现代分析技术讲义
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现代分析技术讲义合编温州大学化学与材料工程学院二00六年二月第一章X-ray DiffractionPrinciple and Experiments2005-2006一、前言1.1 目的材料科学研究中，结构与功能、性能联系，以性能为导向，寻求和设计最适宜结构化合物。
性能与结构相关，又决定于成份和工艺，在新材料研制与开发，冶金生产过程，表面处理，腐蚀产物等分析中均有重要应用。
宏观表象深入至微观认识。
结构参数信息为生产工艺改进，研制新材料、建立新理论提供依据。
方法实质：X射线与物质交互作用(相干散射是产生衍射花样原因)。
衍射花样三要素：峰位，峰强与线形。
1.2 重要性当今材料科学研究中，功能意识加强以及结构与性能联系意识提高，期望以性能为导向，寻求和设计最适宜结构化合物付诸实现。
结构参数信息给出新观念，为生产工艺改进，研制新材料、建立新理论提供依据。
材料性能与基本相和析出相种类，数量相关。
相的形成又取决于成份和工艺制度，在新材料研制与开发、冶金生产、表面处理、腐蚀与防腐等领域有重要作用。
1.3 信息分析试样属何物质，那种晶体结构，并确定其化学式。
原理：任何结晶物质均具有特定晶体结构（结晶类型、晶胞大小、质点种类、数目分布）和组成元素。
一种物质有自已独特衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个物相行对谱的叠加。
1.4 粉末法主要应用(1)区分结晶质与非晶质。
例如区分玻璃与宝石。
(2)判断金属加工前后金属晶格的变化。
(3)确定颗粒的大小和择优取向。
计算颗粒度。
(4)根据JCPDS鉴定表可以鉴定化合物以及混合物。
(5) 测定晶胞参数、确定晶格类型、衍射群等。
未知相自动指标化程序。
(6) 通过晶胞参数的差异确定类质同像变种及化学成分的变化规律。
(7)可以用来研究非晶质(如煤、玻璃等)的构造。
(8) 测定混合相中各化合物的含量。
分辨率较高，测定时间一般很短，定性分析鉴定化合物相(即确定矿物成分)，一般只需几分钟到十几分钟。
不破坏样品。
经X射线测定后的样品还可用于红外、差热等测试，因此，在科学研究中，应先做x射线分析，再做其他研究。
1.5 Crystals1．晶体结构与空间点阵（空间点阵+晶体结构的结构单元）基本特点：质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。
空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。
为简化晶体结构提出。
按对称性分为七个晶系。
晶体结构中晶体结构周期性与对称性，原子排列的规律共七个类型。
Bravais点阵Bravais(法国晶体学家)点阵：空间点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞。
要求：单胞相等棱与角数最多→棱间直角最多→体积最小。
1848年Bravais证明只有14种。
14种Bravais点阵分4类：P简单；C底心；I体心；F面心。
二、X射线衍射X射线的发现、波粒性W.C. Röntgen discovered the X-rays(1895). he was honoured by the Noble prize for Physics (1901).W.H.Bragg and M.L.Bragg discovered X-ray diffraction phenomenon(1912).ue discovered Laue experiment and Laue equation.C. G. Darwin developed dynamic theory of scattering of X-rays at crystallattice(1912).Ware and quanta E=hv.A powder Pattern offer Informations2.1 X射线产生，X射线谱与特征谱The “x-ray” is generated by keV electrons hitting a target.When the incoming electrons are decelerated by the material, an EM wave is generated.This is the inverse photoelectric effect.X-ray tube: sealed, cooled by water, Filament x-ray tubesNow take these high energy electrons (up to 100,000 eV) andslam(猛烈撞击) them into heavy atoms - any element.2 kinds of X-Rays are produced:“Bremsstrahlung”(韧致辐射）(Continuous x-rays)“Characteristic”The Principle of Generation.The Photoelectron Effect and characteristic Spectrum GenerationEmissios Spectrum of a Mo X-Ray TubeExcite volt and Filter of X-ray Target2.2 与物质交互作用相干散射：产生衍射花样原因Bragg coherent scatteringXRD: Diffraction ConditionBragg’s Law ：constructive interference only when: The Bragg equationn = an integerλ is the x-ray wavelengthd = dhklDebye-Sherrer CameraThe powder may be fitted to a glass fibre or into a glass capillary.A X-Ray film, mounted like a ring around the sample, is used as detector.Collimators shield the film from radiation scattered by air.A modern DiffractometerXRD: X-ray Tube (non-monochromatic)XRD: Θ/2Θ ExampleDiffraction: scattering of X-rays by periodic electron density diffraction ~ reflection against lattice planes, if:2d hkl sin θ = n λPolycrystalline sample has a number of peaks due to mixture of crystalorientations.Information contained in diffraction dataLattice parameters (a, b, c, α, β, γ) obtained from the directions of the diffracted X-ray beams.Electron densities in the unit cell, obtained from the intensities of the diffracted X-ray beams.Electron densities → atomic coordinates (x, y, z)The unit cell structure factor2.3 衍射实验分析法多晶粉末法Reflection Planes in a Cubic Lattice晶体衍射 Bragg 公式2d sin θ= n λPowder X-ray Diffractionxray 2sin n d λθ=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛++44421l k h i fcc diamond hkl e F F πPowder Diffraction Pattern (diffractometer)三. D8 ADVANCE 多晶X射线衍射仪3.1 D8 ADVANCE X射线衍射仪3.2 核心部件光源---高压发生器与X 光管精密测角仪光学系统The Bragg-Brentano Geometry探测器原理3.3 控测，数据采集与数据处理软件Soffware简介Basic系统控制管理与数据采集软件EV A 基本数据处理软件X射线衍射应用软件●数据采集仪器调整，测量方案（策略）标准测量，定量测量，高低测量，PSD，织构，应力，（残余）。
●数据处理标准数据处理,定性分析，定量分解，铝电解槽分析，线形分析，晶粒大小，织构ODF，宏观应力，点阵参数/指标化，精测点参，Rietveld ，Refectarmtring，HRXRD，GADDS●现代化的软件易于使用，强有力的图形动能，全谱拟合和自动精修（Rietveld methods）,完善的应用,开放系统，高质量的外观（显示，图象）●标准图形用户界面（Windows 2000）通用的视屏，快速点击，易用，真正多任务，其余Windows应用的数据和图象输出，面向题目，上下文菜单。
●用microsoft word 打报告。
物相检索对所有物相检索，能分析多样混合物，微量相和具有择优取向物相化学元素选择可括明用户数据库（实验、有机、矿务等），有那些元素，验某些元素，分析中全谱可位移等。
结果列表和显示，（给出卡号、化合物名与化学式、Y标度直接访问PDF2取数（由光盘直接检索）PDF2，给出d、I、hkl卡片号，还给出结晶学参数与相关数据。
数据处理Background SubtractionPeak SearchConventional Search with d/I-FileUnique Search with Raw DataComparison of ResultsSelection of Chemical ElementsSEARCH List and Display of ResultsDirect Access to PDF-2Report with Microsoft WORD定量相分析线性分析拟合函数，给出峰参数。
Crysige软件，用Wanren-Auerbach法（给出结晶尺寸分布与相对柱长，均方根应变分布，累计柱长。
Index and metric软件，用Treor和ITO指标化，并求点阵。
Rietvcld（Topas）粉末晶体结构精化，给出循环n次后的Rwp（权重线性均方残差），一般∠10％收敛即可，他表示总体计算谱计算与实测的吻合程度。
