X射线衍射法研究聚丙烯腈原丝的晶态结构
摘要
用X 射线衍射法研究了成纤过程中聚丙烯腈原丝晶态结构的演变规律, 给出了各阶段聚丙烯腈的晶态结构模型。
关键词：聚丙烯腈原丝，晶态结构，X 射线衍射
X-RAY DIFFRACTION STUDIES ON CRYSTALLINE
STRCTURE OF PAN PRECUTSORS
ABSTRACT
The transformation law of crystalline structure of polyacrylonitrile precursors in the process of fiber formation was studied by means of X-ray dif fraction ( XRD) , and a new model for polyacrylonitrile precursor was presented.
KEY WORDS :polyacrylonitrile precursors, crystalline structure,X-ray diffraction
引言
聚丙烯腈( polyacrylonitrile, PAN) 原丝在碳纤维的制备中扮演着极其重要的角色。但对于PAN 的晶态结构却一直存在争论, 部分学者基于其具有玻璃化转
变等现象提出两相准晶结构( two-phase sem-i crystalline structure) , 在这种两相模型中包含了“准晶区”(有序区) 以及非晶区(无序区)。而另外的观点[1]则是单相仲晶结构。Hitoshi Yamazaki等报道了一种由X-ray 辐射引发聚合得到的PAN通过稀溶液培养可以得到类单晶PAN。X 射线衍射在PAN 晶态结构的研究上有着重要应用, PAN典型的X 射线衍射图显示有两条强烈的赤道衍射弧( 点阵面间距约0.52nm 和0.30nm) , 子午线方向则出现一个大的漫反射弧。
X 射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质( 晶体或非晶体) 进行衍射分析时, 该物质被X 射线照射产生不同程度的衍射现象, 物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。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。因此, X 射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法, 已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。日常所用材料（金属、聚合物、石料和药品等）的绝大多数都是结晶体，而材料的各种性能都与晶体结构相关，故研究晶体结构、结构与性能的关系、并据此改进材料或研制新材料是材料研究中的一项重要内容。对材料结构进行表征的方法有很多，但应用最普遍、最重要的一种方法就是X 射线衍射，因为它可以在不同层面上表征材料的多种结构参数，这是许多其他方法所不能取代的[2] 。
1 X 射线衍射基本原理和应用
1.1原理[3]
X 射线同无线电波、可见光、紫外线等一样, 本质上都属于电磁波, 只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X 射线的波长较短, 大约在10-8 —10-10 cm之间。X 射线分析仪器上通常使用的X 射线源是X射线管, 这是一种装有阴阳极的真空封闭管, 在管子两极间加上高电压, 阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶, 从而产生X 射线。当X 射线照射到晶体物质上, 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, 与晶体结构密切相不同的晶体物质具有自己独特的衍射花样, 这就是X 射线衍射的基本原理关。
1.2 材料分析的应用
由X 射线衍射原理可知, 物质的X 射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数( 包括晶体结构类型, 晶胞大小,晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等) 。因此,没有两种不同的结晶物质会给出完全
相同的衍射花样。通过分析待测试样的X 射线衍射花样, 不仅可以知道物质的化学成分, 还能知道它们的存在状态,即能知道某元素是以单质存在或者以化合物、混合物及同素异构体存在。同时, 根据X 射线衍射试验还可以进行结晶物质的定量分析、晶粒大小的测量和晶粒的取向分析。目前, X 射线衍射技术已经广泛应用于各个领域的材料分析与研究工作中。主要有以下几种[4]：
（1）物相鉴定物相鉴定是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量, 主要包括定性相分析和定量相分析。
（2）点阵参数的测定点阵参数是物质的基本结构参数, 任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数。
（3）微观应力参数的测定微观应力是指由于形变、相变、多相物质的膨胀等因素引起的存在于材料内各晶粒之间或晶粒之中的微区应力。
（4）结晶度的测定结晶度是影响材料性能的重要参数。
（5）纳米材料粒径的表征采用X 射线衍射线线宽法( 谢乐法) 可以测定纳米粒子的平均粒径。
（6）晶体取向及织构的测定晶体取向的测定又称为单晶定向, 就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。
2 实验部分[5]
1.1试剂
丙烯腈(PAN) 经常压蒸馏收集76~ 78 e 之间的馏份; 二甲基亚砜( DMSO) 经减压蒸馏收集< 90 e之馏份; 甲叉丁二酸( ITA) 经砂芯漏斗精滤处理; 偶氮二异丁腈(AIBN) 无水乙醇重结晶精制。
1.2 试剂制备
在5 L 不锈钢聚合釜中, 两种单体按一定配比投料, AIBN 为引发剂、氮气气氛下自由基溶液聚合, 制得的纺丝液经脱单、脱泡待用。纺丝液经计量泵、喷丝板进入凝固浴湿法纺丝成纤维, 经预牵伸、水洗、致密化、再牵伸制得聚丙烯腈原丝。并且在凝固成形、预牵伸、致密化及再牵伸后收取四个纤维样品( F1, F2, F3 及F4) , 其中凝固成形初生纤维用丙酮处理, 除去纤维中残余溶剂和水。
1.3 X衍射测试
所用仪器：日本理学公司( Rigaku ) D/ max2500VB2+ / PC 型X 射线衍射仪。实验条件: CuKA辐射( K= 01154 056 nm) , 40 kV, 200mA。
2θ扫描: 将纤维处理成尽可能细的碎段平铺于深1mm 的铝槽中, 应做到纤
维平铺表面尽量平整。扫描区间为5b~ 40b, 速率为0112 s 扫描0101b。通过计算机分峰, 用式( 1) 计算纤维结晶度。
式中, A c ——晶峰面积 A a ——非晶峰面积
极图扫描: 直接将PAN 纤维平行缠绕于矩形铝框上( 15 mm×15mm) , 缠绕密度以不透光为宜, 施加一定张力使纤维处于平行伸直状态。极角V 扫描区间: 0°—360°, 扫描间隔: 5°; A扫描区间: 15°—90°, 扫描间隔: 5°。
3．结果与讨论
3.1 PAN原丝晶态结构的形成
