X射线消光
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1、连续X射线谱:具有连续波长的X射线,也称多色X射线。
2、标识(特征)X射线谱:在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线。
也称单色X射线。
3、短波限:电子与靶相撞,其能力(EV)全部转变为辐射光子能量,此时光子能量最大,波长最短,因此连续谱有一个下线波长&0,即为短限波4、同步辐射X射线源:当电子被加速到足够能量时,它便像圆周的切线方向辐射X射线波段范围的电磁波,把这种辐射称为同步辐射X射线源。
(特点1)通量大,亮度高;(2)频谱宽,连续可调;(3)光束准直性好;(4)有特定的时间结构;(5)偏振性好,在电子轨道平面上基本是100&的线偏振。
5、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通过的光子数目能量总和,常用单位是J/cm2.s。
6、激发电压:开始产生标识谱线的临界电压。
7、K系激发:当K层电子被激活时,原子的系统能量便由基态升高到K激发态,把这个过程称K系激发。
8、K系辐射:产生K系激发后,K层的空位被高能级电子填充,这时产生的辐射称为K系辐射。
9、相干散射:物质中电子在X射线电场的作用,产生强迫振动,每个受迫振动电子便成为新电磁波源向空间的各个方向辐射同频率的电磁波,这些新的散射波之间可以发生干涉作用,把这种散射现象称为相干散射。
(它不损失X射线的能量,而只是改变了它的传播方向,但对X射线方向来说确是起到了强度衰减的作用。
)10、非相干散射:当X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时,电子获得一部分动能称为反冲电子,光子也离开原来方向,碰撞后的光子能量减少,波长增加,这样的散射现象称为非相干散射。
11、X射线的吸收:物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其他形式的能量。
12、光电效应:以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应,被击出的电子称为光电子。
辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线(或称第二标识X射线)。
13、荧光辐射:光子激发原子所发生的激发和辐射过程中发出荧光X射线,称为荧光辐射。
名词解释1)短波限:连续X射线谱的X射线波长从一最小值向长波方向伸展,该波长最小值称为短波限。
P7。
2)质量吸收系数指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量,这样就摆脱了密度的影响,成为反映物质本身对X射线吸收性质的物质量。
P12。
3)吸收限吸收限是指对一定的吸收体,X射线的波长越短,穿透能力越强,表现为质量吸收系数的下降,但随着波长的降低,质量吸收系数并非呈连续的变化,而是在某些波长位置上突然升高,出现了吸收限。
每种物质都有它本身确定的一系列吸收限。
P12。
4)X射线标识谱当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值kU时,在连续谱的某些特定的波长位置上,会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱,它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值,此波长可作为阳极靶材的标志或特征,故称为X射线标识谱。
P9。
5)连续X射线谱线强度随波长连续变化的X射线谱线称连续X射线谱线。
P7。
6)相干散射当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇,光量子不足以使原子电离,但电子可在X射线交变电场作用下发生受迫振动,这样的电子就成为一个电磁波的发射源,向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射,因为各电子所散射的射线波长相同,有可能相互干涉,故称相干散射。
P14。
7)闪烁计数器闪烁计数器利用X射线激发磷光体发射可见荧光,并通过光电管进行测量。
P54。
8)标准投影图对具有一定点阵结构的单晶体,选择某一个低指数的重要晶面作为投影面,将各晶面向此面所做的极射赤面投影图称为标准投影图。
P99。
9)结构因数在X射线衍射工作中可测量到的衍射强度HKL与结构振幅F称为结构因数。
P34。
10)晶带面(共带面)晶带轴我们说这些相交于平行直线的一组晶面属于同一晶带,称晶带面或共带面,其交线即为晶带轴。
P99。
11)选择反射镜面可以任意角度反射可见光,但X射线只有在满足布拉格方程的 角上才能发生反射,因此,这种反射亦称选择反射。
名词解释:特征X 射线谱、相干散射、不相干散射、俄歇效应 特征X 射线谱:高速电子撞击材料后,材料内层电子形成空位,外层电子向空位跃迁会辐射x 射线。
不同材料x 射线波长不同,所以叫特征x 射线。
又称标识射线谱,具有特定的波长,且波长取决于阳极靶元素的原子序数。
相干散射:X 射线通过物质时,入射光线与原子内受核束缚较紧的电子相遇,光量子能量不足以使原子电离,在X 射线的交变电场的作用下,物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动,同时向四周辐射出与入射X 射线波长相同的散射X 射线,称为经典散射或汤姆逊散射。
散射波与入射波的波长或频率相同,位向差相同,在同一方向上各散射波符合相干条件,又称为相干散射 。
不相干散射:当X 射线光量子冲击束缚较松的电子或自由电子,将一部分能量给予电子,使其能量提高,成为反冲电子,入射X 射线光量子损失了能量,同时改变运动方向四周散射的现象。
能量减少为hv ’,显然v ’<v ,频率发生改变,波长变长。
俄歇效应:激发二次特征辐射时,原子中一个K 层电子被激发出来后,L 层的一个电子将跃入K 层填补空白,剩下的能量将促使L 层的另一个电子跳到原子之外,既K 层的一个空白被L 层的两个空位所代替,此过程称为俄歇效应。
222l k h ad hkl ++=d 晶面间距 ,ℷx 射线波长, 2dsin θ=ℷ,2d>ℷ才能衍射。
布拉格方程应用: 三种x 射线衍射方法:1、是用已知波长的X 射线去照射晶体, 1、劳埃法2、周转晶体法3、粉末法通过衍射角θ的测量求得晶体中各晶面的面间距d ,这就是结构分析------ X 射线衍射学; 系统消光:把因原子位置和种类不同而引起的某些方向上衍射线消失的现象叫系统消光。
2、用一种已知面间距的晶体来反射从试样发 可见布拉格方程只是X 射线衍射的必要条件而不是充分条件。
射出来的X 射线,通过衍射角的测量求得X 射 以一个电子散射为单位的、反映单胞散射能力的参量——结构振幅(结构因子)FHKL线的波长,这就是X 射线光谱学 决定X 射线强度的关系式是M c e A F P V V mc e R I I 22222230)()(32-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=θθφπλ试说明式中各参数的物理意义?答:I0 为入射X 射线的强度;λ 为入射X 射线的波长。
体心立方晶体与面心立方晶体的X射线衍射的消光规律存在着明显差异;解析其X射线衍射谱图,并且对谱线进行指标化,可以依据消光规律明确区分体心立方与面心立方晶体.
