x射线物相定性分析
实验：X射线衍射法进行物相定性分析1
X射线衍射法进行物相定性分析实验目的及要求⏹了解X射线衍射仪的结构和工作原理；⏹掌握无机非金属材料X射线衍射分析的制样方法；⏹掌握X射线衍射物相定性分析的方法和步骤。
物相定性分析的基本原理2dsinθ=λ晶胞中原子种类、数量、排列方式（1） 任何一种物相都有其特征的衍射谱；任何两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的衍射峰是各物相衍射峰的机械叠加。
（2）制备标准单相物质的衍射花样：PDF卡片待分析物质(样品)的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相实验设备与结构D/max-RB型X射线衍射仪D/Max-RB型X射线衍射仪构造示意图主要组成部分有X射线发生器、测角仪、探测器、计算机控制处理系统等。
一、X射线管1、X-ray产生原理凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（如γ射线，X射线，中子流等）被突然减速时均能产生X射线。
热能 + 电磁波2、X射线机X射线管是X射线机的核心部件。
封闭式热阴极X射线管：热阴极、阳极、窗口、聚焦座、管座等滤波片可以获得近似的纯的kα辐射源为避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。
必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X 射线管。
原则是：靶材的Kα谱应位于试样元素K吸收限的右近邻或左面远离试样元素K吸收限的低质量吸收系数处。
二、测角仪测角仪是X射线衍射仪的核心部件梭拉光栏梭拉光栏防散射光栏衍射仪的光路图X射线经线状焦点S发出，经发散狭缝DS后，成为扇形光束照射在平板试样上，产生衍射，衍射线经接收狭缝RS进入探测器（即计数管）后被转换成电信号记录下来。
为了限制X射线的发散，在照射路径中加入S1梭拉光栏限制X射线在高度方向的发散，加入DS发散狭缝光栏限制X射线的照射宽度。
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。
◆工作时，试样与探测器同时转动，但转动的角速度为1 ： 2的比例关系。
第五章 X射线衍射仪及物相定性分析
图1－21
闪烁计数器示意图
（2） 锂漂移硅检测器 锂漂移硅检测器是一种固体探测器，通常表示为Si(Li)检 锂漂移硅检测器是一种固体探测器，通常表示为Si(Li)检 Si(Li) 测器。它也和气体计数器一样，借助于电离效应来检测X射线， 测器。它也和气体计数器一样，借助于电离效应来检测X射线， 但这种电离效应不是发生在气体介质而是发生在固体介质之中。 但这种电离效应不是发生在气体介质而是发生在固体介质之中。 当一个外来的X射线光子进入之后， 当一个外来的X射线光子进入之后，它把价带中的部分电 子激发到导带，于是在价带中产生一些空穴， 子激发到导带，于是在价带中产生一些空穴，在电场的作用下 这些电子和空穴都可以形成电流，故把它们称为载流子。 这些电子和空穴都可以形成电流，故把它们称为载流子。在温 度和电压一定时，载流子的数目和入射的x 度和电压一定时，载流子的数目和入射的x射线光子能量成比 例。 在半导体中产生一个电子—空穴对所需要的能量等于禁带 在半导体中产生一个电子 空穴对所需要的能量等于禁带 的宽度，对硅而言，其值为1.14电子伏特。 1.14电子伏特 的宽度，对硅而言，其值为1.14电子伏特。但是在激发的过程 中还要有部分能量消耗于晶格振动，因此，在硅中激发一个电 中还要有部分能量消耗于晶格振动，因此， 空穴对实侧的平均能量为3.8电子伏特。 子—空穴对实侧的平均能量为3.8电子伏特。一般的X射线光子 空穴对实侧的平均能量为3.8电子伏特 一般的X 能量为数千电子伏特，因此， 个 能量为数千电子伏特，因此，—个X射线光子可激发大量的电 空穴对， 子—空穴对，这个过程只要几分之一微秒即可完成。所以，当 空穴对 这个过程只要几分之一微秒即可完成。所以， 一个X射线光子进入检测电路时，就产生一个电脉冲， 一个X射线光子进入检测电路时，就产生一个电脉冲，我们可 以通过这些电脉冲来检测X射线的能量和强度。 以通过这些电脉冲来检测X射线的能量和强度。