图1为四个纤维样品的X 射线衍射图。从中可以看出凝固初生纤维( F1 ) 在17°和29°附近有两个结晶峰, 对应( 010) , ( 300) 面, 正交晶系计算晶胞参数a = 0.912 nm, b= 0.530 nm。b 方向有周期性, a 方向有部分周期性, 存在较大的晶格畸变, 只能形成一种所谓的“准晶”结构。25b附近是大而弥散的非晶漫射峰。
凝固成形阶段纤维的晶态结构已经基本形成,但牵伸和干燥致密化过程会对纤维晶态结构产生影响, 特别是致密化过程。从图1 中可以看出, 随着牵伸和致密化的进行, 两个结晶峰强度增大, 而非晶峰强度下降, 致密化后纤维( F3) 的非晶峰强度已经较低, 衍射线条宽化现象也减小, 说明纤维在a, b 方向的周期性均变强, 到PAN 原丝可认为b 方向具有完全周期性。而a 方向随着干燥致密化过程中诱导结晶的进行, 晶格畸变减少, 周期性逐渐变强,因此PAN 原丝有较好的二维周期性。
成纤过程中纤维的结晶度逐步升高( 表1) 。在预牵伸过程中, 初生纤维中含有大量溶剂, 原纤仍可以看作处于一种塑性状态, 牵伸使大分子迅速沿纤维轴向
排列, 有利于凝固过程中形成的晶态结构进一步完善, 因此纤维结晶度升高。干燥致密化过程在PAN 大分子玻璃化温度之上进行, 在环境热作用下非晶区分子运动重排, 有序区诱导非晶区结晶, 同时有序区自身也进一步生长和完善, 因此纤维结晶度变大。再牵伸过程中纤维的结晶度也得到提高。
3.2 PAN 原丝的晶区取向
通过四个纤维样品的X 射线衍射极图( 图2) 可以定性地看出纤维晶区取向的演变规律, 成纤过程中晶区分子在纤维轴向的择优取向逐渐增强。凝固初生纤维( 图2, F1) 在纤维轴向上无择优取向, 几近无规。预牵伸后, 纤维的取向态结构初步形成, 在纤维轴向上有了一定的择优取向( 图2, F2) , 但不是很稳定, 容易发生解取向。预牵伸过程中, 纤维可视为处于一种塑性状态, 牵伸对纤维的取向只起一种引导作用, 在大量溶剂存在的情况下, 纤维的取向态结构也不宜稳定下来, 这样不利于干燥致密化的进行。纤维致密化后, 由于整体收缩使取向度有所下降, 但同时取向态结构得到了固定, 只是取向度不高( 图2, F3) 。再牵伸过程中, 纤维的取向度得到实质性的提高( 图2, F4) 。
3.3 纤维晶态结构模型的表示
3.3.1 凝固成型阶段
由3.1 的讨论可以得知PAN 原丝的晶态结构在凝固成形阶段已经初步形成, 以一种存在严重点阵畸变的正交晶系形式堆砌,结晶度低, X 射线衍射图( 图1, F1) 上结晶峰和非晶峰可以明显区分。因此可以推断, 凝固成形初生纤维的晶态结构可以用两相准晶结构模型来描述( 图3) 。
3.3.2 预牵伸过程
纤维的结晶度和晶区取向在预牵伸过程中都得到了提高( 表1, 图2) , 这主要是因为预牵伸过程中非晶区PAN 大分子在饱和水蒸气中会运动重排, 有序性变强,“准晶区”分子在取向的作用下规整度也逐渐提高。但从X 射线衍射图中仍可以明显地看出大而弥散的非晶峰( 图1, F2 ) ,因此预牵伸过后PAN 纤维的晶态结构仍然是一种两相准晶结构, 其模型见图4。
3.3.3 干燥致密化过程
干燥致密化在PAN 纤维成纤过程中扮演了重要的角色, 起到了承上启下的作用。干燥致密化在PAN 大分子的玻璃化温度以上进行, 通过环境热与纤维内部水的交换而达到纤维致密化的作用。致密化之前纤维经过水洗已经除去了绝大部分的溶剂, 这将有利于纤维致密化。从X 射线衍射图( 图1, F3) 上可以看出两个结晶峰变得尖锐, 大的非晶弥散峰减弱, 纤维结晶度进一步增高( 表1) 。非晶区PAN 大分子在玻璃化温度以上容易运动重排, 在“准晶区”的诱导下结晶而形成新的规整性不及原有“准晶区”的有序区。通过上述分析可以认为, 在致密化过程中PAN 纤维的晶态结构发生了巨大变化, 由两相准晶结构转变成一种单相仲晶结构, 其模型见图5。
3.3.4 再牵伸过程
再牵伸的主要作用是提高PAN 原丝取向度, 从而改善纤维的力学性能, 与此同时纤维的晶态结构也会发生一些变化。致密化后PAN 纤维已经具有单相仲晶结构, 再牵伸过程中这种“仲晶”结构会得到进一步的优化。PAN 原丝晶态结构可以用如图6 所示的单相仲晶结构模型来表示。
4 结论
（1）PAN 原丝的晶态结构具有一定的准晶结构, 二维周期性好, 有一定的三维周期性。b 方向有完全周期性, 晶格畸变小; a 方向有部分周期性, 部分无序, 晶格畸变大。正交晶系实测晶格常数: a=01912 nm, b= 01530 nm。
（2）PAN 原丝的晶态结构可以用单相仲晶结构模型描述。在这个单相模型中, PAN 大分子以一种类Z 字形的不规则螺旋棒的形式存在, 棒与棒之间相互重叠、交叉、缠绕交织, 相邻棒之间结合紧密, 从而堆砌成一个大的“仲晶区”。
（3）湿法纺丝过程中PAN 纤维的晶态结构会发生一定的变化。凝固成形初生纤维和预牵伸后纤维适合于两相准晶结构模型, 其中包含了明显的“准晶区”和非晶区。致密化过程中非晶区分子在环境热的作用下重排运动而形成一种“柔软棒”, 这些“柔软棒”和原有的不规则螺旋棒一起构成了新的“仲晶区”, 从而最终形成了PAN 原丝的单相仲晶结构。
参考文献
[1] Liu X D,Ruland W.X-ray studies on the structure of polyacrylonirile fibers [J].Macromolecules,1993,26:3030-3036
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[3]张晓辉.X射线衍射在材料分析中的应用[J].沈阳工程学院学
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[5]徐华,姚红等.X 射线衍射法研究聚丙烯腈原丝的静态结构[J].北京化工大学学报,2005，32(2)64-67
材料物理专业《材料分析测试方法A 》作业 第一章 电磁辐射与材料结构 一、教材习题 1-1 计算下列电磁辐射的有关参数： （1）波数为3030cm -1的芳烃红外吸收峰的波长（μm ）； （2）5m 波长射频辐射的频率（MHz ）； （3）588.995nm 钠线相应的光子能量（eV ）。 1-3 某原子的一个光谱项为45F J ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。 1-5 下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？ 12C 6、19F 9、31P 15、16O 8、1H 1、14N 7。 1-8 分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001）、（002）和（003）面，并据此回答： 干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？ 1-9 已知某点阵∣a ∣=3?，∣b ∣=2?，γ = 60?，c ∥a ×b ，试用图解法求r *110与r *210。 1-10 下列哪些晶面属于]111[晶带？ )331(),011(),101(),211(),231(),132(),111(。 二、补充习题 1、试求加速电压为1、10、100kV 时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多 少？ 第二章 电磁辐射与材料的相互作用 一、教材习题 2-2 下列各光子能量（eV ）各在何种电磁波谱域内？各与何种跃迁所需能量相适应？ 1.2×106~1.2×102、6.2~1.7、0.5~0.02、2×10-2~4×10-7。 2-3 下列哪种跃迁不能产生? 31S 0—31P 1、31S 0—31D 2、33P 2—33D 3、43S 1—43P 1。 2-5 分子能级跃迁有哪些类型？紫外、可见光谱与红外光谱相比，各有何特点？ 2-6 以Mg K α（λ=9.89?）辐射为激发源，由谱仪（功函数4eV ）测得某元素（固体样品） X 射线光电子动能为981.5eV ，求此元素的电子结合能。 2-7 用能级示意图比较X 射线光电子、特征X 射线与俄歇电子的概念。 二、补充习题 1、俄歇电子能谱图与光电子能谱图的表示方法有何不同？为什么？ 2、简述X 射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。 第三章 粒子（束）与材料的相互作用 一、教材习题 3-1 电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图3-3），哪些对应入射电子？哪些是由电子 激发产生的？
