3.5 X射线物相定性分析

物相定性分析的基本原理
物相定性分析是指通过对物质的性质、形态、结构等方面的观察和研究，来确定其物相的性质。

其基本原理可以总结为以下几点：
1. 形态特征分析：通过对样品的观察和描述，了解其形态特征。

包括物质的颜色、透明度、晶体外形等方面的观察。

2. 热学特性分析：通过测量样品的熔点、沸点、熔化热、蒸发热等热学性质，来确定物质的物相。

3. 表面性状分析：通过对样品的表面形貌进行观察和分析，包括颗粒形状、表面结构等方面的特征，来确定物质的物相。

4. 光学特性分析：通过测量样品的折射率、透射率、吸收谱等光学性质，来确定物质的物相。

5. 结构特征分析：通过使用X射线衍射、电子显微镜等分析
方法，来研究样品的晶体结构、分子结构等方面的特征，从而确定物质的物相。

通过以上的分析方法，结合物质的物理化学性质，可以较为准确地确定物质的物相，为后续的性质研究和应用提供基础数据和相关信息。

X射线衍射法进行物相定性分析实验目的及要求⏹了解X射线衍射仪的结构和工作原理；⏹掌握无机非金属材料X射线衍射分析的制样方法；⏹掌握X射线衍射物相定性分析的方法和步骤。

物相定性分析的基本原理2dsinθ=λ晶胞中原子种类、数量、排列方式（1） 任何一种物相都有其特征的衍射谱；任何两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的衍射峰是各物相衍射峰的机械叠加。

（2）制备标准单相物质的衍射花样：PDF卡片待分析物质(样品)的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相实验设备与结构D/max-RB型X射线衍射仪D/Max-RB型X射线衍射仪构造示意图主要组成部分有X射线发生器、测角仪、探测器、计算机控制处理系统等。

一、X射线管1、X-ray产生原理凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（如γ射线，X射线，中子流等）被突然减速时均能产生X射线。

热能 + 电磁波2、X射线机X射线管是X射线机的核心部件。

封闭式热阴极X射线管：热阴极、阳极、窗口、聚焦座、管座等滤波片可以获得近似的纯的kα辐射源为避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。

必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X 射线管。

原则是：靶材的Kα谱应位于试样元素K吸收限的右近邻或左面远离试样元素K吸收限的低质量吸收系数处。

二、测角仪测角仪是X射线衍射仪的核心部件梭拉光栏梭拉光栏防散射光栏衍射仪的光路图X射线经线状焦点S发出，经发散狭缝DS后，成为扇形光束照射在平板试样上，产生衍射，衍射线经接收狭缝RS进入探测器（即计数管）后被转换成电信号记录下来。

为了限制X射线的发散，在照射路径中加入S1梭拉光栏限制X射线在高度方向的发散，加入DS发散狭缝光栏限制X射线的照射宽度。

试样产生的衍射线也会发散，同样在试样到探测器的光路中也设置防散射光栏SS、梭拉光栏S2和接收狭缝光栏RS，这样限制后仅让聚焦照向探测器的衍射线进入探测器，其余杂散射线均被光栏遮挡。

