X射线衍射实验样品制备要求

第一篇：X射线衍射实验样品制备要求

X射线衍射实验样品制备要求

1.金属样品如块状、板状、圆拄状要求磨成一个平面，面积不小于10X10毫米，如果面积太小可以用几块粘贴一起。

对于片状、圆拄状样品会存在严重的择优取向，衍射强度异常。因此要求测试时合理选择响应的方向平面。

对于测量金属样品的微观应力（晶格畸变），测量残余奥氏体，要求样品不能简单粗磨，要求制备成金相样品，并进行普通抛光或电解抛光，消除表面应变层。

2.粉末样品要求磨成320目的粒度，约40微米。粒度粗大衍射强度底，峰形不好，分辨率低。要了解样品的物理化学性质，如是否易燃，易潮解，易腐蚀、有毒、易挥发。

粉末样品要求在3克左右，如果太少也需5毫克。样品可以是金属、非金属、有机、无机材料粉末。

X射线光电子能谱

1.样品的大小

块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 mm。对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成合适大小的样品。但在制备过程中，必须考虑处理过程可能对表面成分和状态的影响。2.粉体样品

对于粉体样品有两种常用的制样方法。一种是用双面胶带直接把粉体固定在样品台上，另一种是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真空的时间较短，缺点是可能会引进胶带的成分。后者的优点是可以在真空中对样品进行处理，如加热，表面反应等，其信号强度也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长。在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。3.含有有挥发性物质的样品

对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。4.带有微弱磁性的样品

由于光电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的光电子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析器，因此，得不到正确的XPS谱。此外，当样品的磁性很强时，还有可能使分析器头及样品架磁化的危险，因此，绝对禁止带有磁性的样品进入分析室。一般对于具有弱磁性的样品，可以通过退磁的方法去掉样品的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样分析。

拉曼光谱

获得拉曼光谱可以采用下述任一物质态：结晶态、无定形、液体、气体或等离子体。液体能够在玻璃管或石英管中直接测定。为了获得较大的拉曼散射强度，通常使照射在样品上的入射光与所检测 的拉曼散射光之间的夹角为 0°、90°和 180°。样品池的放置可有多种方式。

除另有规定外，一般用作鉴别的样品不必制样，用作晶型、异构体限度检查或含量测定时，供试品的制备和具体 测定方法可按各品种项下的有关规定操作。

表面增强拉曼光谱和显微拉曼光谱的测定需要某些特殊的制样技术。为防止样品分解常采用的一种办法是旋转技 术，利用特殊的装置使激光光束的焦点和样品的表面做相对运动，从而避免了样品的局部过热现象。样品旋转技术除 能防止样品分解外，还能提高分析的灵敏度。

红外吸收光谱（紫外吸收光谱、分子发光分析）

固体试样制备：压片法，糊装法，溶液法，薄膜法 液体试样制备：液体池法，液膜法。液体试样制备：气体吸收池

（这三个我看网上说样品制备的方法是一样的，单独的紫外和分子发光的样品制备在网上没找到，我在找一找）

电学分析法

样品不需要制备.只需要注意一下几点

1.样品表面保持清洁，否则电极不易焊，并且接触不好。

2.方形样品，5 mm<边长<30 mm，厚度小于4 mm。（不同样品架支持不同尺寸）3.压持和取出样品时要小心，不要损坏探头。4.磁铁要轻拿轻放，避免磕碰。

热分析法

1.样品的质量：一般来说，塑料样品的TGA和DSC测试因密度不同样品量在3-12mg即可，但有时DSC测试一些玻璃化转变不明显的样品时，样品量可加大到12-20mg。

2.样品的形状 2.1粉末样品

粉状样品的取样和制样相对简单，用小勺子取样然后平铺在坩埚内即可，需要注意的是加样到坩埚的时候不能洒落到外壁。

2.2颗粒样品

一般粒料在长度方向和径向分别剪裁制样得到的测试结果差别不大，但玻纤增强等类似的颗粒在进行TGA分析的时候建议沿取向的垂直方向剪裁（尤其是需要得到残余质量的时候）。