一、衍射系统消光
衍射线强度与晶体结构密切相关.如果晶体正点阵中存在滑移面对称或螺旋轴对称元素,就有可能出现某些晶面网的结构振幅∣Fhkl∣=0现象.因为衍射线强度Ihkl正比于结构因数∣Fhkl∣2, 故这时的Ihkl =I(hkl)= 0, 即衍射谱线没有光强,不表现为衍射.这种因∣Fhkl∣= 0而使衍射空间中某些指标的衍射线消失的现
象称为衍射系统消光.
学习和掌握消光的概念和规律,无疑对解析和归属衍射图谱花样、衍射线指标化、点阵类型的确定、空间群和对称性的确定等发挥作用.
二、衍射系统消光规律
结构因子F(hkl)是决定衍射强度的主要因素,它又是晶体面网指数(hkl)的函数,因此能导致F(hkl)或|F(hkl)|^2为0的那些面网指数就是衍射系统消光的规律.不满足消光的面网指数的衍射就应该存在,虽然其中可能有些衍射强度很弱,但不要与消光相混淆.此前应该具有就7种晶系中4种基本点阵分类讨论的知识.
以空间点阵为分类的消光规律适用于不同晶系.例如,只要是体心点阵,无论是立方体心、四方体心还是正交体心,其衍射的消光规律均相同.其它类推.结构因数表达式中也不含点阵参数之外能反映晶胞形状和大小的参数.四种点阵参数型和金刚石结构的衍射消光规律总结如下表1:
表1 四种空间点阵类型和金刚石的衍射消光规律
点阵类型(包括晶系),衍射规律,消光规律;【用“,;”进行分列表述】
简单点阵(所有晶系),全部出现,无消光点阵面;
体心点阵(正交、四方、立方),h+k+l=(偶数),h+k+l=(奇数);
底心点阵(单斜、正交),h和k全奇或全偶(此为C底心;若A、B底心时类推),h、k奇偶混杂(C底心);
面心点阵(正交、立方),h、k、l全奇或全偶,h、k、l为奇偶混杂;
金刚石结构(面心立方),h、k、l全偶且h+k+l=4n(n是自然数) ,(1)h、k、l 全偶且h+k+l≠4n (2)所有其它的组合.
三、消光规律在解析图谱中的应用
1、知晶系点阵类型,解析归属衍射晶面,知衍射指标后判断点阵类型:
此前已经具备对四种基本点阵中衍射系统消光的规律知识.如果预先已知样品的晶系点阵类型,如结晶聚乙烯(PE)属正交晶系茼单点阵,则它的(hkl)晶面的衍射都可能出现.又如NaCl晶体属面心立方点阵,则h.k.l三指数h、k、l全奇或全偶时衍射谱线就应该出现,而奇偶混杂时的面网的衍射就不可能出现,换句话说,即不
能把衍射峰解析归属为100、110、210、310等奇偶混杂的面网.具有衍射且应该是全奇的或全偶的晶面三指数是:如(111)、(220)、(311)、(222)等,都是衍射谱峰可被归属的晶面指数选择.
反过来,如果已知一系列衍射谱线的指标hkl根据这些指标中缺失的指数整体情况利用消光规律可以推断晶体的点阵类型及其所属晶系.当然优先进行谱线指标化可以通过多条途径完成.