现在将通过实例初步介绍jade5.0的基本操作步骤。 1、数据输入 由于不同的X射线衍射仪输出的数据类型不同，但都可以将数据转换成txt 文档或Ascii格式的文档（文件名为*.txt或*.asc），为提高软件的通用性jade5.0提供了以txt文档或Ascii格式输入数据。运行jade5.exe首先进入以下界面 中间的窗口用于选择需打开文件，左侧选择文件路径与资源管理器的操作相同， 右侧选择打开文件的类型，一般选择XRD Pattern files(*.*)，这时在右下方 的窗口中将显示左侧被选择文件夹中所有能被该软件识别的文件，然后选择需要
分析的数据文件，点击菜单栏Read进入主窗口，此选择窗口可以通过主窗口中file/patterns进入。 2、背景及Ka2线扣除 在主菜单栏中选择analyze/fit background进入如下窗口： 该窗口用于设置扣除背景时的参数，一般选择默认值直接选择apply，回到主窗口，此时软件自动运行Edit bar/B.E按钮，用于手动修改背景， Edit bar工具栏如下：
此工具栏提供了放大、标定峰位等操作，当鼠标移动到按钮上时软件将自动提示。在该软件中的所有按钮对鼠标左右键操作都有不同效果，一般左键为确定或正向操作，右键为取消或反向操作。 3、确定峰位 在主菜单栏中选择analysie/find peaks，进入确定峰位所需的参数设置窗口，如下图，一般选择默认值，选择apply回到主窗口，选择Edit bar左第三个按钮可手动编辑。 在手动编辑过峰个数或峰位后，同样可以选择analyze/find peaks，选择Report，进入如下界面：
一、选择题（每题1分，共15分） 1、X射线衍射方法中，最常用的是（） A．劳厄法 B.粉末多晶法 C.转晶法 2、已知X射线定性分析中有三种索引，已知物质名称可以采用（） A.哈式无机相数值索引 B.无机相字母索引 C.芬克无机数值索引 3、电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中能用于测试1nm厚度表层成分分 析的信号是（） A. 背散射电子 B.俄歇电子 C.特征X射线 4、测定钢中的奥氏体含量，若采用定量X射线物相分析，常用的方法是（） A.外标法 B.内标法 C.直接比较法 D.K值法 5、下列分析方法中分辨率最高的是（） A.SEM B.TEM C. 特征X射线 6、表面形貌分析的手段包括（） A.SEM B.TEM C.WDS D. DSC 7、当X射线将某物质原子的K层电子打出去后，L层电子回迁K层，多余能量将 另一个L层电子打出核外，这整个过程将产生（） A.光电子 B.二次电子 C.俄歇电子 D.背散射电子 8、透射电镜的两种主要功能（） A.表面形貌和晶体结构 B.内部组织和晶体结构 C.表面形貌和成分价键 D.内部组织和成分价键 9、已知X射线光管是铜靶，应选择的滤波片材料是（） A.Co B.Ni C.Fe D.Zn 10、采用复型技术测得材料表面组织结构的式样为（） A.非晶体样品 B.金属样品 C.粉末样品 D.陶瓷样品 11、在电子探针分析方法中，把X射线谱仪固定在某一波长，使电子束在样品表面 扫描得到样品的形貌相和元素的成分分布像，这种分析方法是（）
A.点分析 B.线分析 C.面分析 12、下列分析测试方法中，能够进行结构分析的测试方法是（） A.XRD B.TEM C.SEM D.A+B 13、在X射线定量分析中，不需要做标准曲线的分析方法是（） A.外标法 B. 内标法 C. K值法 14、热分析技术不能测试的样品是（） A.固体 B.液体 C.气体 15、下列热分析技术中，（）是对样品池及参比池分别加热的测试方法 A.DTA B.DSC C.TGA 二、填空题（每空1分，共20分） 1、由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型，即和。 2、常见的几种电子衍射谱为单晶衍射谱、、、高级劳厄带斑 点、。 3、透射电镜的电子光学系统由、、和四部分组成 4、今天复型技术主要应用方法来截取第二相微小颗粒进行分析。 5、扫描电子显微镜经常用的电子信息是、和 6、德拜照相法中的底片安装方法有、和 7、产生衍射的必要条件是 8、倒易点阵的两个基本特征是和 9、透射电镜成像遵循原理 三、名词解释（每题5分，共20分） 1、X射线强度 2、结构因子 3、差热分析
材料分析测试方法 一、课程重要性 二、课程主要内容 三、本课程教学目的基本要求 四、本课程与其他课程的关系 材料分析测试方法 二、课程的主要内容 材料分析的基本原理（或称技术基础）是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。 采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。 1、X-射线衍射分析：物相成分、结晶度、晶粒度信息 2、电子显微镜：材料微观形貌观察 3、热分析：分析材料随温度而发生的状态变化 4、振动光谱：分子基团、结构的判定 5、X-射线光电子能谱：一种表面分析技术，表面元素分析 6、色谱分析：分析混合物中所含成分的物理方法 三、课程教学目的和基本要求 本课程是为材料专业本科生开设的重要的专业课。 其目的在于使学生系统地了解现代主要分析测试方法的基本原理、仪器设备、样品制备及应用，掌握常见测试技术所获信息的解释和分析方法，最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。 四、本课程与其他课程的关系 本门课程是以高等数学、大学物理、无机及分析化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础的，因此，学好这些前期课程是学好材料现代分析测试方法的前提。 同时，材料现代分析测试方法又为后续专业课程如材料合成与制备方法、陶瓷、功能材料、高分子材料等打下基础。 X 射线衍射分析 X射线物理基础 晶体学基础：几何晶体学、倒点阵 X射线衍射原理：X射线衍射线的方向和强度 晶体的研究方法:单晶、多晶的研究、衍射仪法 X射线衍射分析的应用 物相分析 晶胞参数的确定 晶粒尺寸的计算等 X 射线衍射分析 需解决的问题 科研、生产、商业以及日常生活中，人们经常遇到这种问题：某种未知物的成分是什么？含有哪些杂质或有害物质？用什么方法来鉴定？ X射线衍射分析（简称XRD）的原理？仪器组成？样品要求？ XRD除物相分析外，还能检测分析物质的哪些性能？ 如何从XRD所给出的数据中提取更多的信息？（包括成分、结构、形成条件、结晶度、晶粒度等）