2.3片状样品

片状样品可用刀片或水口钳直接裁取合适的尺寸。

2.4薄膜样品

薄膜样品一般较为轻柔，撤去压缩力后样品会舒展，对DSC测试，可以将样品用剪刀剪成略小于坩埚底部尺寸的小片，然后用几片叠加，对于TG测试也可用小片叠加的办法，另外，还可以在垫了铝箔的一定温度热台上使样品受热蜷缩成团。

2.5制件样品

对于制件样品，特别是大型制件样品，近浇口位置、远浇口位置与中间位置的样品情况会有差别，因此一定要明确取样的位置，在作横向比较的时候建议都取相同位置的样品。

2.6不规则形状样品

对于一些形状不规则的样品，有些操作者喜欢先热压成片，因为这样操作样品与坩埚底部的接触要紧密很多。对于这样的操作我们不能简单地以对或错来加以判断，主要取决于测试目的。热压肯定会对样品产生新的热历史，将样品的成型加工信息掩盖，最明显的例子是淬火PET，热压后它的冷结晶峰会减小甚至消失。

第二篇：实验 ： X射线衍射分析

X射线衍射分析

一:实验目的

(1)概括了解X射线衍射仪的结构及使用。

(2)练习用PDF(ASTN)卡片以及索引，对多相物质进行相分析。二：X射线衍射仪简介

近年来，自动化衍射仪的使用已日趋普遍。传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、记录仪等几部分组成。自动化衍射仪是近年才面世的新产品，它采用微计算机进行程序的自动控制。入射x射线经狭缝照射到多晶试样上，衍射线的单色化可借助于滤波片或单色器。如图1所示，D／max—rc所附带的石墨弯晶单色器的反射效率在28.5％以上。衍射线被探测器(目前使用正比计数器)所接受，电脉冲经放大后进入脉冲高度分析器。操作者在必要时可利用该设备自动画出脉冲高度分布曲线，以便正确选择基线电压与上限电压。信号脉冲可送至数率仪，并在记录仪上画出衍射图。脉冲亦可送人计数器(以往称为定标器)，经微处理机进行寻峰、计算峰积分强度或宽度、扣除背底等处理，并在屏幕上显示或通过打印机将所需的图形或数字输出。D／max—rc衍射仪目前已具有采集衍射资料、处理图形数据、查找管理文件以及自动进行物相定性分析等功能。

图1 D／max—rc工作原理方框图

物相定性分析是X射线衍射分析中最常用的一项测试。D／max—rc衍射仪可自动完成这一过程。首先，仪器按所给定的条件进行衍射数据的自动采集，接着进行寻峰处理并自动启动检索程序。此后系统将进行自动检索匹配，并将检索结果打印输出。

衍射仪法的优点较多：如速度快、强度相对精确、信息量大、精度高、分析简便、试样制备简便等。衍射仪对衍射线强度的测量是利用电子计数管（electronic counter）直接测定的。

这里关键要解决的技术问题是：1.X射线接收装置--计数管；2.衍射强度必须适当加大，为此可以使用板状试样；3.相同的（hkl）镜面也是全方向散射的，所以要聚焦；4.计数管的移动要满足布拉格条件。这些问题的解决关键是由几个机构来实现的：1.X射线测角仪——解决聚焦和测量角度的问题；2.辐射探测仪——解决记录和分析衍射线能量问题。

X射线衍射仪的光学原理图如下：

测角仪是衍射仪的核心部件。(1)样品台S：位于测角仪中心，可以绕O轴旋转，O轴与台面垂直，平板状试样C放置于样品台上，要与O轴重合，误差小于0.1mm；(2)X射线源：X射线源是由X射线管的靶上的线状焦点F发出的，F也垂直于纸面，位于以O为中心的圆周上，与O轴平行；(3)光路布置：发散的X射线由F发出，投射到试样上，衍射线中可以收敛的部分在光阑处形成焦点，然后进入技术管。(4)测角仪台面：狭缝、光阑和计数管固定在测角仪台面上，台面可以绕O轴转动，角位置可以从刻度盘上读出。(5)测量动作：样品台和测角仪台可以分别绕O轴转动，也可以机械连动，机械连动时样品台转过θ角时计数管转动2θ角，这样设计的目的是使X射线在板状试样表面的入射角经常等于反射角，常称这一动作为θ-2θ连动。