2、由消光条件获知晶体正点阵的对称性:
衍射系统消光一般出现在晶体中含有滑移面、螺旋轴和带心(体心、底心、面心)的对称元素的类型中.据此,可先整理出消光条件,推断晶体中存在的对称元素,从而把对晶体的晶系分类和点阵结构分类的探知向前推进一步.因为滑移面的存在,使hk0,h0l,0kl类的衍射形成消光,有螺旋轴的晶体,其h00,0k0,00l型衍射中产生消光;那些带心的点阵,在hkl型衍射中出现消光.系统消光和对称性的对应规律有明确的表格可查阅.
四、衍射指数指标化
衍射指数指标化就是求解出产生衍射图中每一条衍射线的面网指数.
指标化后的衍射指数把衍射线与晶面族有机地联系到一起,只有知晓了衍射线对应的衍射晶面指数之后,才能完成点阵常数的具体计算、判断点阵类型、测算晶胞参数,才能鉴定类质同像系列的成份、检查XRD谱图中是否存在有杂线,才能研究多晶样品的相结构等.
1、衍射指数指标化操作可分为两类不同样品分别进行:
(1)已被指标化过的物相物质
因为要对一个已知物相物质的XRD谱线进行指标化需要做许多深入的全方位的测试和研究的工作才有可能完成.此前收集成册的粉未衍射标准卡片或者期刊文献中记载的XRD谱图归属指标化结果凝聚了大量作者们的研究成果,并得到同
行专家们的认可,所以在对这些样品的XRD谱线指标化时,只须由XRD谱获得各衍射线d值,按照d值索引或物质名字索引查得它的已知数据资料,核对谱图信息无误后,就可直接利用其已经完成指标化的指数结果.
(2)指标化指数未知的或暂时没有查阅到标准数据的物相物质
这些物质的XRD谱需要自己进行开拓性的解析归属指标化工作.其基本思路是
根据XRD谱信息θ值,按照布拉格方程2d sinθ=λ求得面间距d值,代入各晶系面间距d的计算公式,可得:
立方晶体:(sinθ)^2= (λ/(2d))^2=[λ/(2a)]^2 (h^2+k^2+l^2) ;
四方晶体:(sinθ)^2= (λ/(2d))^2=[λ/(2a)]^2 [h^2+k^2+(a/c)^2 (l^2)];
正交晶体:(sinθ)^2= (λ/(2d))^2=[λ/(2a)]^2 [h^2+(a/b)^2 (k^2)+(a/c)^2 (l^2)];六方晶体:(sinθ)^2= (λ/(2d))^2=[λ/(2a)]^2 [(4/3)h^2+hk+k^2]+(a/c)^2 (l^2)]. 三方晶体和三斜晶系的表达式更复杂,在此省略.
对于任意一个晶胞,其参数A、B、C是各种可能值,a/b 、a/c一般为非整数.因此,考察一个系列θ1,θ2,……,θi的(sinθ)^2之比(也是(1/di)^2之比)中只有立方晶系的是整数比系列,即:
(sinθ1)^2 : (sinθ2)^2 : …… : (sinθi)^2 = (1/d1)^2 : (1/d2)^2 : ……:(1/di)^2 =[(h1)^2+(k1)^2+(l1)^2] : [ (h2)^2+(k2)^2+(l2)^2] : …… :[ (hi)^2+(ki)^2+(li)^2] =1:2:3:4:5:6:8:9:……,
又因为hkl也是整数,故该系列连比是一个缺7、15、23、28、31、39、47、55、60、……等(又称为禁数)的连续自然数比.操作中可以用第一项或(sinθ1)^2或(1/d1)^2值或它们的几分之几,去除各项的(sinθi)^2值或(1/di)^2值,所得商数组成一个缺某些禁数(如7、15、……)的连续自然数列时,该晶体属于立方晶系.其它晶系没有这一个重要特征,从而确定了这句话就是一个判断是否立方晶系的判定定理.不满足的就是一定是非立方晶系的晶体.注意对应100甚至110衍
射峰由于多种原因没被检测到的情况,这时的数列比中就会缺少前面的一至数个数值(如1、2、……).
五、立方晶系粉末相的指标化
由于结构因数的作用,立方晶系中不同点阵类型的这一系列比也有规律:简单立方(P)1:2:3:4:5:6:8:9(缺7、15、23);
体心立方(I) 1:2:3:4:5:6:7:8:9 :……= 2:4:6:8:10:12:14:16:18:……,起点是2 ;
面心立方(F)3:4:8:11:12:16:19:20:24:27:32:……,起点是3、且有4 ;
全钢石型3:8:11:16:19:……,起点是3、但无4.
典型的立方晶系不同点阵类型的粉未衍射谱图展示如下图:
最大d值线总是晶面(100)(010)和(001)的一级衍射线,除非没被测到. 化为整数比后,考察第一、第二数之比是0.5的、再考察其比数列中有无7;有7的是体心立方,第一线是110;无7的是简单立方,第一线是100.
其比是0.75者是面心立方,第一线标111.
其比是0.375者是金钢石型立方,其第一、二线是111、220.
确定点阵类型后,每条衍射线的指标可依次归属,并可通过衍射强度理论计算加以检验.
下面举例立方晶系ZrOS的X射线衍射谱图谱线指标化归属过程如下表:。