◆工作时，试样与探测器同时转动，但转动的角速度为1 ： 2的比例关系。

关于XRD物相定量分析X射线衍射（XRD）是一种常用的分析技术，用于确定材料的物相组成，结构和晶体学信息。

XRD物相定量分析是通过测量样品对入射X射线的散射模式来分析样品中各组分的含量。

本文将详细介绍XRD物相定量分析的原理、方法和应用。

原理：XRD物相定量分析的原理基于布拉格方程：nλ = 2d sinθ，其中n 为整数，λ为入射X射线的波长，d为晶面间距，θ为散射角。

当X射线照射到晶体上时，会与晶体内的晶面相互作用，并产生散射。

不同晶面的晶面间距会导致不同散射角和散射强度的出现。

通过测量样品的散射模式，可以确定样品中的物相组成。

方法：XRD物相定量分析的方法主要有两种：定性分析和定量分析。

1.定性分析：通过比对实验测得的散射模式与已知标准样本的散射模式，可以确定样品中的物相种类。

这种方法常用于未知样品的初步分析和相的鉴定。

2.定量分析：通过测量散射峰的强度和位置，可以确定样品中各组分的含量。

定量分析需要建立标准曲线或参考曲线，以确定散射峰的位置和强度与物相含量之间的关系。

常用的定量分析方法有内标法、峰面积法和相对比例法等。

常用仪器：进行XRD物相定量分析需要使用X射线衍射仪。

X射线衍射仪由X射线源、样品台、衍射角度测量器和X射线探测器组成。

X射线源通常使用钴、铜或铬等发射入射X射线的金属。

应用：XRD物相定量分析在材料科学、地质学、矿物学、纺织业等领域具有广泛的应用。

1.材料科学：XRD物相定量分析可以用于研究材料的结构性质，例如晶胞参数、晶体结构和晶格畸变等。

它可以用于分析晶体中的杂质、晶形和晶轴取向等信息，并对材料的性能和性质进行评估和改善。

2.地质学和矿物学：XRD物相定量分析可用于矿石和岩石中矿物的鉴定和定量分析。

它可以确定矿物的种类、含量和分布情况，进而研究地质历史和矿床形成机制。

3.纺织业：XRD物相定量分析在纺织品中的应用主要用于分析纤维结构和纤维取向。

它可以评估纤维材料的质量和性能，并优化纺织工艺。

物相定性分析原理物相定性分析是一种常用的材料分析方法，其主要原理是通过观察和分析材料在特定条件下的各种物相，来确定材料的组成、结构、性质和变化规律。

物相指的是材料在固相、液相和气相之间的状态变化，通过观察和分析物相变化的特征，可以确定材料的晶体结构、晶体形貌、晶格常数、元素组成、晶格缺陷和晶体性质等信息。

物相定性分析的主要方法包括X射线衍射、电子衍射、红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜和透射电镜等。