1.做XRD有什么用途啊，能看出其纯度?还是能看出其中含有某种官能团？ X射线照射到物质上将产生散射。晶态物质对X射线产生的相干散射表现为衍射现象，即入射光束出射时光束没有被发散但方向被改变了而其波长保持不变的现象，这是晶态物质特有的现象。 绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生X射线衍射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。晶体的X射线衍射图是晶体微观结构立体场景的一种物理变换，包含了晶体结构的全部信息。用少量固体粉末或小块样品便可得到其X射线衍射图。 XRD（X射线衍射）是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位置分布，晶胞形状和大小等)最有力的方法。 XRD特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图与已知的晶态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析； XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）...等等，应用面十分普遍、广泛。 目前XRD主要适用于无机物，对于有机物应用较少。 关于XRD的应用，在[技术资料]栏目下有介绍更详细的文章，不妨再深入看看。 如何由XRD图谱确定所做的样品是准晶结构？XRD图谱中非晶、准晶和晶体的结构怎么严格区分？ 三者并无严格明晰的分界。 在衍射仪获得的XRD图谱上，如果样品是较好的"晶态"物质，图谱的特征是有若干或许多个一般是彼此独立的很窄的"尖峰"（其半高度处的2θ宽度在0.1°~0.2°左右，这一宽度可以视为由实验条件决定的晶体衍射峰的"最小宽度"）。如果这些"峰"明显地变宽，则可以判定样品中的晶体的颗粒尺寸将小于300nm，可以称之为"微晶"。晶体的X射线衍射理论中有一个Scherrer公式，可以根据谱线变宽的量估算晶粒在该衍射方向上的厚度。 非晶质衍射图的特征是：在整个扫描角度范围内（从2θ1°~2°开始到几十度）只观察到被散射的X射线强度的平缓的变化，其间可能有一到几个最大值；开始处因为接近直射光束强度较大，随着角度的增加强度迅速下降，到高角度强度慢慢地趋向仪器的本底值。从Scherrer公式的观点看，这个现象可以视为由于晶粒极限地细小下去而导致晶体的衍射峰极大地宽化、相互重叠而模糊化的结果。晶粒细碎化的极限就是只剩下原子或离子这些粒子间的"近程有序"了，这就是我们所设想的"非晶质"微观结构的场景。非晶质衍射图上的一个最大值相对应的是该非晶质中一种常发生的粒子间距离。 介于这两种典型之间而偏一些"非晶质"的过渡情况便是"准晶"态了。 在做Ｘ射线衍射时，如果用不同的靶，例如用铜靶或者Cr靶，两者的谱图会一样吗？如果不同的话，峰的位置和强度有啥变化吗？有规律吗？ 不同的靶，其特征波长不同。衍射角（又常称为Bragg角或2θ角）决定于实验使用的波长（Bragg方程）。使用不同的靶也就是所用的X射线的波长不同，根据Bragg方程，某一间距为d的晶面族其衍射角将不同, 各间距值的晶面族的衍射角将表现出有规律的改变。因此，使用不同靶材的X射线管所得到的衍射图上的衍射峰的位置是不相同的，衍射峰位置的变化是有规律的。
连续光谱 特征光谱 2 4 6 8 10 α β W Mo Cr 0.5 0.9 0.7 波长（?） 强度 37.2 15.2 图4—1 X 射线管产生的X 射线的波长谱 X 射线衍射晶体结构分析 【摘要】本次实验主要通过采用与X 射线波长数量级接近的物质即晶体这个天然的光栅来作狭缝来研究X 射线衍射，由布拉格公式以及实验中采用的NaCl 晶体的结构特点即可在知道晶格常数条件下测量计算出X 射线的波长，反过来也可用它来测定各种晶体的晶格结构。通过本次实验我们将更进一步地了解X 射线的产生、特点和应用。 【关键词】X 射线；晶体结构；布拉格公式； 1 引言 X 射线是波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射。由德国物理学家W.K.伦琴于1895 年发现，故又称伦琴射线。波长小于0.1埃的称超硬X 射线，在0.1～1埃范围内的称硬X 射线，1～10埃范围内的称软X 射线。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X 射线能量越大，叫做硬X 射线，波长长的X 射线能量较低，称为软X 射线。 实验室中X 射线由X 射线管产生，X 射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X 射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X 射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。 目前，X 射线学已渗透到物理学、化学、地学、生物学、天文学、材料科学以及工程科学等许多学科中，并得到了广泛的应用。本实验通过对X 射线衍射实验的研究来进一步认识其性质。 2 实验原理 2.1 X 射线的产生和X 射线的光谱 实验中通常使用X 光管来产生X 射线。在抽成真空的X 光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X 射线。发射出的X 射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限时，
《材料分析测试方法》作者：黄新民。该书主要介绍材料的X 射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜分析和电子探针微区分析，同时简要介绍了光谱分析、扫描探针显微镜和X射线光电子能谱。 内容简介该书主要介绍材料的X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜分析和电子探针微区分析，同时简要介绍了光谱分析、扫描探针显微镜和X射线光电子能谱。 X射线衍射分析内容包括X射线物理学基础、X射线衍射原理、多晶材料X射线衍射分析方法和部分X射线衍射的实际应用。透射电子显微分析内容包括电子光学基础和电镜结构、电子衍射和电子显微图像衬度原理。扫描电子显微镜分析和电子探针微区分析内容包括仪器的工作原理和分析方法。光谱分析内容包括光谱学基础、原子光谱和分子光谱的简介。扫描探针显微镜内容包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理、工作模式及应用，介绍了X射线光电子能谱的原理与应用。 本书可以作为材料科学与工程学科的本科生教材，也可以作为研究生和从事材料科学研究与分析测试的工程技术人员的参考书。 该书主要介绍材料的X射线衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微镜分析和电子探针微区分析，同时简要介绍了光谱分析、扫描探针显微镜和X射线光电子能谱。X射线衍射分析内容包括X射线物理学基础、X射线衍射原理、多晶材料X射线衍射分析方法和部