X光管产生的特征X射线经准直狭缝以θ角入射到样品表面，其衍射光线由放在与入射x射线成2θ角的探测器测量（强度I）。θ-2θ角可由测角仪连续改变（扫描），测出相应I-θ曲线，从而获得物质结构信息。三：操作规程

由指导老师讲解

四：实验结果

五：实验内容及报告要求

(1)由指导教师在现场介绍X射线衍射仪的构造，进行操作表演，并描画一两个衍射峰。

(2)以2~3人为一组，按事先描绘好的多相物质的衍射图进行物相定性分析。(3)记录所分析的衍射图的测试条件，将实验数据及结果以表格形式列出。

六：思考题

(1)利用X射线进行物相分析是，对试样有什么要求？(2)简要说明X射线衍射一的主要功能。

第三篇：实验九 晶体X射线衍射

实验九 晶体X射线衍射

前言：

1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄,以表彰他发现了晶体的X射线衍射。劳厄发现 X射线衍射是20世纪物理学中的一件有深远意义的大事，因为这一发现不仅说明了X射线的认识迈出了关键的一步, 而且还第一次对晶体的空间点阵假说作出了实验验证,使晶体物理学发生了质的飞跃。证明原子的真实性。从此以后, X射线学在理论和实验方法上飞速发展, 形成了一门内容极其丰，应用极其广泛的综合学科。X射线衍射技术是利用X射线在晶体.非晶体中衍射与散射效应，进行物相的定性和定量分析.结构类型和不完整性分析的技术，目前已经广泛使用。

由于X射线的波长位于0.001-10 nm之间，与物质的结构单元尺寸数量级相当，因此X射线技术成为物质结构分析的主要分析手段，广泛应用于物理学、化学、医学、药学、材料学、地质学和矿物学等学科领域。

实验目的：

1.理解晶体的基本概念和XRD的基本原理。2.了解并掌握X-射线衍射仪的结构和使用方法。3.熟悉定性相分析方法。

4.培养学生获得一定的独立工作能力和科学研究能力。

实验仪器：

DX-2500 型衍射仪由丹东方圆仪器有限公司制造，采用多CPU系统完成X射线发生器.测角仪控制及数据采集，精确地测定物质的晶体结构.点阵常数.物质定性和定量分析，安装相应附件能完成物质的织构.应力测定。1.X射线管

X射线管主要分密闭式和可拆卸式两种。广泛使用的是密闭式, 由阴极灯丝、阳极、聚焦罩等组成, 功率大部分在 1～2千瓦。可拆卸式X射线管又称旋转阳极靶,其功率比密闭式大许多倍, 一般为 12～60千瓦。常用的X射线靶材有 W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X射线管线焦点为 1×10平方毫米, 取出角为3～6度。

选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。2.测角仪

测角仪是粉末X射线衍射仪的核心部件，主要由索拉光阑、发散狭缝、接收狭缝、防散射狭缝、样品座及闪烁探测器等组成。

1）衍射仪一般利用线焦点作为X射线源S。如果采用焦斑尺寸为1×10平方毫米的常规X射线管，出射角6°时，实际有效焦宽为0.1毫米，成为0.1×10平方毫米的线状X射线源。

2）从S发射的X射线，其水平方向的发散角被第一个狭缝限制之后，照射试样。这个狭缝称为发散狭缝(DS)，生产厂供给1/6o、1/2o、1o、2o、4°的发散狭缝和测角仪调整用0．05毫米宽的狭缝。

