下载文档原格式
X射线衍射物相分析开课实验室：环境资源楼105【实验目的】（1）了解Philips射线衍射仪的基本结构和工作原理；（2）基本掌握样品测试过程；（3）掌握利用衍射图进行物相分析的方法。
【基本原理】•原理概述：晶体晶面间距约为10-10m量级，与X射线波长范围（0.1-10埃）相符合，因此X射线在遇到晶体时，可能发生衍射现象，从而推测出其结构信息；•X射线与特征（或标识）X射线：X射线是一种波长很短的电磁波，穿透能力强；在用电子束轰击金属靶，如铜，产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线。
对铜靶来说，其中包含Kα1、Kα2及Kβ三种特征X射线；•X射线衍射：将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
但并不是所有情况下X射线都发生衍射，其必须满足的条件是布拉格方程：2d sin θ=nλ即当λ确定且n=1（一次衍射）时，则只有当θ角满足：θ=arcsin!!!"时才可发生衍射。
故根据布拉格方程，通过合理地转动样品、X光管和接收器，调整θ角，扫描一张谱图，则可以得到这一晶体样品的结构信息；•晶体X射线衍射图谱：由于每种晶体其X光衍射都有一组特定的d值，粉末线的分布是一定的；每种晶体内原子排列也是一定的，因此衍射线的相对强度也是一定的，每一个晶体都有一套特征的粉末衍射数据d-I 值，并可把它作为定性鉴定物质和物相的依据。
对晶体微观结构精细的形象变换，每种晶体结构与其X射线衍射图之间有着一一对应的关系，任何一种晶态物质都有自己独特的X射线衍射图，而且不会因为与其它物质混合在一起而发生变化，是X射线衍射法进行物相分析的依据。
规模最庞大的多晶衍射数据库是由JCPDS编篡的《粉末衍射卡片集》（PDF）。
•粉末衍射卡片索引：包括：粉末衍射卡片哈氏索引（Hanawalt），芬克索引（Fink Index）和戴维字母索引（Alphabetical Index）；1、哈氏数值索引：每一种的数据在索引中占一横行，依次有：八条强谱线晶面间距数值，化学式卡片顺序号，查阅时把晶体面间距按衍射峰强弱排列成d1,d2,d3----，找到d1再找d2值，一直顺序找到第八值，从而可查的对应八强线的卡片顺序号，但也可用前三强的d值，按下列排列方式查找：d1d2d3,d2d3d1, d3d1d2,在哈氏数值索引中出现三次；2、芬克索引：也属于数值索引，不过它是以每种物质的八条强线晶面间距d作为该物质特征，芬克索引的编制是按各种物质八条强线中第一个d值的递减次序划分成组。
X射线衍射分析X射线衍射相分析（phase analysis of xray diffraction）利用X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的技术。
目录简介应用实例认真内容理论进展简介X射线衍射相分析（phase analysis of xray diffraction）利用X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的技术。
每一种结晶物质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参数，用具有充足能量的x射线照射试样，试样中的物质受激发，会产生二次荧光X射线（标识X射线），晶体的晶面反射遵从布拉格定律。
通过测定衍射角位置（峰位）可以进行化合物的定性分析，测定谱线的积分强度（峰强度）可以进行定量分析，而测定谱线强度随角度的变化关系可进行晶粒的大小和形状的检测。
应用实例样品要求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，假如面积太小可以用几块粘贴一起。
2、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。
3、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，并进行一般抛光或电解抛光，除去表面应变层。
4、粉末样品要求磨成320目的粒度，约40微米。
粒度粗大衍射强度低，峰形不好，辨别率低。
