X射线衍射.ppt

Symmetry of Crystal
西汉.韩婴. 《韩诗外传》 “凡草木花多五出，雪花独六出”。 南北朝.庚信. “雪花开六出，冰珠映九光” 唐代武将高骈 《对雪诗》：“六出飞花入户时，坐看青竹变琼枝”。 宋代韩琦 《咏雪诗》：“六花耒应腊，望雪一开颜”。 1611德国Kepler.《六面形雪》记述雪晶是六角形，比我国晚一千多年
Solid substances with 3D periodicity
单晶特性
Self-definite (自范性) Homogeneity (均一性) Symmetry (对称性) Anisotropic (向异性) Minimum Inner Energy (低能性) Stability (稳定性)
X-ray射线衍射分析方法 简介
物质的组成鉴定
• 看世界
X-ray射线衍射分析原理
• 电子显微镜
X-ray射线衍射条件
• 固态物质的单晶是衍射必要条件
What is Crystal
地球上的晶态物质比比皆是，矿物中有98% 是晶体.动物的骨骼、毛发中也有结晶组织. 脱离了营养介质的病毒会形成结晶.漫天飞 舞的雪花也是晶体……
为什么雪花是六角形
汉. 刘熙. 宋. 朱熹. 《释名》 “凡花五出，雪花六出，阴之成数也。” 《语类》 “雪花所以必六出者，盖只是霰下被猛风拍开,故成六出 。如人掷一团烂泥于地，泥必缵开，成棱瓣也又六者阴数，太 阴元精石亦六棱，盖天地自然之数。”
1611年德国天文学家开普勒在一本结晶学论著《圣诞节礼物——六方形
实例：如何从石墨层抽取出平面点阵
石墨层
小黑点为平面点阵. 为比较二者关系, 暂以
石墨层作为背景，其实点阵不保留这种背景.

整位置使其暴 露于X射线束中。
数据收集
探测器接收衍射的X射线，数据采集系统 记录衍射模式。
开始实验
启动X射线源，发射X射线并照射在晶体 上。
数据处理和分析
数据预处理
滤波、去噪等操作，提高数据质量。
衍射峰识别
确定各衍射峰对应的晶面间距。
结构解析
利用衍射数据，通过计算和比较，确定晶体的原子排列和分子结构。
03
x射线衍射实验技术
实验设备
X射线源
用于产生X射线，是实验的核心 部件。
探测器
用于接收和测量衍射的X射线。
样品台
放置晶体的装置，确保晶体固 定并处于正确的位置。
数据采集系统
记录和存储实验数据。
实验步骤
准备样品
选择适当的晶体，确保其纯净度高、结晶 完整。
数据分析
处理和解析实验数据，提取晶体结构信息 。
结果验证
与已知晶体结构进行比对，验证实验结果的准确性。
04
x射线衍射的应用
晶体结构测定
晶体结构分析
通过x射线衍射，可以精确测定晶体的内部结构，包括原子或分子的排列方式、 键长、键角等。
晶体对称性研究
衍射图谱中的斑点或线条的位置和强度，可以揭示晶体的对称性，从而确定晶体 的空间群。
晶体材料研究
晶体性质表征
ABCD
晶体取向和应力分析
x射线衍射可以用于确定晶体的取向，以及晶体 内部应力的分布。
晶体相分析
通过比较不同温度或压力下的x射线衍射图样， 可以研究晶体的相变行为。
02
x射线衍射原理
波动性和粒子性
波动性
X射线在传播过程中会发生干涉和衍 射，表现出波动性质。
粒子性