这些技术能够提供关于晶体结构、成分和形貌的详细信息，从而揭示材料的内在性质和性能。

X射线衍射是物相定性分析中最常用的方法之一。

它利用X射线的特性和物质的晶体结构之间的相互作用，通过测量衍射图案来确定材料的晶体结构、晶格常数和晶面间距。

X射线衍射技术对晶体的要求比较高，只有具有一定程度的结晶性的材料才能通过X射线衍射进行分析。

通过X射线衍射分析，可以确定材料的晶体结构类型、晶胞参数和晶体取向。

电子衍射是一种通过电子束照射材料表面或薄片，利用电子与物质的相互作用来进行分析的方法。

电子衍射技术对样品的要求较低，可以分析非晶态材料或粉末材料的晶体结构。

通过电子衍射，可以确定材料的晶体结构、晶胞参数、相对晶格常数和晶体的取向。

红外光谱是一种通过测量物质在红外辐射下吸收和散射的光谱来进行分析的方法。

红外光谱可以用来研究物质的分子结构和化学键，通过分析红外光谱图谱，可以确定物质的官能团和化学组成。

拉曼光谱是一种通过测量物质在受到激发光照射时发生的光散射来进行分析的方法。

拉曼光谱对样品的要求较低，可以分析固态、液态和气态材料。

通过分析拉曼光谱图谱，可以确定物质的化学成分、结构和分子相互作用。

扫描电镜和透射电镜是通过利用电子束与样品相互作用，测量样品表面和内部结构的显微镜分析方法。

扫描电镜可以观察样品表面的形貌和结构特征，透射电镜可以观察样品的晶体结构、晶体形貌和晶格缺陷。

这两种电子显微镜技术对样品的要求较高，需要制备良好的样品。

06部分二、解析1.试阐述红外光谱分析的基础以及应用。

参考答案：红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生的物质能吸收红外光谱应满足两个条件：1.辐射应具有刚好恩那个满足物质跃迁时所需的能量；2.辐射与物质之间有相互作用（2）辐射与物质之间有相互作用，分子的偶极距必须发生变化的振动，分子振动的形式：1．伸缩振动ａ．对称伸缩振动ｂ．反对称伸缩振动2．变形和弯曲伸缩振动ａ．面内变形剪式振动面内摇摆振动ｂ．面外变形面外摇摆振动扭曲变形掘动红外光谱振动吸收带的类型：（１）Ｘ－Ｈ伸缩振动区（２）叁键和累积双键区（３）双键伸缩振动区（４）Ｘ－Ｙ伸缩振动区和Ｘ－Ｈ变形振动区红外光谱的应用：定性分析 1 试样的分离与精制 2. 了解与试样性质有关的其他方面的因素 3. 图谱的解析定量分析试题解析：1）知识点：红外光谱的基础与应用2）答题思路：综合两方面信息进行解答3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04.06，07年.2.什么是斯托克斯线、反斯托克斯线，试说明拉曼光谱与红外光谱是互补的。

参考答案：在拉曼散射中，若光子把一部分能量传递给样品分子，得到的散射光能量减少，在垂直方向测量到的散射光中，可检测一定频率的线，称为斯托克斯线。

反之，如果分子处于激发态，与光子发生非弹性碰撞就会释放能量而回到基态，得到反斯托克斯线。

1.拉曼光谱是一个散射过程，因此任何尺寸、形状、透明度的样品，只要能被激光照到，就可以直接进行测量，极微量的样品都可以照射到。

2. 水是极性很强的分子，因而其红外吸收非常强烈。

但水的拉曼反射却极微弱。

3.对于聚合物及其他分子，拉曼散射的选择定则限制较小，因而可以得到更丰富的谱带。

试题解析：1）知识点：拉曼光谱的基本知识2）答题思路：简述概念知识3）历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：06年。

3. 请说明下列图谱所代表聚合物的性质特征。

参考答案：谱带分析在新大纲中取消4. 请阐述电子与固体物质相互作用时产生的各种电子信号那些信号可以用于晶体研究？参考答案：1.背散射电子2. 二次电子3. 吸收电子4. 透射电子5. 特征X射线6.俄歇电子1.背散射电子2. 二次电子5. 特征X射线 6.俄歇电子均可进行晶体结构的研究试题解析：1）知识点：电子与固体物质相互作用2）答题思路：简述基本概念3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04，06，07年.5. DTA曲线用什么作为反应起始温度，为什么？参考答案：使用外延始点作为反应起始温度。

