[工学]固体化学X射线衍射系统消光

材料分析试题库选择题：一、1. M层电子回迁到K层后，多余的能量放出的特征X射线称（ B ）A.Kα；B. Kβ；C. Kγ；D. Lα。

2. 当X射线发生装置是Cu靶，滤波片应选（ C ）A．Cu；B. Fe；C. Ni；D. Mo。

3. 当电子把所有能量都转换为X射线时，该X射线波长称（ A ）A.短波限λ0；B. 激发限λk；C. 吸收限；D. 特征X射线4.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（D ）A.光电子；B. 二次荧光；C. 俄歇电子；D. （A+C）二、1.最常用的X射线衍射方法是（ B ）。

A. 劳厄法；B. 粉末法；C. 周转晶体法；D. 德拜法。

2.射线衍射方法中，试样为单晶体的是（D ）A、劳埃法B、周转晶体法C、平面底片照相法D、 A和B3.晶体属于立方晶系，一晶面截x轴于a/2、y轴于b/3、z轴于c/4，则该晶面的指标为（ B）A、(364)B、(234)C、(213)D、(468)4.立方晶系中，指数相同的晶面和晶向（B ）A、相互平行B、相互垂直C、成一定角度范围D、无必然联系5.晶面指数（111）与晶向指数（111）的关系是（ C ）。

A. 垂直；B. 平行；C. 不一定。

6.在正方晶系中，晶面指数{100}包括几个晶面（ B ）。

A. 6；B. 4；C. 2D. 1；。

7.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是（ B ）A.X射线透射学；B.X射线衍射学；C.X射线光谱学；D.其它三、1、对于简单点阵结构的晶体，系统消光的条件是（ A ）A、不存在系统消光B、h+k为奇数C、h+k+l为奇数D、h、k、l为异性数2、立方晶系{100}晶面的多重性因子为（ D ）A、2B、3C、4D、63、洛伦兹因子中，第一几何因子反映的是（ A ）A、晶粒大小对衍射强度的影响B、参加衍射晶粒数目对衍射强度的影响C、衍射线位置对衍射强度的影响D、试样形状对衍射强度的影响4、洛伦兹因子中，第二几何因子反映的是（ B ）A、晶粒大小对衍射强度的影响B、参加衍射晶粒数目对衍射强度的影响C、衍射线位置对衍射强度的影响D、试样形状对衍射强度的影响5、洛伦兹因子中，第三几何因子反映的是（ C ）A、晶粒大小对衍射强度的影响B、参加衍射晶粒数目对衍射强度的影响C、衍射线位置对衍射强度的影响D、试样形状对衍射强度的影响6、对于底心斜方晶体，产生系统消光的晶面有（ C ）A、112B、113C、101D、1117、对于面心立方晶体，产生系统消光的晶面有（ C ）A、200B、220C、112D、1118、热振动对x-ray衍射的影响中不正确的是（E ）A、温度升高引起晶胞膨胀B、使衍射线强度减小C、产生热漫散射D、改变布拉格角E、热振动在高衍射角所降低的衍射强度较低角下小9、将等同晶面个数对衍射强度的影响因子称为（ C ）A、结构因子B、角因子C、多重性因子D、吸收因子四、1、衍射仪的测角仪在工作时，如试样表面转到与入射线成30度角时，计数管与入射线成多少度角?（B）A. 30度；B. 60度；C. 90度。

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：。

复习题一、名词解释=0而使衍射线有规律消失的现象称为系统消光。

1、系统消光: 把由于FHKL2、X射线衍射方向: 是两种相干波的光程差是波长整数倍的方向。

3、Moseley定律：对于一定线性系的某条谱线而言其波长与原子序数平方近似成反比关系。

4、相对强度：同一衍射图中各个衍射线的绝对强度的比值。

5、积分强度：扣除背影强度后衍射峰下的累积强度。

6、明场像暗场像：用物镜光栏挡去衍射束，让透射束成像，有衍射的为暗像，无衍射的为明像，这样形成的为明场像；用物镜光栏挡去透射束和及其余衍射束，让一束强衍射束成像，则无衍射的为暗像，有衍射的为明像，这样形成的为暗场像。

7、透射电镜点分辨率、线分辨率：点分辨率表示电镜所能分辨的两个点之间的最小距离；线分辨率表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离。

8、厚度衬度:由于试样各部分的密度(或原子序数)和厚度不同形成的透射强度的差异；9、衍射衬度：由于晶体薄膜内各部分满足衍射条件的程度不同形成的衍射强度的差异；10相位衬度：入射电子收到试样原子散射，得到透射波和散射波，两者振幅接近，强度差很小，两者之间引入相位差，使得透射波和合成波振幅产生较大差异，从而产生衬度。

11像差：从物面上一点散射出的电子束，不一定全部聚焦在一点，或者物面上的各点并不按比例成像于同一平面，结果图像模糊不清，或者原物的几何形状不完全相似，这种现象称为像差球差：由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的汇聚能力不同造成的像散：由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差色差：由于成像电子的波长（或能量）不同而引起的一种像差12、透镜景深：在不影响透镜成像分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离13、透镜焦深：在不影响透镜成像分辨本领的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离14、电子衍射：电子衍射是指当一定能量的电子束落到晶体上时，被晶体中原子散射，各散射电子波之间产生互相干涉现象。

它满足劳厄方程或布拉格方程，并满足电子衍射的基本公式Lλ=Rd L是相机长度，λ为入射电子束波长，R是透射斑点与衍射斑点间的距离。

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。

第一篇固体X射线衍射术韦文生温州大学大学物理与电子信息学院 浙江温州 325000内容：第一章X射线基础 2 第二章晶体对X射线的衍射21 第三章物相分析39 第四章定量相分析45 第五章平均晶粒度的测定56 第六章宏观残余应力的测定69 后记79要求：(1)了解：X 射线物理学基础、X 射线与物质相互作用、X 射线衍射的动力学理论以及X 射线衍射仪与实验技术；(2)掌握：X 射线衍射的运动学理论；物相分析和成分的原理和方法要点。

重点：X 射线衍射的运动学理论；物相分析和成分的原理。

第一章X射线基础ξ1.1概述1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。

由于它的本质在当时是一个"未知数"，故称之为X射线。

这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用——X射线透视技术。

1912年劳埃(M.V on Laue）以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。

此后，X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。

由于X射线的重大意义和价值，所以人们又以它的发现者的名字为其命名，称之为伦琴射线。

X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102埃的范围（图1.1）。

X射线的频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性。

由于X射线波长短，光子能量大的两个基本特性，所以，X射线光学（几何光学和物理光学）虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同。

X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。

但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。

对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像可见光那样用透镜成像。