• λmin=hc/eV （3-1）
• 此时所产生的X射线光子具有最高的能量，最大的频率 和最短的波长，
• λmin即为X射线谱的下限波长0 • 若V以kV为单位，λmin以nm为单位，
• λmin=hc/eV=(6.625×10-34×2.998×108)/( 1.602×10第12页/共64页
• (3)连续谱的强度变化强烈的受X射线管的加速电压V的影响，当V升高时，其积 分强度迅速增大。但均存在最强谱线λmax
• 劳埃法照相装置称劳埃相机。
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• 能提供晶体内部三维空间的电子云密度分布， 晶体中分子的立体构型、构像、化学键类型， 键长、键角、分子间距离，配合物配位等。
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3.1 粉末衍射物相分析
• 物相分析是指确定物质（材料）由哪些相组成 （即物相定性分析或称物相鉴定）和确定各组 成相的含量（常以体积分数或质量分数表示， 即物相定量分析）。
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• JCPDS在1978年演变为现在的JCPDS-衍射数据 国际中心（ICDD,JCPDS-International Center for Diffraction Data，ICDD），以反映PDF的 国际性及业务的扩大（包括了晶体资料的出 版）。
• 从70年代后期开始，在总数据库基础上，按计 算机检索要求，又建立了常用物相、有机物相、 无机物相、矿物、合金、NBS、法医等七个子 库。
上的电子填充。这样的内部电子跃迁就导致产
生了短波长的，具有高“穿透”能的“特征”X
射线。
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• 总结一下：
• 根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利 不相容原理不连续地分布在K、L、M、N…… 等不同能级的轨道（壳层）上，而且按能量最 低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依 次填L、M、N等。

⑵周转晶体法
——用单色X射线照射转动的单晶体的衍射方法。其衍 射原理如图示。单晶体转动相当于其对应倒易点阵绕 与入射线垂直轴线转动，使得原来与反射球不相交的 倒易点在转动过程中与反射球有一次或两次相交机会， 从而产生衍射。
周转晶体法
实验中，底片卷成圆筒状接受衍射线，衍射 花样为一系列斑点，其实质为衍射线与底片 的交点。分析这些斑点的分布可以得到晶体 结构信息。此方法常用于测定未知晶体结构。
射线衍射原理
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第二章 X射线衍射原理
X射线照射晶体，电子受迫产生振动，向四周辐 射同频率电磁波。同一原子内的电子散射波相干 加强成原子散射波。由于晶体内原子呈周期性排 列，各原子散射波之间存在固定位向关系而产生 干涉作用，在某些方向相干加强成衍射波。
满足衍射矢量方程， 有可能产生衍射，也 有可能不产生衍射； 若晶面产生衍射，则 一定满足衍射矢量方 程。
厄瓦尔德图解
问题：用一束波长为λ的X射线沿某一确定方向照射 晶体时，晶体中有哪些晶面能够产生衍射？衍射线 在空间如何分布？
厄瓦尔德图解
厄瓦尔德图解
2、 厄瓦尔德图解 ⑴ 衍射矢量几何图解——衍射矢量三角形 当入射条件（波长、方向）不变时， 每一个产生衍 射的晶面组都对应着一个等腰矢量三角形。
若用波长为0.194nm的FeKα线照射α-Fe，其半波长 λ/2=0.097nm，则只有前4个晶面能产生衍射；若用波长为 0.154nm的CuK α线照射，其半波长为0.077，则前5个晶面 都可以产生衍射。
布拉格方程
⑶选择反射
由2dsinθ= λ知， λ一定时，d、 θ为变量，即不同d值
的晶面产生的衍射对应不同θ角。也就是说用波长为