x射线物相定性分析
傅里叶变换
傅里叶变换是一种将时域信 号转换为频域信号的方法， 在X射线物相定性分析中用于
处理X射线衍射数据。
通过傅里叶变换，可以将X射 线衍射数据转换为频域，便 于分析和比较不同物相的衍 射数据。
傅里叶变换在X射线物相定性 分析中常与其他方法结合使 用，以提高分析的准确性和 可靠性。
X射线物相定性分析方法
衍射峰分析
01
衍射峰分析是通过测量和比较不同物相的X射线衍射 峰，确定物质的结构和组成。
02
衍射峰的位置、强度和形状可以提供关于物相晶体 结构、晶格常数、晶体取向等信息。
03
衍射峰分析是X射线物相定性分析中最常用的方法之 一。
晶体结构分析
01
晶体结构分析是通过X射线衍 射数据，利用晶体学原理和计 算方法，确定物质晶体结构的 过程。
X射线相定性分析简介 • X射线物相定性分析方法 • X射线物相定性分析实验步骤 • X射线物相定性分析的挑战与解决方案 • X射线物相定性分析的未来展望
01
X射线物相定性分析简介
定义与原理
定义
X射线物相定性分析是一种利用X射线 对物质进行成分和结构分析的方法。
原理
峰识别与标定
识别出图谱中的衍射峰，并依据标准卡片或 已知物相的衍射数据对其进行标定。
物相定性分析
通过对比已知物相的衍射数据，确定样品中 存在的物相种类。
结果解释与报告
结果解释
根据数据处理与分析结果，解释样品的物相组成和各物相的比例。
结果验证
通过与其他实验方法或已知数据对比，验证分析结果的准确性。
报告撰写
解决方案
X射线的物相分析
精品课件
检索方法：
（1）对于已知化学成分或已知物相种类的，可以使 用该种物相的检索手册，至于使用哪种索引检索，视 情况而定。可用字母索引也可用数值索引。
（2）对于完全未知的，可以采用数值索引 （Hanawalt或Fink数值索引）。
（3）自动检索：以上的数据检索皆可由计算机实现。
12
精品课件
Hanawalt 索引
目前，规模最庞大的多晶衍射数据库是由JCPDS （Joint Committee on Powder Diffraction Standards）编辑的《粉末衍射卡片集》(PDF)。
6
精品课件
（1）卡片的由来
1919年，A.W.Hull指出，X射线可用于物相鉴定；
1938年，J.D.Hanawalt创立Hanawalt索引；
《粉末衍射文件有机物相检索手册》（Powder Diffraction File Oranic Phases Search Manual)
《矿物粉末衍射文件的化学名称、哈纳瓦特数值法、芬克数值法、矿 物名称检索手册》（ Powder Diffraction File Search Manual, Chemical Name, Hanawalt Numerical, Fink Numerical, Mineral Name)
第七章 X射线的物相分析
§7.1 X射线的物相定性分析 1、物相定性分析原理 2、粉末衍射数据库 3、物相定性分析方法
§7.2 X射线的物相定量分析 1、定量分析基本原理 2、定量分析方法
1
精品课件
物相：简称相，是具有某种晶体结构并能用 某化学式表征其化学成分（或有一定的成 分范围）的固体物质。
例：α－Fe：体心立方结构
XRD实验物相定性分析
XRD实验物相定性分析一、实验目的1、学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理。