分X射线衍射的实际应用。透射电子显微分析内容包括电子光学基础和电镜结构、电子衍射和电子显微图像衬度原理。扫描电子显微镜分析和电子探针微区分析内容包括仪器的工作原理和分析方法。光谱分析内容包括光谱学基础、原子光谱和分子光谱的简介。扫描探针显微镜内容包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理、工作模式及应用，介绍了X射线光电子能谱的原理与应用。本书可以作为材料科学与工程学科的本科生教材，也可以作为研究生和从事材料科学研究与分析测试的工程技术人员的参考书。
XRD分析软件有4种 1.pcpdgwin 有人认为是最原始的了。它是在衍射图谱标定以后按照d值检索。一般可以有限定元素、按照三强线、结合法等方法。所检索出的卡片多时候不对。一张复杂的衍射谱有时候一天也搞不定。 2.search match 可以实现和原始实验数据的直接对接可以自动或手动标定衍射峰的位置对于一般的图都能很好的应付。而且有几个小工具使用很方便。如放大功能、十字定位线、坐标指示按钮、网格线条等。最重要的是它有自动检索功能。可以帮你很方便的检索出你要找的物相。也可以进行各种限定以缩小检索范围。如果你对于你的材料较为熟悉的话对于一张含有45相的图谱检索也就3分钟。效率很高。而且它还有自动生成实验报告的功能 3.High Score 几乎search match中所有的功能highscore都具备而且它比searchmatch更实用。 1它可以调用的数据格式更多。 2窗口设置更人性化用户可以自己选择。 3谱线位置的显示方式可以让你更直接地看到检索的情况 4手动加峰或减峰更加方便。 5可以对衍射图进行平滑等操作是图更漂亮。 6可以更改原始数据的步长、起始角度等参数。 7可以进行0点的校正。 8可以对峰的外形进行校正。 9可以进行半定量分析。 10物相检索更加方便检索方式更多。 11可以编写批处理命令对于同一系列的衍射图一键搞定。 4.jade 和highscore相比自动检索功能少差但它有比之更多的功能。 1它可以进行衍射峰的指标化。 2进行晶格参数的计算。 3根据标样对晶格参数进行校正。 4轻松计算峰的面积、质心。 5出图更加方便你可以在图上进行更加随意的编辑。 其实学化工和材料的人对这个软件HighScore是很熟悉的还有一个软件数据分析与科学绘图软件origin 是搞材料研究算是必备的软件。对于学材料学生可能毕业写论文要用到这些软件。 Jade5.0的使用初步说明 1、数据输入由于不同的X射线衍射仪输出的数据类型不同但都可以将数据转换成txt文档或Ascii格式的文档文件名为.txt 或.asc为提高软件的通用性jade5.0提供了以txt文档或Ascii格式输入数据。运行jade5.exe首先进入以下界面图片一在后面的压缩文件里面下同中间的窗口用于选择需打开文件左侧选择文件路径与资源管理器的操作相同右侧选择打开文件的类型一般选择XRD Pattern files.这时在右下方的窗口中将显示左侧被选择文件夹中所有能被该软件识别的文件然后选择需要分析的数据文件点击菜单栏Read进入主窗口此选择窗口可以通过主窗口中file/patterns进入。 2、背景及Ka2线扣除在主菜单栏中选择analyze/fit background进入如下窗口图片二该窗口用于设置扣除背景时的参数一般选择默认值直接选择apply回到主窗口此时软件自动运行Edit bar/B.E按钮用于手动修改背景 Edit bar工具栏如下图片三此工具栏提供了放大、标定峰位等操作当鼠标移动到按钮上时软件将自动提示。在该软件中的所有按钮对鼠标左右键操作都有不同效果
材料分析测试方法 一、课程重要性二、课程主要内容三、本课程教学目的基本要求 四、本课程与其他课程的关系材料分析测试方法二、课程的 主要内容材料分析的基本原理（或称技术基础）是指测量信号与材料成分、结构等的特征关系。采用各种不同的测量信号（相应地具有与材料的不同特征关系）形成了各种不同的材料分析方法。1、X-射线衍射分析：物相成分、结晶度、晶粒度信息 2、电子显微镜：材料微观形貌观察 3、热分析：分析材料随 温度而发生的状态变化4、振动光谱：分子基团、结构的判定 5、X-射线光电子能谱：一种表面分析技术，表面元素分析 6、 色谱分析：分析混合物中所含成分的物理方法三、课程教学目的和基本要求本课程是为材料专业本科生开设的重要的专业课。其目的在于使学生系统地了解现代主要分析测试方法的基本原理、仪器设备、样品制备及应用，掌握常见测试技术所获信息的解释和分析方法，最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。四、本课程与其他课程的关系本门课程是以高等数学、大学物理、无机及分析化学、有机化学、物理化学、晶体学等课程为基础的，因此，学好这些前期课程是学好材料现代分析测试方法的前提。同时，材料现代分析测试方法又为后续专业课程如材料合成与制备方法、陶瓷、功能材料、高分子材料等打下基础。X 射线衍射分析X 射线物理基础晶体学基础：几何晶体学、倒点阵X 射线衍射原理：X 射线衍射线
的方向和强度晶体的研究方法:单晶、多晶的研究、衍射仪法X 射线衍射分析的应用物相分析晶胞参数的确定晶粒尺寸的 计算等X 射线衍射分析需解决的问题科研、生产、商业以及 日常生活中，人们经常遇到这种问题：某种未知物的成分是什 么？含有哪些杂质或有害物质？用什么方法来鉴定？ §1X 射线物理基础一、X 射线的发现二、X 射线的性质三、X 射线的获得四、X 射线谱五、X 射线与物质的相互作用六、X 射线的吸收及其作用七、X 射线的防护一、X 射线的发现1895 年，德国物理学家伦琴（R?ntgen,W.C.）发现X 射线1912 年，德国物理学家劳厄（https://www.doczj.com/doc/584630371.html,ue,M）等人发现X 射线在晶体中的衍射现象，确证X 射线是一种电磁波1912 年，英国物理学家布·喇格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.) 开创X 射线晶体结构分析的历二、X 射线的性质X 射线的本质是一种电磁波，具有波粒二象性。X 射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播，其波长范围在0.01~100 ? 之间，在真空中的传播速度3×108m/s。1、波动性当解释X-ray 的衍射、干涉等现象时，必须将其看成波。在晶体作衍射光栅观察到的X 射线的衍射现象，证明了X 射线的波动性X 射线作为电磁波，具有电场矢量和磁场矢量。它以一定的波长和频率在空间传播。λ ＝Ｃ／v X-ray 作为一种电磁波，其传播过程中携带一定的能量，用强度表示X-ray 所带能量的多少。当解释X-ray 与物质相互作用所产生的物理现象（如光电效应、二次电子等）时，须将X-ray 看成一种微粒子流（光子流）。X-ray 作为一种粒
如何使用XRD分析软件Jade5.0解谱？ Jade5.0的使用初步说明1、数据输入 由于不同的X射线衍射仪输出的数据类型不同，但都可以将数据转换成txt文档或Ascii格式的文档（文件名为*.txt或*.asc），为提高软件的通用性jade5.0提供了以txt文档或Ascii格式输入数据。运行jade5.exe首先进入以下界面中间的窗口用于选择需打开文件，左侧选择文件路径与资源管理器的操作相同，右侧选择打开文件的类型，一般选择XRD Pattern files(*.*)，这时在右下方的窗口中将显示左侧被选择文件夹中所有能被该软件识别的文件，然后选择需要分析的数据文件，点击菜单栏Read进入主窗口，此选择窗口可以通过主窗口中file/patterns进入。 2、背景及Ka2线扣除 在主菜单栏中选择analyze/fit background进入如下窗口： 此工具栏提供了放大、标定峰位等操作，当鼠标移动到按钮上时软件将自动提示。在该软件中的所有按钮对鼠标左右键操作都有不同效果，一般左键为确定或正向操作，右键为取消或反向操作。 3、确定峰位 在主菜单栏中选择analysie/find peaks，进入确定峰位所需的参数设置窗口，如下图，一般选择默认值，选择apply回到主窗口，选择Edit bar左第三个按钮可手动编辑。