• 早在1938年就有科学家指出，核酸能以衍射的方式散射X射线， 这表明核酸分子里存在着有规则的结构。英国生物物理学家M· 威 尔金斯根据同事R· 富兰克林关于DNA的X射线衍射图，提出核酸 分子为螺旋状，螺旋上的圈形成了在X射线下看得见的重复单元。 • 1951年，在意大利召开的分子结构会议上，美国生物化学家詹姆 斯· 沃森听了威尔金斯关于DNA晶体衍射分析的阶段性学术报告后， 开始从事用X射线晶体衍射法分析生物大分子的研究。 • 美国生物化学家詹姆斯· 沃森于印第安纳州立大学深造，在大学遗 传学家和微生物学家的影响下，他完成了关于强X射线对噬菌体 繁殖影响的博士论文，并在1950年获得博士学位。 • 弗朗西斯· 克里克于1916年6月8日出生在英格兰北汉普顿。1937年 获得伦敦大学学院物理学学士。1949年就开始在剑桥大学学习， 并在佩鲁茨指导下完成《多肽和蛋白质的X射线分析研究》博士 论文。
• 1951年，在意大利召开的分子结构会议上，沃森听了威尔金斯关于 DNA晶体衍射分析的阶段性学术报告后，开始从事用X射线晶体衍 射法分析生物大分子的研究。 • 1951年秋，沃森来到英国剑桥大学从事蛋白质和多肽晶体结构的分 析研究。在那里，他同克里克相遇，并成为知己。从1951年11月到 1953年4月的18个月中，沃森和克里克合作从事DNA分子结构的研 究。在此期间，他们不仅同威尔金斯和富兰克林进行了数次学术交 流，而且直接和间接地从威尔金斯和富兰克林那里获得了较完整的 DNA晶体结构的分析数据和照片。 • 沃森和克里克通过认真分析、严格计算和周密思考，并不断改正错 误，终于在1953年4月在《自然》杂志上发表了题为《核酸分子结 构》的论文。 • DNA双螺旋分子结构模型的提出表明遗传学的研究从细胞水平进入 到分子水平，这是分子生物学形成的一个重要标志。沃森和克里克 的模型对人们认识蛋白质合成、DNA复制和突变具有重要意义，为

设备：Bruker D8 ADVANCE 衍射仪.
辐射：单色化的 Cu K 射线
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1-样品制备: 样品碾成粉末，颗粒度小于300目， 取约1g粉末放入样品槽内，用毛玻璃轻压 粉末，使之充满槽内，轻轻刮去多余的粉 末，将样品，置于测角仪中心。
X 光管 固定
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2 - 设置参数并进行衍射花样测量：
（2） 计算面间距d值和测定相对强度I/I1 (I1为最强线的强度)
分析以2<90的衍射线为主， 2测 量精度要达到0.01，d 值计算到0.001位
有效数字。衍射强度取相对强度。
（3） 检索PDF卡片
先进行单相分析,不成功则进行多相 分析
（4） 最后判定存在的物相。
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物相定性分析实例
2.753
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55
例：图a为SrTiO3的XRD谱， 图b为以SrTiO3为主晶相的SrTiO3-CaTiO3 系固溶体的XRD谱，
图c为SrTiO3-CaTiO3机械混合物XRD谱， 图d 为CaTiO3的XRD谱。 可见: SrTiO3-CaTiO3系固溶体的XRD谱 图与SrTiO3的XRD谱图相似，由于CaTiO3的 加入使峰值、峰形稍有变化。
如, Diffractometer代表衍射仪法； Ref．—该区数据来源。
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31
区间4：物相的结晶学数据, 其中
Sys. — 晶系;
S. G. — 空间群符号；
a0、b0、c0 — 晶胞轴长； A、C — 轴率，A = a0/b0，C = c0/b0 、 、 — 轴角;
Z — 单位晶胞内“分子”数；
衍射曲线：衍射峰 基线

测角仪的构造
X射线发生器
ＸＲＤ－６０００
X射线发生器是高稳定度的 它是由：X射线管
高压发生器
管压管流稳定电路
各种保护电路等
现
代
衍
射
用 的 X
密封式 最大功率≤3KW
射 线
管 分为
视靶材料的不同而异
都
属
于 热 电 子
转靶式
是为获得高强度X射 线而设计的
二
极 管

功率≥9KW
。
产生条件
高速电子遇靶突然停止产生X-射线 1.灯丝 产生自由电子 2.高压 加速电子
• 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。
单色器
晶体单色器
• 晶体单色器的作用与图示
– 作用：消除衍射花样的背底和Kβ散射
衍射束弯曲晶体单色器
应变
77.9%
α(110)
α (200)
400
200
800
600 应变 55%
400
200
400
应变 35.6%
300
α (211)
200
100
1000 应变 0(1γ11)γ
500
(200)
(2γ20) (31γ1)(γ222)
0
20
40
60
80
100
2θ /degrees
基体为304奥氏体不锈钢， 经过冷轧变形后，以样品厚度 的减少量计算样品的应变分别 为35.6%，55.0%，77.9%。图 中γ为奥氏体相，α为马氏体相， 从XRD的结果可以看出，304 基体没有应变的情况下，奥氏 体的5个衍射峰均存在，并且马 氏体（110）晶面上出现衍射峰； 随着应变量的增加，马氏体的 衍射峰逐渐增多，到应变量为 77.9%时，马氏体在（110）、 （200）、（211）晶面上出现 衍射峰，而奥氏体的衍射峰削 弱，只有（220）晶面的衍射 峰存在。