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。
5、粉末样品要求在3克左右，假如太少也需5毫克。
6、样品可以是金属、非金属、有机、无机材料粉末。
应用范围物相分析晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细多而杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会由于它种物质混聚在一起而产生变化，这就是X射线衍射物相分析方法的依据。
制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对比，从而确定物质的构成相，就成为物相定性分析的基本方法。
实验17 X射线粉末法测定晶体结构实验目的1. 掌握X射线粉末法的基本原理，初步了解X射线衍射仪的构造和使用方法；2. 根据X射线粉末衍射谱图，分析鉴定多晶样品的物相。
实验原理通过物质结构课的学习，我们已经知道：晶体具有周期性结构，凡是结晶物质，都具有其特有的晶体结构类型，它的晶胞大小、晶胞中所含原子、离子或分子的数目以及它们在晶胞中所处的位置也各具特征，所以在X射线照射下，呈现出具有衍射特征的物相图，如同人的指纹一样。
例如金刚石和石墨，它们的化学成分相同，但由于其碳原子间的结构不同，因此两者物相图上的衍射数据是不同的，这用一般的化学分析方法是无法区别的。
此外，几种单质晶体混合在一起时，也能在物相图中定性定量地鉴定出来，这是我们用X射线衍射法进行物相分析的基础。
图17-1 原子在晶体中的周期性排列由于晶体的周期性结构，一个立体的晶体结构，可以看成是一些完全相同的原子平面网按一定距离d1平行排列而成，也可以看成是另一些原子平面网按另一距离d2排列而成，如图17-1所示。
故一个晶体必存在着一组特定的d值(d1, d2, d3, …)，结构不同的晶体其d值组决不相同，这样可以用它来表示晶体的特征。
X射线粉末法就是通过测定d值组来确定晶体结构，下面简述其方法。
假定晶体中某一方向上原子面网之间的距离为d，X射线以夹角θ射入晶体，如图17-2所示，从原子面网P1和P2上产生二条衍射线D1、D2，其光程差为Δ=AB+BC=nλ，而AB=BC=d sinθ，故AB+BC=2d sinθ。
我们知道，只有当光程差等于入射光波长λ的整数倍n 时，也就是d和θ之间应满足布拉格(Bragg)方程，2d sinθ=nλ（17-1）才能产生加强的衍射线。
图17-2 原子平面网对X射线的衍射图17-2表示的是与入射的X射线成θ夹角的某一晶面的衍射情况。
如果将图17-2中这个晶面以θ为夹角绕入射的X射线为轴旋转一周，则衍射线形成连续的圆锥体表面。
X射线衍射物相分析实验指导书材料科学与工程学院X射线衍射物相分析一、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FDF(ASTM）卡片及索引对多相物质进行相分析。
二、X射线衍射仪简介传统的衍射仪由X射线发生器、测角仪、记录仪等几部分组成。
图1-1是目前常用的热电子密封式X射线管的示意图。
阴极由钨丝绕成螺线形，工作时通电至白热状态。
由于阴阳极间有几十千伏的电压，故热电子以高速撞击阳极靶面。
为防止灯丝氧化并保证电子流稳定，管内抽成 1.33x10-9~1.33x10-11的高真空。
为使电子束集中，在灯丝外设有聚焦罩。
阳极靶由熔点高、导热性好的铜制成，靶面上被一层纯金属。
常用的金属材料有Cr，Fe, Co, Ni, Cu, M O, W等。
当高速电子撞击阳极靶面时，便有部分动能转化为X 射线，但其中约有99%将转变为热。
为了保护阳极靶面，管子工作时需强制冷却。
为了使用流水冷却．也为了操作者的安全，应使X射线管的阳极接地，而阴极则由高压电缆加上负高压。
x射线管有相当厚的金属管套，使X射线只能从窗口射出。
窗口由吸收系数较低的Be片制成。
结构分析用X射线管通常有四个对称的窗口，靶面上被电子袭击的范围称为焦点，它是发射X射线的源泉。
用螺线形灯丝时，焦点的形状为长方形（面积常为1m m×10mm），此称为实际焦点。