2、掌握X射线衍射物相定性分析的原理和实验方法。
3、掌握X射线分析软件Jade5.0和图形分析软件OriginPro的基本操作。
二、实验仪器D8 Advance型X射线衍射仪组成：主要由X射线发生器、测角仪、辐射探测器、记录单元及附件（高温、低温、织构测定、应力测量、试样旋转等）等部分组成。
核心部件：测角仪（1）测角仪C-计数管；S1、S2-梭拉缝；D-样品；E-支架；K、L-狭缝光栏；F-接受光栏；G-测角仪圆；H-样品台；O-测角仪中心轴；S-X射线源；M-刻度盘；图1. 测角仪结构原理图图2. 测角仪的光路图X射线源S是由X 射线管靶面上的线状焦斑产生的线状光源。
线状光源首先通过梭拉缝S1，在高度方向上的发散受到限制。
随后通过狭缝光栅K，使入射X射线在宽度方向上的发散也受限制。
经过S1和K后，X射线将以一定的高度和宽度照射在样品表面，样品中满足布拉格衍射条件的某组晶面将发生衍射。
衍射线通过狭缝光栏L、S2和接受光栏F后，以线性进入计数管C，记录X射线的光子数，获得晶面衍射的相对强度，计数管与样品同时转动，且计数管的转动角速度为样品的两倍，这样可以保证入射线与衍射线始终保持2θ夹角，从而使计数管收集到的衍射线是那些与样品表面平行的晶面所产生的。
θ角从低到高，计数管从低到高逐一记录各衍射线的光子数，转化为电信号，记录下X射线的相对强度，从而形成 2—I的关系曲线，即X射线衍射花样。
相对（2）X射线发生器图3. X射线产生装置X 射线管实际上就是一只在高压下工作的真空二极管，它有两个电极：一个是用于发射电子的灯丝，作为阴极，另一个是用于接受电子轰击的靶材，作为阳极，它们被密封在高真空的玻璃或陶瓷外壳内。
X射线管提供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。
当钨丝通过足够的电流使其发生电子云，且有足够的电压（千伏等级）加在阳极和阴极间、使得电子云被拉往阳极。
XRD实验物相定性分析解析
XRD实验物相定性分析解析X射线衍射（XRD）是一种非常常用的实验技术，用于物相的定性和定量分析。
通过观察材料中X射线的衍射图案，我们可以确定材料的晶体结构、晶体定向和晶格参数等信息。
本文将详细介绍XRD实验物相定性分析的原理和解析过程。
nλ = 2dsinθ其中，n是衍射阶次，λ是入射X射线的波长，d是晶格间距，θ是入射角。
通过测量衍射角θ和计算晶格间距d，我们可以确定材料的晶体结构。
在进行XRD实验时，我们首先需要准备待测物样品，通常是一块固体材料。
然后，我们将样品放置在X射线束下，以使X射线通过样品，发生衍射。
衍射的X射线通过样品后，会被X射线探测器测量，产生衍射谱图。
在解读衍射谱图时，我们需要关注以下两个关键参数：衍射角（2θ）和衍射强度（I）。
衍射角是X射线的入射角度，是由仪器测量得到的，而衍射强度则表示材料中的晶体结构和取向。
通常，衍射强度与晶体的晶格性质、晶体结构以及晶体定向有关。
通过比对样品的衍射谱图与数据库中的标准衍射谱图，我们可以确定材料的物相。
数据库中包含了各种材料的XRD衍射谱图，包括金属、陶瓷、无机晶体等。
对于未知物相的样品，我们可以通过计算其衍射角和衍射强度与数据库中的标准进行比对，从而找到与其相匹配的物相。
此外，我们还可以通过拟合样品的衍射谱图，计算出材料的晶格参数。
常用的拟合方法有布拉格法、勒貌法和整形法等。
这些方法利用了衍射角和衍射强度的信息，通过数学模型计算出最适合样品的晶格参数。
需要注意的是，XRD实验在物相定性分析上具有一定的局限性。
例如，对于非晶态或粘土等无定形材料，XRD无法提供明确的物相信息。
此外，XRD实验还无法确定材料中不同晶体相的相对含量，只能进行物相定性分析。
综上所述，XRD实验是一种常用的物相定性分析技术。