主要技术指标：
X射线源：最大输出功率：3kW； 最大电压：60kV；最大电流：60mA 陶瓷X光管； 靶材及功率：Cu靶 2.2kW； 最大电压：60kV；最大电流：50mA； X’Celerator超能探测器
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日本理学D/max 2550V X射线衍射仪
18kW（40kV，450mA）
测角仪精度：0.002pp°t课件(2θ)
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X射线测角仪——衍射仪的核心
样品 入射光栏
大转盘(测角仪圆) 样品台——小转盘
管靶焦斑
测角仪中心
接收(狭缝)光栏
计数管
支架
X射线测角仪结构示意图
计数管与样品连动扫描， －2连动
测角仪扫描范围：正向(顺时针)2可达165，反向(逆时针)2可 达－100。2测量绝对精度0.02，重复精度0.001。
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（7）德拜相机的分辨本领
L
分辨率() ：描述相机分辨底片上相距最近衍射线条的本领。
L
d / d
当两晶面间距差值d一定时，值大则意味着底 片上两晶面相应衍射线条距离(位置差)L大，即 两线条容易分辨。
L——晶面间距变化值为d/d时，衍射线条的位置变化。
将布拉格方程写为sin＝/(2d)的 形式，对其微分并整理，有
样品大小：直径0.2~0.8mm左右），长度约为10~15mm。 注意：
（1）经研磨后的韧性材料粉末应在真空或保护气氛下退火， 以清除加工应力。 （2）研磨时，不能用力过度，以免破坏样品的结构。
筛目：每平方英寸的筛孔数。有国际标准、泰勒标准等。
1英寸=2.54cm
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7
（3）底片的安装
第一节 多晶体衍射方法 一、（粉末）照相法 二、 衍射仪法

工业生产提供更好的服务。
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固体结构x射线衍射分析ppt课件
contents
目录
• X射线衍射分析简介 • X射线衍射分析技术 • 固体结构X射线衍射分析的应用 • X射线衍射分析的挑战和未来发展 • 结论
01 X射线衍射分析简介
X射线衍射分析的基本原理
X射线是一种电磁波，具有波粒 二象性，能够穿透物质并在物质
内部发生散射。
动力学研究
通过X射线衍射可以研究生物大分子的动态行为，如分子运动、构象变化等，有 助于深入了解生物过程的机制。
04 X射线衍射分析的挑战和 未来发展
高强度X射线源和探测器技术
高强度X射线源
随着科技的进步，高强度X射线源的研发和应用已成为可能，这将大大提高X射线 衍射分析的分辨率和灵敏度，为更深入的研究提供有力支持。
当X射线照射到晶体时，晶体中 的原子或分子的电子云会散射X
射线，形成衍射现象。
通过测量衍射角度和强度，可以 推导出晶体结构中的原子间距和
分子排列等信息。
X射线衍射分析的应用领域
01
02
03
04
材料科学
研究材料的晶体结构和相组成 ，如金属、陶瓷、高分子等。
化学
确定化合物的晶体结构和分子 结构。
生物学
实验设计和数据处理
实验设计
在进行X射线衍射分析时，需要选择合适的实验参数，如X射线波长、扫描范围、扫描速度等。这些参 数的选择会影响实验结果的质量和准确性。
数据处理
在获得衍射数据后，需要进行一系列的数据处理步骤，如背景扣除、峰拟合、晶格参数提取等。这些 步骤能够从衍射数据中提取有关晶体结构的有价值信息。数据处理是X射线衍射分析中非常重要的一 环，它能够将原始的实验数据转化为结构参数和结构模型。