不断的修订和更新中。由于PDF卡片的更新往往滞后,以实验的方法制作卡片对于样品提纯和择优取向的消除都是很困难的,再者对于同一物相也出现了多个有差异的检索卡片,使得粉晶衍射在物相鉴定中所能发挥的作用受到制约。

PDF卡片库中没有实验方法制作的正交相BaSi2卡片,只有3张计算得出的卡片,且相互间差异较大。因此,有必要探讨获得粉晶X射线衍射谱的理论计算方法,用于鉴定卡片的可靠性。

1 原理

实际多晶样品向整个hkl衍射环上每秒所衍射的总能量为[5]:

I累积undefined

式中:N是单位体积内的晶胞数目,I0是入射X射线束的强度,θ是半衍射角,Fhkl是结构因子,p是多重性因子,λ是入射X射线的波长,V是受X射线照射的试样体积,T是温度因子校正项,A是吸收因子校正项。

粉末照相法中,衍射线束在垂直于入射X射线束方向的照片上形成一个圆环。如图1所示,衍射的总能量均匀地分布在此环上,实验测定只是环的一小段。设此段长为L,则此段上每秒累积强度为I:

式中:R为德拜照相机或衍射仪测角台的半径,在同一衍射图谱中,e、m、c都是固定的物理常数,L、R、N、I0、λ和V在同一个衍射图谱中均相等。在衍射仪法测试条件下,吸收因子与θ无关,在计算相对强度时可以忽略。

令:

undefined

式中:K是常数,与所用的晶体及具体实验条件有关,则式(2)可以改写成:

undefined

式中:T为温度因子,比较复杂,做近似计算时可以不考虑温度因子的影响。对于同一试样、同一衍射条件,同一物相各衍射线条的相对强度可以简化写成:

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2 计算方法

2.1 分数坐标

从晶胞中独立原子的分数坐标出发,根据晶体所属空间群的对称性计算出晶胞中全部原子的分数坐标。查无机晶体结构数据库(ICSD),Collection Code为15126对应的正交相BaSi2的晶格常数a=0.892(6)nm,b=0.675(6)nm,c=1.157(6)nm,Pearson符号为oP24,其分数坐标见表1。

正交相BaSi2的空间群符号为Pnma(62)。晶胞中一共含有24个原子,其中8个Ba原子,16个Si原子。表2为根据对称性计算得到的晶胞中全部原子在三维空间的分数坐标。

2.2 X射线的原子散射因子f

原子散射因子与原子的类型及带电量有关,此外还与X射线的入射角θ以及波长λ有关。原子散射因子的分析表达式为:

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式中:ai、bi和c为系数,查表得到Ba和Si原子的系数如表3所示。

X射线的入射线为CuKα1,波长λ=0.15406nm。将系数代入式(6)可以分别计算出Ba和Si在不同入射角θ时对应的原子散射因子。

2.3 结构因子Fhkl

结构因子的计算式为:

undefined

式中:(hkl)为晶面指数,xj、yj及zj为第j个原子的分数坐标,fj为第j个原子的散射因子。结构因子是一个虚数,理论上可以证明衍射的强度Ihkl正比于undefined。

2.4 多重性因子p

在粉末衍射谱图中出现一条衍射线强度往往是由若干个衍射面衍射强度叠加而成。这些衍射面有相同的d值,由2dsinθ=λ可知,它们有相同的半衍射角θ。因此,在2θ-I衍射谱图上看到的是这若干个衍射面衍射强度叠加之后的衍射谱。正交晶系的晶面间距与晶面指数的关系为:

undefined

例如,晶面(211)、undefined、undefined、undefined、undefined、undefined、undefined和undefined的晶面间距d相同,有相同的θ,多重性因子为8。同理,正交相粉末衍射图样中晶面(hk0)、(h0l)、(0kl)的多重性因子为4,(h00)、(0k0)、(00l)的多重性因子为2。