3）从试样上衍射的X射线束，在F处聚焦，放在这个位置的第二个狭缝，称为接收狭缝(RS)．生产厂供给0.15毫米、0.3毫米、0.6毫米宽的接收狭缝。

4）第三个狭缝是防止空气散射等非试样散射X射线进入计数管，称为防散射狭缝(SS)。SS和DS配对，生产厂供给与发散狭缝的发射角相同的防散射狭缝。

5）S1、S2称为索拉狭缝，是由一组等间距相互平行的薄金属片组成，它限制入射X射线和衍射线的垂直方向发散。索拉狭缝装在叫做索拉狭缝盒的框架里。这个框架兼作其他狭缝插座用，即插入DS，RS和SS．

3.X射线探测记录装置

衍射仪中常用的探测器是闪烁计数器(SC)，它是利用X射线能在某些固体物质(磷光体)中产生的波长在可见光范围内的荧光，这种荧光再转换为能够测量的电流。由于输出的电流和计数器吸收的x光子能量成正比，因此可以用来测量衍射线的强度。

闪烁计数管的发光体一般是用微量铊活化的碘化钠(NaI)单晶体。这种晶体经X射线激发后发出蓝紫色的光。将这种微弱的光用光电倍增管来放大．发光体的蓝紫色光激发光电倍增管的光电面(光阴极)而发出光电子(一次电子)。光电倍增管电极由10个左右的联极构成，由于一次电子在联极表面上激发二次电子，经联极放大后电子数目按几何级数剧增(约106倍)，最后输出像正比计数管那样高(几个毫伏)的脉冲。4.计算机控制、处理装置

衍射仪主要操作都由计算机控制自动完成，扫描操作完成后，衍射原始数据自动存入计算机硬盘中供数据分析处理。数据分析处理包括平滑点的选择.背底扣除.自动寻峰.d值计算，衍射峰强度计算等。

实验内容：

1.测量室温下单晶硅样品、多晶ZnO粉末样品和多晶ZnO薄膜样品的XRD谱

首先熟悉样品架.样品台.X射线管.测量仪器和软件。把样品置于样品台上放好，开启仪器进行测量。多晶粉末试样必需满足这样两个条件：晶粒要细小，试样无择优取向(取向排列混乱)。所以，通常将试样研细后使用。可用玛瑙研钵研细。对薄膜样品，要将其剪成合适大小，用胶带纸粘在支架上即可。2.物相定性分析

X射线衍射物相定性分析方法有以下几种：

a.三强线法：

（1）从前反射区（90°～20o）中选取强度最大的三根线，并使其d值按强度递减的次序排列。

（2）在数字索引中找到对应的d1(最强线的面间距）组。

（3）按次强线的面间距d2找到接近的几列。

（4）检查这几列数据中的第三个d值是否与待测样的数据对应，再查看第四至第八强线数据并进行对照，最后从中找出最可能的物相及其卡片号。

（5）从档案中抽出卡片，将实验所得d及I/I1跟卡片上的数据详细对照，如果完全符合，物相鉴定即告完成。

如果待测样的数据与标准数据不符，则须重新排列组合并重复（2）～（5）的检索手续。如为多相物质，当找出第一物相之后，可将其线条剔出，并将留下线条的强度重新归一化，再按过程（1）～（5）进行检索，直到得出正确答案。

b.特征峰法：

对于经常使用的样品，其衍射谱图应该充分了解掌握，可根据其谱图特征进行初步判断。例如在26.5度左右有一强峰，在68度左右有五指峰出现，则可初步判定样品含SiO2。

c.参考文献资料法：

在国内国外各种专业科技文献上，许多科技工作者都发表很多X射线衍射谱图和数据，这些谱图和数据可以作为标准和参考供分析测试时使用。

d.计算机检索法：

随着计算机技术的发展，计算机检索得到普遍的应用。这种方法可以很快得到分析结果，分析准确度在不断提高。但最后还须经认真核对才能最后得出鉴定结论。

实验原理和实验参数选择：

1.实验原理

英国物理学家布拉格父子把空间点阵理解为互相平行且面间距相等的一组平面点阵(或面网)，将晶体对X射线的衍射视为某些面网对X射线的选择性反射。从面网产生反射的条件出发，得到一组面网结构发生反射(即衍射)的条件，既布拉格方程。X射线有强的穿透能力，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。这里只讨论两相邻原子面的散射波的干涉。它们的光程差为2dsinθ。当光程差等于波长λ的整数倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件为：λ=2dsinθ。