窗口位置的设计，使得射出的X射线与靶面成60角（图1-2），从长方形的短边上的窗口所看到的焦点为1mm2正方形，称点焦点，在长边方向看则得到线焦点。
一般的照相多采用点焦点，而线焦点则多用在衍射仪上。
图1-2 在与靶面成60角的方向上接收X射线束的示意图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。
图2-1为日本理光光学电机公司生产的D/max-B型自动化衍射仪工作原理方框图。
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。
衍射线被探测器所接收，电脉冲经放大后进人脉冲高度分析器。
资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载X射线多晶衍射实验报告地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容X射线多晶衍射实验报告摘要：本实验主要利用X射线粉末干涉仪分别测定四种样品A、B、C、D的衍射图谱，对样品进行了物相分析。
通过X射线粉末衍射分析得到样品A为的组分为晶体；样品B为晶体，且样品B的晶粒大小为：244.68±0.3360；样品C为和的混合物，且与的质量比例为1：1；样品D同样是和的混合物，质量比例为50:11.关键词：X射线粉末衍射；物相分析；衍射图谱引言：X射线是一种波长很短的电磁波，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。
1912年德国物理学家 HYPERLINK "/view/416052.htm" \t "_blank" 劳厄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。
获得多晶衍射图的方法有两种：德拜照相法和衍射仪法。
20世纪50年代初X射线粉末衍射仪开始代替德拜照相法记录粉末衍射数据，而德拜照相法逐渐被淘汰，因为x射线粉末衍射仪法在材料物相的定性、定量测量方面有明显的有优势。
本实验主要通过对X射线粉末衍射仪的了解与运用，从而进一步熟悉定性物相分析和PDF数据库的使用方法，了解定性物相分析、精确测定晶格常数以及晶粒大小测量等实验方法。
实验原理：1、X射线发生器X射线发生器主要是由X射线管、高压发生器、管压管流稳定电路和各种保护电路组成。
实验十七 X 射线多晶衍射法物相分析1 目的要求(1) 掌握X 射线多晶衍射法的实验原理和技术。
(2) 学会根据X 射线衍射图，使用X 射线粉末衍射索引和卡片进行物相分析。
2 基本原理若以 代表晶体的一族晶面的指标， 是这族晶面中相邻两平面的间距，入射X 射线与这族晶面的夹角 满足下面布拉格方程时，就可产生衍射。
式中n 为整数，表示相邻两晶面的光程差为n 个波，所以n 又叫衍射级数，式中 常用 表示， 称为衍射指标，它和晶面指标是整数位关系。
当单色X 射线照到多晶样品上时，由于多晶样品中含有许许多多小晶粒，它们取向随机地聚集在一起，同样一族晶面和X 射线夹角为θ的方向有无数个，产生无数个衍射，形成以入射线为中心， 为顶角的衍射圆锥，它将对应于X 射线衍射图谱的一个衍射峰。
多晶样品中有许多晶面族，当它们符合衍射条件时，相应地会形成许多以入射线为中心轴张角不同的衍射线。
不同的晶面其晶面间距不同，可见晶面间距决定了衍射峰的位置，而晶面间距d 是晶胞参数的函数，所以衍射峰的位置是由晶胞参数所决定的。
至于衍射峰的强度I 与结构因子｜F ｜2成正比，而｜F ｜2是晶胞内原子的种类、数量、坐标的函数，因此，衍射强度是由晶胞的结构所决定的。
由于每一种晶体都有它特定的结构，不可能有两种不同的晶体物质具有完全相同的晶胞参数和晶胞结构，也就不会有两种不同的物质具有完全相同的衍射图，晶体衍射图就象人的指纹一样各不相同，即每种晶体都有它自己的“d/n ～I ”数据，可以据此来鉴别晶体物质的物相。
若一物质含有多种物相，这几种物相给出各自的衍射图，彼此独立，互不相干，即由几种物相组成的固体样品的衍射图，是各个物相的衍射图，按各物相的比例，简单叠加在一起构成的。
这样就十分有利于对多相体系进行全面的物相分析了。
国际粉末衍射标准联合会(JCPDS)已收集了几万种晶体的衍射标准数据，并编制了一套X 射线粉末衍射卡片(PDF ，其内容和检索方法见附2)。
