05 X射线衍射原理

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衍射方向理论小结

布拉格方程、衍射矢量方程、厄瓦尔德图解和劳埃方程均 表达了衍射方向与晶体结构和入射线波长及方位的关系。 衍射矢量方程是衍射必要条件的矢量表达式，由“布拉格 方程+反射定律”导出。 厄瓦尔德图解是衍射矢量方程的几何图解形式。 作为衍射必要条件，衍射矢量方程、布拉格方程+反射定 律及厄瓦尔德图解三者之间是等效的。 “劳埃方程+协调性方程”等效于“布拉格方程+反射定 律” 。 X射线衍射必要条件的各种表达式，也适用于电子衍射分 析。
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2.布拉格方程的导出
考虑到： ①晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面 间距（d）相等的原子面组成； ②X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上； ③光源及记录装置至样品的距离比 d 数量级大得多，故入射 线与反射线均可视为平行光。 布拉格将X射线的“选择反射”解释为： 入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各 自产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了“选择反 射”的结果。
H2K2L2
H1K1L1
可能产生反射 的晶面，其倒 易点必落在反 射球上。
H3K3L3
厄瓦尔德球
同一晶体各晶面衍射矢量三角形关系
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厄瓦尔德做出了表达晶体各晶面衍射产生必要条件的几何 图解，如图所示。
厄瓦尔德图解
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厄瓦尔德图解步骤

1.作OO*=s0； 2.作反射球（以O为圆心、OO*为半径作球）； 3.以O*为倒易原点，作晶体的倒易点阵； 4.若倒易点阵与反射球（面）相交，即倒易点落在反射球 （面）上（例如图中之P点），则该倒易点相应之（HKL） 面满足衍射矢量方程；反射球心 O 与倒易点的连接矢量 （如OP）即为该（HKL）面之反射线单位矢量s，而s与s0 之夹角（2）表达了该（HKL）面可能产生的反射线方位。
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偏振因子
原子散射因子
结构因子
其它因素
积分强度
X射线衍射强度问题的处理过程
干涉函数
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一、一个电子的散射强度

一束偏振的X射线照射晶体，基元散射即晶体中原子内电 子散射（相干散射）的强度（Ie）由式（2-3）给出，即
e 2 I e I 0 2 2 4 sin R m c
4
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电子对光矢量为E0的非偏振光入射时的散射强度
F的复三角函数表达式 F的模F即为其振幅
Eb F Ee
Eb——晶胞散射波振幅
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电子散射（相干散射）强度（Ie）



晶胞沿(HKL)面反射方向散射，衍射强度 （Ib）HKL=FHKL2Ie， 若FHKL2=0，则（Ib）HKL=0，这就意味着(HKL)面衍射 线的消失。 由此可知，衍射产生的充分必要条件应为：衍射必要 条件(衍射矢量方程或其它等效形式)加F2≠0。 因F2=0而使衍射线消失的现象称为系统消光。 晶胞衍射波F称为结构因子（结构因数），其振幅F为 结构振幅。
入射线单位矢量s0
衍射矢量三角形——衍射矢量方程的几何图解
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晶体中有各种不同方位、不同晶面间距的（HKL）晶面。 当一束波长为的X射线以一定方向照射晶体时，哪些晶面可能产生反 射？反射方向如何？解决此问题的几何图解即为厄瓦尔德（Ewald） 图解。 按衍射矢量方程，晶体中每一个可能产生反射的（HKL）晶面均有各 自的衍射矢量三角形。各衍射矢量三角形的关系如图所示。
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衍射方向理论解决了衍射产生的必要条件。 试问： 1.满足布拉格方程、衍射矢量方程、厄瓦尔 德图解和劳埃方程，是否一定可以观察到衍 射线（或衍射斑点，衍射花样）？ 2.衍射产生的充分必要条件是什么？