布拉格方程推导示意图

每一种结晶物质都有各自独特的晶胞参数和晶体结构。在已知波长λ的X射线辐射下，X光在物质的某晶面上产生衍射，并得到衍射曲线(横坐标为2θ, 单位：度˚；纵坐标为强度，单位：原子单位a.u.)。

根据布拉格(W.L.Bragg)方程λ =2dsinθ(θ为衍射角或布拉格角，单位：度)就可以计算出该物质的晶面距离 d值（单位：Å）。衍射线的绝对强度(I)和相对强度(I/I0 或 I/I1)同时给出。由于目前的仪器配有计算机操作系统，计算机可以根据衍射曲线进行数据处理，直接给出d.I值。

没有任何两种物质，它们的晶胞大小.质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当x射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度I/I0来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I0是其晶体结构的必然反映，因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。

非晶态的物质(或结晶度很低的物质)在已知波长X射线的辐射下，同样可以产生衍射，但得到的衍射曲线为一个或几个很宽的衍射峰。

2.实验参数选择 a.阳极靶的选择

选择阳极靶的基本要求：尽可能避免靶材产生的特征X射线激发样品的荧光辐射，以降低衍射花样的背底，使图样清晰。

必须根据试样所含元素的种类来选择最适宜的特征X射线波长(靶)．当X射线的波长稍短于试样成分元素的吸收限时，试样强烈地吸收X射线，并激发产生成分元素的荧光X射线，背底增高。其结果是峰背比(信噪比)P／B低(P为峰强度，B为背底强度)，衍射图谱难以分清。

X射线衍射所能测定的d值范围，取决于所使用的特征X射线的波长。X射线衍射所需测定的d值范围大都在10埃至1埃之间。为了使这一范围内的衍射峰易于分离而被检测，需要选择合适波长的特征X射线。一般测试使用铜靶，但因X射线的波长与试样的吸收有关，可根据试样物质的种类分别选用Co、Fe或C靶。此外还可选用钼靶，这是由于钼靶的特征X射线波长较短，穿透能力强，如果希望在低角处得到高指数晶面衍射峰，或为了减少吸收的影响等，均可选用钼靶。

b.管电压和管电流的选择

工作电压设定为3 ～ 5倍的靶材临界激发电压。选择管电流时功率不能超过X射线管额定功率，较低的管电流可以延长X射线管的寿命。

X射线管经常使用的负荷(管压和管流的乘积)选为最大允许负荷的80％左右。但是，当管压超过激发电压5倍以上时，强度的增加率将下降．所以，在相同负荷下产生X射线时，在管压为激发电压的约5倍以内时要优先考虑管压，在更高的管压下其负荷可用管流来调节．靶元素的原子序数越大，激发电压就越高。由于连续X射线的强度与管压的平方呈正比，特征X射线与连续X射线的强度之比，随着管压的增加接近一个常数，当管压超过激发电压的4～5倍时反而变小，所以，管压过高，信噪比P/B将降低，这是不可取得的。

c.发散狭缝的选择(DS)

发散狭缝(DS)决定了X射线水平方向的发散角，限制试样被X射线照射的面积。如果使用较宽的发射狭缝，X射线强度增加，但在低角处入射X射线超出试样范围，照射到边上的试样架，出现试样架物质的衍射峰或漫散峰，对定量相分析带来不利的影响。因此有必要按测定目的选择合适的发散狭缝宽度。生产厂家提供1/6°、1/2°、1°、2°、4°的发散狭缝，通常定性物相分析选用1°发散狭缝，当低角度衍射特别重要时，可以选用1/2°（或1/6°）发散狭缝。