实际工作中只要测得试样的多晶衍射数据，再去查对粉末衍射卡片，即可鉴定试样，进行物相分析。
3 仪器 试剂X 射线衍射仪 玛瑙研钵分样筛 粉末样品板选择若干合适晶体的未知物样品4 实验步骤(1)预习：有条件的情况下，利用附1介绍的X 射线多晶衍射法物相分析的模拟软件，预习X 射线多晶衍射法进行物相分析的基本过程。
(2)制样：用玛瑙研钵将样品研细后，通过325目筛，将筛下物放在样品板的槽内，略高于槽面，用不锈钢片适当压紧样品，且表面光滑平整，必要时可滴一层酒精溶液(或溶有少量苯乙烯的甲苯溶液)，然后将样品板轻轻地插在测角仪中心的样品架上。
(3)测试： ①首先打开冷却水阀门和总电源及计算机稳压电源。
②打开X 射线发生器总电源，将稳压、稳流调节至最小值，关好防护罩门，调整好水量，)(l k h '''l k h d '''l n k n h n '''θλθn d l n k n h n l k h =''''''sin 2l n k n h n '''hkl hkl θ4待X 射线准备(READY)指示灯亮时，可打开X 光机。
③打开测量记录柜电源，调整速率计的时间常数和量程，调整走纸速度，安好记录笔后打开记录仪电源，按下记录笔按钮。
④打开计算机电源，在0号和1号驱动器分别插入系统盘和数据盘，并输入测量日期和时间。
⑤选择工作内容(F 测量)和设定计数管高压及脉高分析器的基线和窗口。
⑥输入电压、电流、靶材等测试条件以及扫描方式、重复次数、扫描范围、速度、取样间隔、停留时间、文件名称和各狭缝大小等测量工作程序。
事先测准测角仪的零点数值，存入磁盘中，按要求输入后，仪器将测角仪自动调零。
⑦输入测量程序号 ，则测量工作开始进行。
⑧待测量工作完成后，先退掉管流，再退掉管压。
⑨关闭X 射线电源开关和记录仪开关。
将计算机转入结束状态，取出磁盘，并关计算机。
关掉记录柜开关，撕下记录的图谱，将记录笔取下，并戴好笔帽。
⑩10min 后，关闭循环水泵电源开关，关掉冷却水。
切断稳压电源和总电源开关。
5 数据处理(1)衍射图上沿记录纸运转方向代表衍射角θ2的坐标，与θ2坐标垂直的方向代表衍射线的强度 从衍射图上找出所有的衍射峰，并求出它们所对应的θ2和 值(以衍射峰的高度近似地表示衍射强度)。
(2)按照布拉格方程λθ=sin 2d ，因λ和θ已知，故可计算出各晶面的d 值，以最强衍射线的强度 为100，求出其余各条衍射线的相对强度 。
(3)将θ2＜90°的三条最强线，按顺序排好( 、 、 及对应的 、 、 )，然后按照强度顺序将其余的五条次强线排列在它们的后面( 、 、 、 、 及对应的 、 、 、 、 )。
根据最强线的晶面间距 ，在Hanawalt 索引(见附2)上找到所属的分区，根据 、 大致判断试样可能是什么物质，再根据 、 、… 进一步确认。
若 、 、…、 的数值及相对强度顺序与索引上列出的某一物质的数据基本一致，可初步确定试样中含有该物质，记下该物质的卡片号。
此步骤也可使用Fink 索引，或是将 、 轮流作为最强线，重复检索。
(4)找出该物质的卡片，将卡片上所有衍射峰的d 值及I 值与实验值核对，全部符合时即可肯定物相的存在，记下该物质的名称及所需的资料。
6 注意事项(1)粉末法要求样品磨得非常细，以尽量满足使每一个晶面上各个方向上几率相等的要求；在样品压片时，只能垂直方向压，不能横向的搓动，以防止可能出现的择优取向。
(2)X 射线对人体会产生伤害，在实验过程中应注意防护。
(3)由于卡片所载实验条件与我们的实验条件不一定完全一致，而且即使条件一致，也会存在系统误差，所以所摄取的衍射图d 值与卡片的d 值是会有区别的。
在查找索引及卡片时，要考虑这个误差范围。
(4)由于仪器稳定性、制样技术等多方面的原因，强度顺序有可能颠倒，但强、中、弱的大致顺序是不会变化的。
所以，我们对于d 值的符合程序一般要求较严，而对强度的要求， 则不必过于认真。
(5)在将试样的“ ”与卡片上的“ ”对比时，必须有整体观念。
因 21n n 1I I 1/I I i o I 1d 2d 3d 1I 2I 3I 4d 5d 6d 7d 8d 4I 5I 6I 7I 8I 1d 2d 3d 4d 5d8d 1d 2d 8d 2d 3d 1/I I d —1/I I d —1/I I d —为并不是一条衍射线代表一个物相，而是一套特定的“”数据才代表一个物相。