通过观察样品的衍射谱图，并与数据库中的标准进行比对，我们可以确定材料的物相。
此外，通过拟合样品的衍射谱图，我们还可以计算材料的晶格参数。
X射线衍射物相定性分析
对于点阵参数精确测量方法的研究，人们 总是希望能获得尽可能高的精确度和准确度。
然而，从实际应用出发则未必都是如此。高 精度测量要求从实验、测峰位和数据处理的 每一步骤都仔细认真，这只有花费大量的劳 动代价才能取得；对于无需追求尽可能高的 精度时则测量的步骤可作某些简化。甚至， 有时实际试样在高角度衍射线强度很弱或者 衍射线条很少，此时只能对低角衍射线进行 测量与分析。总而言之，在实际应用中应当 根据实际情况和分析目的，选择合适的方法， 既不能随意简化处理；也不许盲目追求高精 度。
物相分析注意事项：
从经验上看，晶面间距d值比相对强度重要。 待测物相的衍射数据与卡片上的衍射数据进行比
较时，至少d值须相当符合，一般只能在小数点后 第二位有分歧。 由低角衍射线条测算的d值误差比高角线条要大些。 较早的PDF卡片的实验数据有许多是用照相法测得 的，德拜法用柱形样品，试样吸收所引起的低角 位移要比高角线条大些；相对强度随实验条件而 异，目测估计误差也较大。吸收因子与2θ角有关， 所以强度对低角线条的影响比高角线条大。 而衍射仪法的吸收因子与2θ角无关，因此德拜法 的低角衍射线条相对强度比衍射仪法要小些
当对某种材料进行物相分析时，只要将实 验结果与数据库中的标准衍射花样图谱进 行比对，就可以确定材料的物相。
X射线衍射物相分析工作就变成了简单的图 谱对照工作。
X射线物相定性分析
1938年由Hanawalt提出，公布了上千种物 质的X射线衍射花样，并将其分类，给出每 种物质三条最强线的晶面间距索引（称为 Hanawalt索引）。
物相定性分析方法：
材料由哪些物相构成可以通过X射线衍射分析 加以确定，这些工作称之物相分析或结构分析。
X射线物相定性分析原理
X射线物相分析是以晶体结构为基础，通过比较 晶体衍射花样来进行分析的。
实验：X射线衍射法进行物相定性分析1
实验：X射线衍射法进行物相定性分析1
X射线衍射法是物相分析的一种重要手段，通过衍射图谱的分析可以确定样品的晶体结构和物相组成。
本实验选用了Cu管作为X射线管，通过旋转样品和测量X射线衍射的强度来获取样品的衍射图谱，并对其进行分析。
实验步骤：
1.制备样品：选用了两种不同晶体结构的样品，分别是纯Fe和无序的Fe-10Ni合金。
将样品研磨成细粉末，用细铜网包裹成小束，保持紧密。
2.测量样品的X射线衍射图谱：将Cu管电压设置为40kV，电流为30mA，使其发射X 射线，并将样品放置在样品台上，保持样品细铜网与X射线的垂直方向。
利用物理学中的蒙蒂卡洛法，通过许多随机数据点在样品和探测器间隔中计算出每个角度的强度数据。
在一定角度范围内旋转样品，利用计算机将每个角度的数据转化为强度数据，并绘制出样品的X射线衍射图谱。
分析结果：
分析纯Fe的衍射图谱，可以发现其峰位与标准铁的衍射图谱一致，证明其组成为纯Fe的晶体结构。
分析Fe-10Ni的衍射图谱，发现其具有明显的衍射峰，但是衍射峰的位置与标准Fe和Ni的衍射图谱均不一致，说明该样品为Fe-10Ni的无序合金，其晶体结构无规则分布。
总结：
本实验选用X射线衍射法对纯Fe和Fe-10Ni的样品进行了物相分析，并成功地确定了它们的晶体结构和物相组分。
X射线衍射法具有非破坏性、精度高、可重复性好等优点，是物相分析中重要的手段之一。
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（2）2a，2b，2c，2d区间中所列的是（1）区 域中四条衍射线的相对强度。最强线为100，当 最强线的强度比其余线小强度高很多时，有时 也会将最强线强度定为大于100。
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（3）第三区间列出了所获实验数据时的实验条件。