d.防散射狭缝的选择（SS）

防散射狭缝用来防止空气等物资引起的散射X射线进入探测器，选用SS与DS角度相同。

e.接收狭缝的选择（RS）

生产厂家提供0.15mm、0.3mm、0.6mm的接收狭缝，接收狭缝的大小影响衍射线的分辨率。接收狭缝越小，分辨率越高，衍射强度越低。通常物相定性分析时使用0.3mm的接收狭缝，精确测定可使用0.15mm的接收狭缝。

f.滤波片的选择

Z滤 < Z靶－(1～2): Z靶 < 40, Z滤= Z靶－1, Z靶 > 40, Z滤= Z靶－2

g.扫描范围的确定

不同的测定目的，其扫描范围也不同．当选用Cu靶进行无机化合物的相分析时，扫描范围一般为90°～2°（2θ）；对于高分子，有机化合物的相分析，其扫描范围一般为60 ～2°；在定量分析点阵参数测定时，一般只对欲测衍射峰扫描几度。

h.扫描速度的确定

常规物相定性分析常采用每分钟2°或4°的扫描速度，在进行点阵参数测定，微量分析或物相定量分析时，常采用每分钟1/2°或1/4°的扫描速度。

操作步骤：

1.开启墙壁上的主电源开关。

2.按下仪器面板上的“绿色”power按钮，接通仪器电源。

3.检查水循环系统开关是否在“启动”或“运行”位置，是否正常运行。4.开启控制电脑。

5.按要求制备样品，粉末和薄膜表面要求与样品板表面保持同一平面。安装样品，如果有粉末样品洒落，一定注意及时清扫。

6.启动仪器控制系统软件，设定参数，电压和电流一般设定为40 kV，25 mA(如果增加功率,须经仪器负责人允许,但最大不要超过40 kV，40 mA!)，开始扫描。7.所有样品扫描结束，退出控制程序系统时，一定关闭高压。8.按下机器面板上的“红色”power按钮，将机器关闭。9.关闭墙壁上的主电源开关。

思考题：

1.查阅相关文献，了解根据XRD图计算样品颗粒大小公式的使用条件。2.X射线衍射分析可以用来解决哪些实际问题？ 3.如何选择X射线管及管电压和管电流？ 4.粉末样品制备有几种方法，应注意什么问题？ 5.X射线谱图鉴定分析应注意什么问题？

第四篇：X射线衍射实验注意事项1

X射线衍射测试样品要求

金属样品如块状、板状、圆柱状要求被测面磨成一个平面，面积不小于10X5 mm2，如果面积太小可以用几块粘贴一起。对于带状样品要求用胶粘在玻璃片上（玻璃片在本实验室借）。注意：胶不要露出表面。粉末样品要求磨成320目的粒度，约40微米。粒度粗大衍射强度底，峰形不好，分辨率低。要了解样品的物理化学性质，如是否易燃，易潮解，易腐蚀、有毒、易挥发。注意：粉末样品如与丙酮、酒精、水起反应，应告知实验室老师。

粉末样品要求在1～2克左右。如果太少也需平铺面积为5×5mm2。

块状样品在背面作标记，最好在背面标号。

XRD登记方法 凡来送样的学生必须经老师同意方可登记做实验。XRD实验一般不需预约，拿来样品登记排队。但易氧化的样品，应提前与实验室老师预约。登记时请认真填写（请不要用铅笔），要求字迹清晰。“测试条件”一栏中填写2的测试范围，默认值为10°～100°。不是此范围的需填写。对极少量需回收的粉末样品，在“测试条件”一栏中需注明“样品回收”，但回收的样品有轻度污染。

“送样单位”一栏中写明学院、专业或梯队。5

一定在样品袋上注明登记的学生姓名。

第五篇：X射线衍射（范文）

X射线衍射

（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

[2] 于全芝，宋连科等.多晶材料X射线衍射定量分析的多项式拟合法.光谱学与光谱分析,2004.2.[3] 姬洪，左长明等.SrTiO3薄膜材料的高分辨率X射线衍射分析研究.功能材料,2004.z1.[4] 张俊，王苏程等.X射线衍射法测定加载条件下镍基单晶高温合金的表层应力状态.金属学报,2007.11.