《材料分析测试技术》试卷（答案）一、填空题：（20分，每空一分）1. X射线管主要由阳极、阴极、和窗口构成。

2. X射线透过物质时产生的物理效应有：散射、光电效应、透射X射线、和热。

3. 德拜照相法中的底片安装方法有：正装、反装和偏装三种。

4. X射线物相分析方法分：定性分析和定量分析两种；测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的定量分析方法。

5. 透射电子显微镜的分辨率主要受衍射效应和像差两因素影响。

6. 今天复型技术主要应用于萃取复型来揭取第二相微小颗粒进行分析。

7. 电子探针包括波谱仪和能谱仪成分分析仪器。

8. 扫描电子显微镜常用的信号是二次电子和背散射电子。

二、选择题：（8分，每题一分）1. X射线衍射方法中最常用的方法是（ b ）。

a．劳厄法；b．粉末多晶法；c．周转晶体法。

2. 已知X光管是铜靶，应选择的滤波片材料是（b）。

a．Co ；b. Ni ；c. Fe。

3. X射线物相定性分析方法中有三种索引，如果已知物质名时可以采用（c ）。

a．哈氏无机数值索引；b. 芬克无机数值索引；c. 戴维无机字母索引。

4. 能提高透射电镜成像衬度的可动光阑是（b）。

a．第二聚光镜光阑；b. 物镜光阑；c. 选区光阑。

5. 透射电子显微镜中可以消除的像差是（ b ）。

a．球差；b. 像散；c. 色差。

6. 可以帮助我们估计样品厚度的复杂衍射花样是（a）。

a．高阶劳厄斑点；b. 超结构斑点；c. 二次衍射斑点。

7. 电子束与固体样品相互作用产生的物理信号中可用于分析1nm厚表层成分的信号是（b）。

a．背散射电子；b.俄歇电子；c. 特征X射线。

8. 中心暗场像的成像操作方法是（c）。

a．以物镜光栏套住透射斑；b．以物镜光栏套住衍射斑；c．将衍射斑移至中心并以物镜光栏套住透射斑。

三、问答题：（24分，每题8分）1.X射线衍射仪法中对粉末多晶样品的要求是什么？答：X射线衍射仪法中样品是块状粉末样品，首先要求粉末粒度要大小适中，在1um-5um之间；其次粉末不能有应力和织构；最后是样品有一个最佳厚度（t =2.分析型透射电子显微镜的主要组成部分是哪些？它有哪些功能？在材料科学中有什么应用？答：透射电子显微镜的主要组成部分是：照明系统，成像系统和观察记录系统。

X 射线物相定性分析实验一、简述X 射线物相定性分析的原理和方法晶体的X 射线衍射图像是晶体微观结构形象的一种精细复杂的变换。

由于每一种结晶无知，都有特定的结构参数，与众不同，其结果是实验得出的衍射图谱都跟一种特定的物质对应。

如果事先对每种单相物质都测定一组晶面间距d 值和相应的衍射强度(相对强度)，并制成PDF 卡片。

将实验测定的衍射图谱数据与粉末衍射文件中某一卡片上的数据相比较，从而判定未知物相。

二、实验过程分析1、制作样品，放入实验样品仓。

开启X 射线衍射仪，打开X 射线衍射仪控制操作系统，校读系统，使X 射线探测器转到起始测量角度。

2、开始测量，设置角度测量范围、操作者和样品名。

3、测量结束，保存数据到相应的专业子目录。

4、打开图谱分析软件，选择图像平滑点数，使图像平滑并打印图像。

5、根据衍射图谱，首先选出衍射峰，测量出对应的2θ和波峰净高度。

6、由布拉格衍射公式换算出晶面间距d ；选最高峰I 1为100，换算出其它峰相应的I/ I 1。

三强线数据如下：d 1 d 2 d 3 I 1 I 2 I 33.25 1.68 2.49 100 51 457、根据三强线进行数字检索，经过d 和相对强度的仔细对比，查得相应的索引数据为：8、在卡片柜里找出卡片号为4-0551的卡片，根据卡片数据列出详细的数据对比如下：实验数据 卡片号4-05512θ d 值 I/ I 1d 值I/ I 1 27.44 3.251 100 3.245 100 36.12 2.486 45 2.489 41 2.297 7 41.25 2.18 19.9 2.188 22 2.054 9 54.42 1.686 51.98 1.68 50 56.71 1.62 14.9 1.624 161.48 8d 1d 2d 3I 1 I 2 I 3 化学式英文名称卡片号3.25 1.69 2.49 100 50 41TiO 2 TiTaniu Dioxide 4-05511.453 669.12 1.36 12 1.36 1669.71 1.349 7 1.347 71.305 11.243 31.2 11.17 4误差定性分析：样品制作的时候，表面不可能绝对平整以及粉末在样品框窗口分布的不均匀，可能导致相对强度的测量没有和PDF卡片理想的吻合。

实验X射线物相分析1．了解X射线衍射仪的结构及工作原理。

2．掌握X射线衍射物相定性分析的原理、实验方法以及物相检索方法。

二、实验原理当一束单色X射线照射到某一结晶物质上，由于晶体中原子的排列具有周期性，当某一层原子面的晶面间距d与X射线入射角θ之间满足布拉格（Bragg）方程：2d sinθ= λ（λ为入射X射线的波长）时，就会产生衍射现象。