在手动编辑过峰个数或峰位后，同样可以选择analyze/find peaks，选择Report，进入如下界面： 在此窗口中显示了以上操作中所确定的峰位置、强度、半峰宽（FWHM）等参数，其中FWHM将时计算晶粒度的主要参数。 选择analyze/find peaks，在此窗口中选择Labeling标签，可以选择峰的标示方式，如下图：
XRD,以及晶体结构的相关基础知识(ZZ) Theory 2009-10-25 17:55:42 阅读355 评论0 字号：大中小 做XRD有什么用途啊，能看出其纯度?还是能看出其中含有某种官能团？ X射线照射到物质上将产生散射。晶态物质对X射线产生的相干散射表现为衍射现象，即入射光束出射时光束没有被发散但方向被改变了而其波长保持不变的现象，这是晶态物质特有的现象。 绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生X射线衍射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。晶体的X射线衍射图是晶体微观结构立体场景的一种物理变换，包含了晶体结构的全部信息。用少量固体粉末或小块样品便可得到其X射线衍射图。 XRD（X射线衍射）是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位置分布，晶胞形状和大 小等)最有力的方法。 XRD 特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的X射线衍射图与已知的晶态物质的X射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析； XRD还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）...等等，应用面十分普遍、广泛。 目前XRD主要适用于无机物，对于有机物应用较少。 关于XRD的应用，在[技术资料]栏目下有介绍更详细的文章，不妨再深入看看。 如何由XRD图谱确定所做的样品是准晶结构？XRD图谱中非晶、准晶和晶体的结构怎么严格区分？ 三者并无严格明晰的分界。 在衍射仪获得的XRD图谱上，如果样品是较好的"晶态"物质，图谱的特征是有若干或许多个一般是彼此独立的很窄的"尖峰"（其半高度处的2θ宽度在0.1°~0.2°左右，这一宽度可以视为由实验条件决定的晶体衍射峰的"最小宽度"）。如果这些"峰"明显地变宽，则可以判定样品中的晶体的颗粒尺寸将小于300nm，可以称之为"微晶"。晶体的X射线衍射理论中有一个Scherrer公式，可以根据谱线变宽的量估算晶粒在 该衍射方向上的厚度。 非晶质衍射图的特征是：在整个扫描角度范围内（从2θ 1°~2°开始到几十度）只观察到被散射的X 射线强度的平缓的变化，其间可能有一到几个最大值；开始处因为接近直射光束强度较大，随着角度的增加强度迅速下降，到高角度强度慢慢地趋向仪器的本底值。从Scherrer公式的观点看，这个现象可以视为由于晶粒极限地细小下去而导致晶体的衍射峰极大地宽化、相互重叠而模糊化的结果。晶粒细碎化的极限就是只剩下原子或离子这些粒子间的"近程有序"了，这就是我们所设想的"非晶质"微观结构的场景。非晶质衍射图上的一个最大值相对应的是该非晶质中一种常发生的粒子间距离。
1.用Highscore软件打开XRD文件，在第一个表格界面下选定.XRDML和.ASC，点击OK 即可。然后将该文件另存为.asc格式的文件。 2.用Micro soft excel软件将.asc文件中的数据导入，这样就可以将数据在excel表格中复 制下来粘到origin里，进一步作图分析了。 3.可以利用Highscore分析XRD谱图。 （1）将XRD的数据库（即PDF2文件夹）导入到highscore软件里。 ●将PDF2文件放在不含有汉字的（纯英文）的路径里，比如直接放在D盘的 话，路径即为D:/PDF2，这是可以的。 ● b.在highscore软件的上方的Customize里找到program setting …。在program setting的对话框里点击Reference Patterns，在这个界面下找到database conversion下方的PDF2，点击，并通过这下方的一个空白条目后的browse（浏 览）里在电脑找到PDF2文件夹。选定后在其下方的Extract user data from existing reference database打勾。 ●点击start conversion of ICDD Database。 这个导入的过程可能花费半个小时的时间。 （2）分析XRD数据 ●利用highscore软件打开XRD源文件， ●在Analysis的下拉菜单里面找到Search&March，然后在它的后拉条目中选Execute Search&March。 ●在弹出的对话框中点击restrictions，在Edit Restriction Sets…里找到Periodic Table…并 点击。select restriction set使用default选项 ●按照提示选择可能含有或者一定含有的元素，然后点击close。即会返回到Search&Match 的对话框，点击search。 ●寻峰完后，在lists pane里面出现一列表，表分为上下两部分。下部分都是具体数据。 上部分是空的。把自己想知道的元素的数据拖到上方表格中。谱图中就会出现与该元素拟合的峰。可以双击该元素的那行数据，查看有关该成分的具体情况。
名词解释 1、连续X射线谱：由波长连续变化的X射线构成，也称白色X 射线或多色X射线。 2、短波限：连续X射线谱在短波方向的最短波长，即光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X光子的波长，称为短波限λ0。 3、吸收限：指X射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须大于或等于将K电子从无穷远移至K层时所做的功W，称此时的光子波长λ为K系的吸收限。 4、X射线强度：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。 5、特征X射线谱：由一定波长的若干X射线叠加在连续谱上构成，也称单色X射线和标识X射线。 6、特征X射线：原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波。 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