衍射波的两个基本特征?
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第二节 X射线衍射强度



X射线衍射强度理论包括运动学理论和动力学理论，前 者只考虑入射X射线的一次散射，后者考虑入射X射线的 多次散射。 X射线衍射强度涉及因素较多，问题比较复杂。一般从 基元散射，即一个电子对X射线的（相干）散射强度开 始，逐步进行处理。 一个电子的散射强度 原子散射强度 晶胞衍射强度 小晶体散射与衍射积分强度 多晶体衍射积分强度
I0 e4 1 cos2 2 Ie 2 2 4 ( ) 2 R m c 2
1 cos2 2 2
称为偏振因子或极化因子
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二、原子散射强度
一个原子对入射X射线的散射是原子中各电子散射波相 互干涉的结果。
原子中各电子散射波的相互干涉
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原子散射强度Ia表达为
Ia f 2Ie
原子散射因子 f 的物理意义为：原子散射波振幅与电 子散射波振幅之比，即 E0 f Ee
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散射角2 ：入射线方向与 散射线方向之间的夹角。
一、布拉格方程
1.布拉格实验
选择反射：当X射线以某 些角度入射时，记录到 反射线，其它角度入射， 则无反射。 如：以Cu K射线照射 NaCl表面，当=15和 =32时记录到反射线。
设入射线与反射面之夹角为，称掠射角或布拉格角，则按反射定律， 反射线与反射面之夹角也应为。
0、0及0——s0与a、b及c的夹角 、及——s与a、b及c的夹角
或 a· (s-s0)=H b· (s-s0)=K c· (s-s0)=L
三维晶体若要产生衍射，必须同时满足上述三个方程
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劳埃方程的约束性或协调性方程
0、0、0与、、必须满足几何条件
cos20+cos20+cos20=1 cos2+cos2+cos2=1
晶胞内任意两原子的相干散射
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胞沿（HKL）面反射方向的散射波即衍射波FHKL是晶胞所 含各原子相应方向上散射波的合成波，设晶胞含n个原 子．有
FHKL f j e
j 1
n j 1
n
2 ( Hx j Kyl Lz l )
F的复指数函数表达式
FHKL f j [cos2 ( Hx j Ky j Lz j ) i sin 2 ( Hx j Ky j Lz j )
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2. 二维劳埃方程 a(cos-cos0)=H b(cos-cos0)=K
0及0——s0与a及b的夹角 及——s与a及b的夹角
或
a· (s-s0)=H b· (s-s0)=K 单一原子平面受X射线照射必须同时满足两个方程， 才可能产生衍射。
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3. 三维劳埃方程
a(cos-cos0)=H b(cos-cos0)=K c(cos-cos0)=L
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“反射定律+布拉格方程”可用衍射矢量（s-s0）表示为 s-s0//N
s s0

d HKL

由倒易矢量性质可知，（HKL）晶面对应的倒易矢量 r*HKL//N且r*HKL=1/dHKL，引入r*HKL，则上式可写为 (s-s0)/=r*HKL (r*HKL=1/dHKL) 衍射矢量方程
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（4）布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基 元。原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉（叠加）的结果。
=QR-PS=PQcos-PQcos=0
单一原子面的反射 （5）干涉指数表达的布拉格方程
d hkl 2 sin n
2d HKL sin

设R*HKL=r*HKL（为入射线波长，可视为比例系数）， 则上式可写为 s-s0=R*HKL(R*HKL=/dHKL) 亦为衍射矢量方程
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三、厄瓦尔德图解
讨论衍射矢量方程的几何图解形式。
晶面反射线单位矢量s 反射晶面（HKL） 衍射角 倒易矢量r*的 倍 R*HKL s0终点是倒易（点阵） 原点（O*） s终点是R*HKL的终点P， 即（HKL）晶面对应的倒 易点
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3.布拉格方程的讨论

（1）描述了“选择反射”的规律：产生“选择反射”的 方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足布拉 格方程的方向。 （2）表达了反射线空间方位（）与反射晶面间距（d） 及入射线方位（）和波长（）的相互关系。 （3）入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面 产生的反射方向上的相干散射线，而被接收记录的样品反 射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结 果，即衍射线。 因此，在材料的衍射分析工作中，“反射”与“衍射”作 为同义词使用。
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四、劳埃方程

由于晶体中原子呈周期性排列，劳埃设想晶体 为光栅（点阵常数为光栅常数），晶体中原子 受X射线照射产生球面散射波并在一定方向上相 互干涉，形成衍射光束。
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1. 一维劳埃方程
任意方向上原子散射线单位矢量s
：s与a之夹角
点阵基矢（原子间距）a
入射线单位矢量s0
0：s0与a之夹角
（5-2）
（5-3）
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反射级数n
A1A2… 2dhklsin1= A1A2… 2dhklsin2=2 A1B1… 2d2h2k2lsin2=
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A1 B1 A2 B2
A1与A2之间的间距为dhkl, A1与B1之间的间距为d2h2k2l
A39
（6）衍射产生的必要条件： “选择反射”即反射定律+ 布拉格方程。 即当满足此条件时有可能产生衍射；若不满足此条件，则 不可能产生衍射。 布拉格方程的意义:
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布拉格方程的导出

设一束平行的X射线（波长）以 角照射到晶体中晶面指数为（hkl） 的各原子面上，各原子面产生反射。 任选两相邻面（A1与A2），反射线光程差=ML+LN=2dsin ；干涉一 致加强的条件为=n，即 此即布拉格方程 2dsin=n 式中：n——任意整数，称反射级数，d为（hkl）晶面间距，即dhkl。
第五章 X射线衍射分析原理