X射线物相分析就是指通过比较结晶物质的X射线衍射花样来分析待测试样中含有何种或哪几种结晶物质（物相）。

任何一种结晶物质都有自己特定的结构参数，即点阵类型、晶胞大小、晶胞中原子或离子的数目、位置等等。

这些结构参数与X射线的衍射角θ和衍射强度I有着对应关系，结构参数不同则X射线衍射花样也各不相同。

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，不存在两种衍射花样完全相同的物质。

通常用表征衍射线位置的晶面间距d（或衍射角2θ）和衍射线相对强度I的数据来代表衍射花样，即以晶面间距d为横坐标，衍射相对强度I为纵坐标绘制X射线衍射图谱。

目前已知的结晶物质有成千上万种。

事先在一定的规范条件下对所有已知的结晶物质进行X射线衍射，获得一套所有结晶物质的标准X射线衍射图谱（即d-I数据），建立成数据库。

当对某种材料进行物相分析时，只需要将其X射线衍射图谱与数据库中的标准X射线衍射图谱进行比对，就可以确定材料的物相，如同根据指纹来鉴别人一样。

各种已知物相X射线衍射花样的收集、校订和编辑出版工作目前由国际性组织“粉末衍射标准联合委员会（JCPDS）”负责，每一种物相的X射线衍射花样制成一张卡片，称为粉末衍射卡，简称PDF卡，或称JCPDS卡。