7、光电效应：光与物质相互作用产生电子的现象。X射线与物质的相互作用可以看成是X光子与物质中原子的相互碰撞。当X光子具有足够能量时，可以将原子内层电子击出，该电子称为光电子。原子处于激发态，外层电子向内层空位跃迁，多余能量以辐射方式释放，即二次特征X射线或荧光X射线。这一过程即为X射线的光电效应。 ++ - M Mυ h → +e 8、倒易点阵：在晶体点阵（正点阵）基础上按一定对应关系构建的一个空间点阵。方向—倒易基矢垂直于正点阵中异名基矢构成的平面长度—倒易基矢与正点阵矢量间是倒 数关系 9、倒易矢量：由倒易原点指向任意倒易阵点的方向矢量。 10、布拉格方程：d-衍射晶面间距；θ-掠射角；λ-入射线波长；n-反射级数 11、反射球：以波矢量大小的倒数（1/λ）为半径,作一 AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF
材料物理专业2013级《材料分析测试方法A 》作业 第一章 电磁辐射与材料结构 一、教材习题 1-1 计算下列电磁辐射的有关参数： （1）波数为3030cm -1的芳烃红外吸收峰的波长（μm ）； （2）5m 波长射频辐射的频率（MHz ）； （3）588.995nm 钠线相应的光子能量（eV ）。 1-3 某原子的一个光谱项为45F J ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。 1-5 下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？ 12C 6、19F 9、31P 15、16O 8、1H 1、14N 7。 1-8 分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001）、（002）和（003）面，并据此回答： 干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？ 1-9 已知某点阵∣a ∣=3?，∣b ∣=2?，γ = 60?，c ∥a ×b ，试用图解法求r *110与r *210。 1-10 下列哪些晶面属于]111[晶带？ )331(),011(),101(),211(),231(),132(),111(。 二、补充习题 1、试求加速电压为1、10、100kV 时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多 少？ 第二章 电磁辐射与材料的相互作用 一、教材习题 2-2 下列各光子能量（eV ）各在何种电磁波谱域内？各与何种跃迁所需能量相适应？ 1.2×106~1.2×102、6.2~1.7、0.5~0.02、2×10-2~4×10-7。 2-3 下列哪种跃迁不能产生? 31S 0—31P 1、31S 0—31D 2、33P 2—33D 3、43S 1—43P 1。 2-5 分子能级跃迁有哪些类型？紫外、可见光谱与红外光谱相比，各有何特点？ 2-6 以Mg K α（λ=9.89?）辐射为激发源，由谱仪（功函数4eV ）测得某元素（固体样品） X 射线光电子动能为981.5eV ，求此元素的电子结合能。 2-7 用能级示意图比较X 射线光电子、特征X 射线与俄歇电子的概念。 二、补充习题 1、俄歇电子能谱图与光电子能谱图的表示方法有何不同？为什么？ 2、简述X 射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。 第三章 粒子（束）与材料的相互作用 一、教材习题 3-1 电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图3-3），哪些对应入射电子？哪些是由电子 激发产生的？
材料分析测试方法试题及答案 第一章电磁辐射与材料结构 1。名词，术语，概念 波数，分子振动，伸缩振动，变形振动(或弯曲振动，角振动)，干涉指数，晶体带，原子轨道磁矩，电子自旋磁矩，核磁矩2，填写空白 1，电磁波谱可分为三部分:①长波部分，包括()和()，有时习惯上称这部分为()(2)中间部分，包括()、()、和()，统称为()(3)短波部分，包括()和()(和宇宙射线)，可称为() 回答:无线电波(射频波)、微波、光谱、红外线、可见光、紫外线、光谱、x射线？射线光谱2.原子中电子的激发态跃迁到高能级或从高能级到低能级的过程称为()跃迁或()跃迁答:电子，能级 3，电子从高能级到低能级的跃迁可分为两种方式:跃迁过程中的过剩能量，即跃迁前后的能量差，以电磁辐射的形式释放出来，称为()跃迁；如果过剩的能量转化为热能等形式，这就叫做()跃迁回答:辐射，无辐射 4，分子的运动非常复杂，一般可以近似地认为分子的总能量(e)由()和()组成回答:电子能量，振动能量，旋转能量 5，分子振动可分为()振动和()振动回答:拉伸、变形(或弯曲、改变角度)6、分子伸缩振动可分为()和() 回答:对称伸缩振动、不对称伸缩振动(或反对称伸缩振动) 7和平面多原子(三原子及以上)分子的弯曲振动一般可分为()和()答:
面内弯曲振动，面外弯曲振动 8，干涉指数是晶面()和晶面()的标识，而晶面指数只标识晶面的()回答:空间方向，间距，空间方向 9，晶面间距分别为D110/2和d110/3，干涉指数为()回答:220，330 10，互易矢量r*HKL的基本性质:r*HKL垂直于正晶格中相应的(HKL)晶面，其长度？HKL？() 回答:对等(或1/dHKL) 11，萤石(CaF2)的(220)面的晶面间距D220为0.193 nm，其倒数向量r*220()是正晶格中的(220)面，长度？r*220？=() 答案:垂直，5.181 nm-1波长为200纳米的 12紫外光的波数为()厘米-1；波长为4000厘米-1的红外光的波长为()？m答案:50000，2.5(3)判断不同波长的 1电磁辐射具有不同的能量，大小顺序为:射频波>微波>红外线>可见光>紫外线> x射线？射线？ 2，加速电压越大，电子波的波长越长？ 3，当加速电压较大时，电子波的波长需要相对论修正。√ 4，干涉指数所代表的晶面不一定是晶体中真正的原子面，即干涉指数所代表的晶面上不一定有原子分布√ 5，干涉指数为(101)、(202)、(303)、(404)的晶面，其晶面指数均为(101)√ 6。原子分布在由立方中心晶格的干涉指数(200)表示的所有晶面上√ 7。在立方本原晶格的干涉指数(200)所代表的所有晶面上都发现了原子分布？8.正格和倒格之间的倒易关系√
XRD实验物相定性分析 一、实验目的 1、学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理。 2、掌握X射线衍射物相定性分析的原理和实验方法。 3、掌握X射线分析软件Jade5.0和图形分析软件OriginPro的基本操作。
二、实验仪器 D8 Advance 型X 射线衍射仪 组成：主要由X 射线发生器、测角 仪、辐射探测器、记录单元及附件（高 温、低温、织构测定、应力测量、试样 旋转等）等部分组成。 核心部件：测角仪 （1）测角仪 图2. 测角仪的光路图 X 射线源S 是由X 射线管靶面上的线状焦斑产生的线状光源。线状光源首 C-计数管；S1、S2-梭拉缝；D-样品；E-支架；K 、 L-狭缝光栏；F-接受光栏；G-测角仪圆；H-样品台； O-测角仪中心轴；S-X 射线源；M-刻度盘； 图1. 测角仪结构原理图