因此，若是有一条强线完全对不上，即可否认该物相的存在。
(6)若为混合物相，找到一个物相后，再鉴定另一物相，在扣除第一个物相的衍射线时，应考虑到衍射线的重叠等现象。
另外如果某一物相在混合物中含量很低时，则有可能不出现第二个d值或第三、第四个d值的衍射线。
7 思考题(1)实验中如何才能得到好的衍射图?(2)布拉格方程并未对衍射级数n和晶面间距d作任何限制，但实际应用中为什么只用到数量非常有限的一些衍射线?(3)将实验所得衍射线条数及相对强度与卡片中的一一对照，完全一致吗?试说明误差来源。
附1：X射线多晶衍射法物相分析的微机模拟晶体的X射线衍射是结构测定的重要手段之一，现已广泛应用于冶金、电子、化工、地质、机械等领域。
但由于X射线衍射仪价格昂贵，不少高校都没有装备这种仪器，即使有这类仪器的学校，也主要是用于科学研究，在基础物理化学实验中很少有机会安排使用。
因而利用计算机模拟X射线衍射实验就显得十分必要，学生们通过使用该软件进行练习，可基本上掌握X射线多晶衍射法进行物相分析的全过程，加深对该实验原理的认识。
另一方面，对初次使用X射线衍射仪的用户，利用该软件预习仪器的正确使用方法和操作步骤，对减少仪器损坏、降低差错率、提高实验速度也是十分有益的。
(1)程序功能和设计思想：本软件可动态模拟X射线多晶衍射法进行物相分析的具体操作过程。
程序框图如图(Ⅱ-27-1)所示。
①测试过程的模拟：测试开始前在屏幕左侧绘出衍射仪图，其中包括X光管、衍射仪轨道、计数管，样品以矩形薄片代表，安置在衍射仪测角器的中心。
测试开始，X射线入射到晶体上产生衍射，样品每隔0.01度，衍射线和计数管每隔0.02度绘出和擦去一次，产生样品按一定速度转动θ角，计数管则以2倍的速度转动θ2角的动画效果。
②实测衍射图谱的绘制：首先选取多晶纯样NaCl、CaF2、CaCO3、KBr及混合样NaCl+CaCO3，CaF2+KBr进行实际测试，实验时取衍射角θ从50～400变化，每隔0.020采集一个数据，将每一样品的数据在计算机上建立一个数据文件。
测试开始后，衍射图谱的绘制与上述测试过程同步进行，从数据文件中读出衍射强度数据，根据样品最强峰数值的大小，决定是否对全部衍射数据放大或缩小一定的倍数，用画线语句将各点连接起来，形成一幅衍射强度图。
衍射图上方动态显示出θ2角数值和该角度处的衍射强度。
开始显示主菜单K.已知样U.未知样选择或，输入样品代码显示测试条件屏幕左侧绘出测试原理图理X射线入射到晶体上发生衍射晶体转动θ角时，计算转动2θ角屏幕右侧同步绘制衍射图谱数据收集完成，原理图消失衍射图谱平移于屏幕中央衍射图谱下方绘出样品的峰位峰高图分析样品可能存在物相并用其标准谱与样品谱逐一对照确定出待测样品的物相是继续测样否结束图21-1 程序框图③物相分析：待数据收集完成后，消去衍射仪图，衍射图谱移到屏幕正上方，将每一衍射峰高和相应的 2数值取出，在图谱下方绘出峰高峰位图。
将每一纯物质从PDF上查得的标准数据建立数据文件，倒立绘在样品谱峰高峰位图上，将样品中可能存在物相的标准谱逐一与测量谱对照，通过谱线对照确认样品存在该物相后，将样品谱中该物相的相应谱线改变颜色，继续下一物相标准谱的对照，最终确定出待测样包含的全部物相。
(2) 程序使用方法：本程序采用Turbo BASIC语言编程，并已编译成可执行文件，适用于486系列微机，VGA 彩色显示器。
本软件的运行环境为MS －DOS3.30或更高版本。
程序启动后，屏幕显示菜单，分为两列，一列是已知样品，另一列是未知样品，同时在菜单的下面显示：“Press K to enter the known sample, press U to enter the unknown sample and press E to exit: ”此时键入“K ”可进入已知样品部分，键入“U ”进入未知样品部分，而键入“E ”则程序结束。
接着计算机询问待测样品的代码，用户可依据菜单提示键入样品的相应代码，之后计算机会让用户进一步确认，这时若键入“N ”则返回主菜单，重新选择；键入“Y ”模拟演示开始。