通常的X射线物相分析即是利用PDF卡片进行物相检索和分析。

当多种结晶物质同时产生衍射时，其衍射花样也是各种物质自身衍射花样的机械叠加——它们相互独立，不会相互干涉。

逐一比较就可以在重叠的衍射花样中剥离出各自的衍射花样，分析标定后即可鉴别出各自物相。

简述x射线物相定性分析原理
X射线物相定性分析原理是利用物质对X射线的散射和吸收特性，通过分析X射线衍射图像来确定物质的晶体结构和组成。

具体步骤如下：
1. 收集X射线衍射数据：将待分析的样品放置在X射线源和衍射仪之间，然后通过控制X射线源的位置和角度，使得X 射线射向样品。

样品中的原子核和电子会与入射的X射线发生相互作用，产生散射和吸收。

2. 衍射图像记录：当入射的X射线通过样品时，会被样品中的原子散射，并形成一系列新的X射线波，这些波会构成一个或多个衍射峰。

这些衍射峰的强度和位置与样品内部晶体的结构和组成之间存在一定的关系。

使用X射线探测器记录衍射图像，将衍射峰的位置和强度信息转化为电信号。

3. 数据处理：通过对衍射图像进行数据处理，可以得到衍射峰的位置和强度信息。

这些数据可以被用来确定样品中的晶体结构和组成。

根据布拉格方程和衍射峰的位置，可以计算出晶体的晶格常数、晶胞参数以及晶体内部的原子位置和排列方式。

衍射峰强度的分析可以提供关于晶体中原子的种类和数量的信息。

4. 物相确定：将样品的衍射图像与已知物相的标准衍射图像进行比对，通过衍射峰的匹配来确定样品中的物相。

每种物相具有特定的衍射峰位置和强度，通过对比实验测得的衍射图像和已知物相的衍射图像，可以确定样品中存在的物相类型。

总之，X射线物相定性分析原理是基于X射线与样品之间的散射和吸收特性，通过对衍射图像进行数据处理和比对，来确定样品中的物相类型和晶体结构组成。

实验四X射线衍射技术及定性相分析一、实验目的与任务1. 了解衍射仪的结构原理与衍射实验技术。

2. 掌握X射线定性相分析的基本原理和方法。

3. 测绘一个单相矿物和一个混合物的衍射图，并根据衍射数据作出物相鉴定。

实验四衍射仪的结构原理和样品衍射实验二. 衍射仪的结构和原理衍射仪是进行X射线分析的重要设备，主要由高压控制系统、测角仪、记录仪和水冷却系统组成。

新型的衍射仪还带有条件输入和数据处理系统。

图7示出了X射线衍射仪框图。

图7 X射线衍射仪框图测角仪是衍射仪的重要部分，其几何光路如图8所示。

X射线源焦点与计数管窗口分别位于测角仪圆周上，样品位于测角仪圆的正中心。

在入射光路上有固定式梭拉狭缝S1和可调式发射狭缝K，在反射光路上也有固定式梭拉狭缝S2和可调式防散射狭缝L与接收狭缝F，有的衍射仪还在计数管C前装有单色器。

当给X光管加以高压，产生的X射线经由发射狭缝照射到样品上，晶体中与样品表面平行的面网，在符合布拉格条件时即可产生衍射而被计数管接收。

当计数管在测角仪圆所在平面内扫描时，样品与计数管以1：2速度连动。

因此，在某些角位置能满足布拉格条件的面网所产生的衍射线将被计数管依次记录并转换成电脉冲信号，经放大处理后通过记录仪描绘成衍射图。

图8 测角仪光路布置图2. 衍射实验方法X射线衍射实验方法包括样品制备、实验参数选择和样品测试。

（1）样品制备在衍射仪法中，样品制作上的差异对衍射结果所产生的影响，要比照相法中大得多，因此，制备符合要求的样品，是衍射仪实验技术中重要的一环，通常制成平板状样品。

衍射仪均附有表面平整光滑的玻璃的或铝质的样品板，板上开有窗孔或不穿透的凹槽，样品放入其中进行测定。

1）粉晶样品的制备①将被测试样在玛瑙研钵中研成10μm左右的细粉；②将适量研磨好的细粉填入凹槽，并用平整光滑的玻璃板将其压紧；③将槽外或高出样品板面的多余粉末刮去，重新将样品压平，使样品表面与样品板面一样平齐光滑。

若是使用带有窗孔的样品板，则把样品板放在一表面平整光滑的玻璃板上，将粉末填入窗孔，捣实压紧即成；在样品测试时，应使贴玻璃板的一面对着入射X射线。

XRD实验物相定性分析报告X射线衍射（XRD）是一种常用的非破坏性物相分析方法，可用于定性和定量分析样品的晶体结构、晶体相、晶格常数等信息。

在本次XRD实验中，我们将对一系列样品进行物相定性的分析。

首先，我们选取了五个不同的样品进行实验。

这些样品包括纯净的金属铜、金属铝以及复合样品铜铝合金，以及两种不同的无机化合物（氧化铜和氧化铝）。

实验使用的仪器是一台经典的X射线粉末衍射仪。

在实验中，我们首先对每个样品进行了样品的制备。

对于金属样品，我们使用细砂纸对其进行打磨，以获得光滑的表面；对于化合物样品，我们使用电子天平仔细称取，并在细砂纸上打磨以获得细粉末。

接下来，我们将样品放置在玻璃制的样品台上，并确保样品表面的平整度和均匀性。

然后，我们调整仪器的参数，例如电压和电流，以获得最佳的实验条件。

最后，我们通过旋转样品台来获取样品在不同角度下的衍射图谱。

根据实验得到的衍射图谱，我们可以观察到不同样品之间的显著差异。

在所有样品中，我们观察到了数个有强衍射峰的峰位，这些峰位对应于不同的晶面。

通过与标准晶体数据库进行对比，我们可以确定每个样品的物相。

在金属铜样品中，我们观察到了强衍射峰位于2θ角为43.3°和50.4°左右，这是金属铜的典型衍射峰。

通过与数据库的对比，我们可以确定金属铜的物相。

对于金属铝样品，我们观察到了强衍射峰位于2θ角为38.7°和44.7°左右，这是金属铝的典型衍射峰。

通过与数据库的对比，我们可以确定金属铝的物相。

对于铜铝合金样品，我们观察到了金属铜和金属铝的衍射峰，这表明该样品是铜铝合金。

通过在数据库中查找铜铝合金的物相，我们可以进一步确定其组成和晶体结构。

对于氧化铜样品，我们观察到了强衍射峰位于2θ角为35.5°和38.8°左右，这是氧化铜的典型衍射峰。

通过与数据库的对比，我们可以确定氧化铜的物相。

对于氧化铝样品，我们观察到了强衍射峰位于2θ角为37.8°和43.6°左右，这是氧化铝的典型衍射峰。