先通过梭拉缝S1，在高度方向上的发散受到限制。随后通过狭缝光栅K，使入射X射线在宽度方向上的发散也受限制。经过S1和K后，X射线将以一定的高度和宽度照射在样品表面，样品中满足布拉格衍射条件的某组晶面将发生衍射。衍射线通过狭缝光栏L、S2和接受光栏F后，以线性进入计数管C，记录X射线的光子数，获得晶面衍射的相对强度，计数管与样品同时转动，且计数管的转动角速度为样品的两倍，这样可以保证入射线与衍射线始终保持2θ夹角，从而使计数管收集到的衍射线是那些与样品表面平行的晶面所产生的。θ角从低到高，计数管从低到高逐一记录各衍射线的光子数，转化为电信号，记录下X射线的相对强度，从而形成 2 — I的关系曲线，即X射线衍射花样。 相对 （2）X射线发生器 图3. X射线产生装置 X 射线管实际上就是一只在高压下工作的真空二极管，它有两个电极：一个是用于发射电子的灯丝，作为阴极，另一个是用于接受电子轰击的靶材，作为阳极，它们被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。X射线管提供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。当钨丝通过足够的电流使其发生电子云，且有足够的电压（千伏等级）加在阳极和阴极间、使得电子云被拉往阳极。此时电子以高能高速的状态撞击钨靶，高速电子到达靶面，运动突然收到阻止，其动能的一小部分便转化为辐射能，以X射线的形式放出。产生的X射线通过铍窗口射出。 改变灯丝电流的大小可以改变灯丝的温度和电子的发射量，从而改变管电流和X射线强度的大小。改变X光管激发电位或选用不同的靶材可以改变入射X 射线的能量或在不同能量处的强度。 （3）计数器
材料分析测试方法复习题 第一部分 简答题： 1. X射线产生的基本条件 答：①产生自由电子； ②使电子做定向高速运动； ③在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。 2. 连续X射线产生实质 答：假设管电流为10mA，则每秒到达阳极靶上的电子数可达6.25x10（16）个，如此之多的电子到达靶上的时间和条件不会相同，并且绝大多数达到靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生一系列能量为hv（i）的光子序列，这样就形成了连续X射线。 3. 特征X射线产生的物理机制 答：原子系统中的电子遵从刨利不相容原理不连续的分布在K、L、M、N等 不同能级的壳层上，而且按能量最低原理从里到外逐层填充。当外来的高速度的粒子动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出去，于是在原来的位置出现空位，原子系统的能量升高，处于激发态，这时原子系统就要向低能态转化，即向低能级上的空位跃迁，在跃迁时会有一能量产生，这一能量以光子的形式辐射出来，即特征X射线。 4. 短波限、吸收限 答：短波限：X射线管不同管电压下的连续谱存在的一个最短波长值。 吸收限：把一特定壳层的电子击出所需要的入射光最长波长。 5. X射线相干散射与非相干散射现象 答： 相干散射：当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，电子振动时向四周发射电磁波的散射过程。 非相干散射：当X射线光子与束缚不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相撞时的散射过程。 6. 光电子、荧光X射线以及俄歇电子的含义 答：光电子：光电效应中由光子激发所产生的电子（或入射光量子与物质原子中电子相互碰撞时被激发的电子）。 荧光X射线：由X射线激发所产生的特征X射线。 俄歇电子：原子外层电子跃迁填补内层空位后释放能量并产生新的空位，这些能量被包括空位层在内的临近原子或较外层电子吸收，受激发逸出原子的电子叫做俄歇电子。 7. X射线吸收规律、线吸收系数 答：X射线吸收规律：强度为I的特征X射线在均匀物质内部通过时，强度的衰减与在物质内通过的距离x成比例，即-dI/I=μdx 。 线吸收系数：即为上式中的μ，指在X射线传播方向上，单位长度上的X射线强弱衰减程度。 8. 晶面及晶面间距 答:晶面：在空间点阵中可以作出相互平行且间距相等的一组平面，使所有的节点均位于这组平面上，各平面的节点分布情况完全相同，这样的节点平面成为晶面。 晶面间距：两个相邻的平行晶面的垂直距离。 9. 反射级数与干涉指数
相对于其它XRD分析软件，JADE系列软件应该说是做的最好的，它囊括了从定性，指标化，峰型拟合（JADE5.0）到无标定量，晶体结构分析（Jade6.0）等一系列的功能。我个人以为，只要有Jade5.0就够了，至于后面两项功能，最好是用其它免费软件执行（在https://www.doczj.com/doc/584630371.html,上应有尽有），傻瓜相机虽然好用，但要拍出好照片，还是专业相机好。NO1.Jade5.0的安装和设置 Jade5.0都是自动安装的，这不成问题。要把PDF卡片引入，先将ICDD的光盘插入，然后pdf/setup/select all/,其它按提示进行。 可以对优选项进行设置：EDIT/preference/,里面包括了对显示窗口的设置，仪器参数的设置，打印输出的设置等，一般来说按默认就行，我本人则喜欢将MISC栏里的“Materials Data, Inc.”改为我自己的大名 No2 数据的输入 Jade软件可以直接读取Rigaku、Bruker、Philips、Scintag等很多衍射仪的原始数据。打开File\patterns,将出现如附件中所示画面，先（I）找到你文件位置，从（III）的下拉框中选择你的数据格式，按（II）选择。很多仪器输出文件的格式都是*.raw,实际上都是不一样的，但格式选错了也没关系，软件会给你自动转到合适的格式中去的。 高级一点的：有一些数据格式在（III）的下拉框中没有，比如最常见的txt，xy等，此时你可以自己动手设置，在以上的数据输入面板中，点击工具栏上的“import",进入格式设置画面，如附件所示，a区为注释区，b区为数据格式区，对于最简单的一列角度，一列强度的数据格式，a区不用填写，b区在” angle column“前打上勾，数据从第1行开始读，每行1列数据，强度数据从第8行开始（角度不算），角度从1至6列，所得数据格式即为附件中所示的数据格式。你也可以按照自己的数据格式进行自由改动，如果a区中表明第1行有说明文字，则数据从第2行读入，相应在b区就将data starts改成2。 No 3 基本功能使用：平滑，扣背底 一张XRD图谱出来，往往因为有空气散射，漫散射，荧光以及样品结晶差等等原因而造成图谱上存在许多“毛刺”和较高的背底，虽然提高X光强度能成倍提高信噪比，然而有时受仪器和样品所限，这两项功能需要用到。但根据我个人的经验，要尽量少使用平滑和扣背底，因为这两项操作带来的可能后果就是将一些微弱的有用信息一概抹掉了，特别注意的是，如果将数据用来做Rietveld精修，更不要进行这两项操作。当然，如果是将图谱打印出来给别人看，适当进行平滑和扣背底也是个不错的选择。 1 平滑 打开Filters/smooth pattern或在快捷工具栏中右键点击也可。随后将出现一个悬浮框，最上面的一栏中方块可以直接用鼠标拖动，大家试试看图谱会有什么变化，拖到什么位置，根据情况而定，我的经验是将方块拖到尖峰的底部出现倒生的毛刺之前。再下面有“parabolic filter"和”quartic filter"的选择，选择后一个的效果稍好。再下面还有选择框，我一般都不管它。作完以上操作后，再用鼠标左键点击快捷工具栏中的平滑图标即可。 2 扣背底 打开analyze/fit background或在快捷工具栏中右键点击也可。随后也出现一个如附件中所示的悬浮框，（I）处所示代表了背底拟合的级数，点击越靠前，该级数越高，也可在右边选择是一次拟合，抑或二次和三次拟合，试情况而定，背底偏离线性越远，则拟合的级数要求越高。 背底曲线用黄线表示，红点代表了背底在局部的最高点，左键点击图谱上的某一处便可在此