2.5 角因子

角因子的计算式为undefined,由晶胞参数a、b、c利用式(8)可以计算出晶面(hkl)对应的晶面间距衍射的dhkl值,根据Bragg方程计算相应的半衍射角θ,进而计算出衍射角2θ,最终计算出角因子。

2dhklsinθ=λ (9)

2.6 晶面指数(hkl)

晶面指数(hkl)的选择是有限制条件的。设正交相BaSi2的晶格基矢为a、b、c,倒易基矢为a*、b*、c*。由定义可知,倒易矢量a*、b*、c*的方向分别与a、b、c相同。在倒易三维空间中以原点为圆心,以2/λ为半径作一个极限球(其中λ为入射X射线的波长),可以证明凡是在极限球内的倒易点阵节点都可能发生衍射。所以晶面指数(hkl)的限制条件为:

undefined

3 结果与讨论

3.1 计算结果

将正交相BaSi2粉晶X射线衍射谱前8个强峰的峰强值计算结果(最强的衍射峰强度折算成100)与71-2327卡片(X射线的入射线为CuKα1,波长λ=0.15406nm)作比较,如表4所示,其中If和Iv为71-2327卡片给出的值。

将表4中卡片值If与计算值I绘制成衍射图,如图2所示。

3.2 讨论

从整体上来看,计算的结果与卡片71-2327的值基本一致。个别谱线第5强峰的计算值与卡片值相差较大,其原因可能是:T为温度因子,温度升高单胞膨胀,面间距d值增大,sinθ会减小,会使衍射线位置2θ发生变化。温度升高还会使衍射线强度减弱,背景强度增加。由于简化计算忽略了温度因子,对结果有些影响,但总的看来式(5)还是一个比较理想的计算X射线衍射谱的公式,可以计算出整个范围不同衍射角处对应衍射峰的衍射强度。

PDF库中正交相BaSi2有另一张卡片31-0163(入射线为CuKα,波长λ=0.154188nm),而计算值是以CuKα1计算的,不便于比较;还有另一张卡片65-1327(入射线为CuKα1,波长λ=0.154188nm),计算值与之差异较大。

一种物相有多张不同的PDF卡片与之对应,这是由于所用的计算方法不同或者制备的标准粉晶样品的取向差异和纯度差异,也或者是测量工具不同而得到了不同的结果。卡片数据都是“半定量”的,因此多张卡片共存。一般新的卡片能替代较早的卡片,带“*”的可靠性高。在实际进行样品物相鉴定时,应当选择与实测物相较为吻合的PDF卡片,特别是选择衍射强度匹配尽可能一致的卡片。

4 结论

ICSD是PDF卡片库的子数据库之一,PDF卡片库中很多数据都是通过ICSD计算而得。可以采用以上方法将计算结果与PDF卡片作比较,将ICSD收集号与PDF卡片编号建立一一对应关系,如ICSD中Collection Code为15126与PDF卡片编号为71-2327对应。

计算粉晶X射线衍射谱时式(5)是比较精确的简化公式。利用本研究给出的计算方法同样可以计算其它材料的粉晶X射线衍射谱。采用该方法计算出的新材料的粉晶X射线衍射谱可以弥补PDF卡片的不足,也可用于校验实验方法得到的PDF卡片的可靠性。

参考文献

[1]McKee R A,Walker F J,et al.BaSi2and thin fil malkaline earth silicides on silicon[J].Appl Phys Lett,1993,63(20):2818

[2]Madelung O.Semiconductors-basic data[M].2nd Edition.Berlin:Springer,1996

[3]Suemasu T,Sasase M,et al.Semiconductor(BaSi2)/metal(CoSi2)schottky-barrier structures epitaxially grown on Si(111)substrates by molecular beam epitaxy[J].J Cryst Growth,2008,310(6):1250

[4]Hashimoto K,Kurosaki K,et al.Thermoelectric properties of BaSi2,SrSi2,and LaSi[J].J Appl Phys,2007,102(6):063703

[5]Wilson AJ C.El ments of X-ray crystallography[M].Addi-son Wesley,1970:132