Rad 所用X射线的种类（CuKα,FeKα…）
λ0
X射线的波长（Å ）
置、峰的形状也是反映材料结构特征的信
息，用这个峰位2角所求出的d值，通常 对应着结构中的分子链（原子或原子团）
的统计平均间距。
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6
X射线衍射分析样品制备
在使用X射线衍射仪进行分析时，样品制备会对衍射结果产生显著的 影响。通常制成平板状样品，衍射仪均附有表面平整光滑的玻璃或铝 质的样品板，板上开有窗孔或不穿透的凹槽，样品放入其中进行测定。 1.粉晶样品的制备 (1)将被测试样品在玛瑙研钵中研成10μm左右的细粉； (2)将适量研好的细粉填入凹槽，并用平整的玻璃板将其压紧； (3)将槽外或高出样品中板面的多余粉末刮去，重新将样品压平，使样 品表面与样品板面平整光滑。若是使用带有窗孔的样品板，则把样板 放在一表面平整光滑的玻璃板上，将粉末填入窗孔，捣实压紧即可。 样品测试时，应使贴玻璃板的一面对着入射X射线。 2。特殊样品的制备 对于金属、陶瓷、玻璃等一些不易研成粉末的样品，可先将其锯成窗 孔大小，磨平一面，再用橡皮泥或石蜡将其固定在窗孔内。对于片状、 纤维状或薄膜样品也可取窗孔大小直接嵌固在窗孔内。但固定在窗孔 内的样品其平整表面必须与样品板平齐，并对着入射X射线。
2）结晶物质有自己独特的衍射花样。
（d、θ和 I）;
3）多种结晶状物质混合或共生，它们 的衍射花样也只是简单叠加，互不干 扰，相互独立。（混合物物相分析）
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4
3.5 X射线物相定性分析
每一种结晶物质都有其特定的结构参数，包
括点阵类型、晶胞大小、晶胞形状、晶胞中原
子种类及位置等。
与结构有关的信息都会在衍射花样中得到
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2
3.5 X射线物相定性分析
粉末晶体X 射线物相定性分析是根据晶
体对X射线的衍射特征即衍射线的方向及
强度来达到鉴定结晶物质的。
原因：
1）每一种结晶物质都有各自独特的化学
组成和晶体结构，不会存在两种结晶物质
的晶胞大小、质点种类和质点在晶胞中的
排列方式完全一致的物质;
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3
3.5 X射线物相定性分析
体现，首先表现在衍射线条数目、位置及其强
度上，如同指纹，反应每种物质的特征。
物相分析根据衍射线条位置（一定，2角
就一定，它决定于结构的点阵面的d 值）和强
度确定物相。
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5
3.5 X射线物相定性分析
对于聚合物材料来说，还应考虑整个X
射线衍射曲线，因为聚合物X射线衍射曲
线的非晶态衍射晕环（漫散峰）极大处位
dcorr abs？ 所测d值的吸收矫正（No未矫正，Yes矫
正）；
Ref.
说明底3，9区域中所列资源的出处。
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13
（4）第4区间为被测物相晶体学数据：
sys. 物相所属晶系；
S·G. 物相所属空间群；
a0，b0，c0 物相晶体晶格常数，A= a0/b0 , B= c0/b0轴率比； α，β，γ 物相晶体的 晶轴夹角；
d corr.abs.?
Ref.
3
Sys.
S.G.
a0 b0
c0
A
C
Αβ
γ
Z
Ref.
4
εα
nωβ
2V D mp
eγ Sign Color
Ref.
5
d Å I/I1 hkl d Å I/I1 hkl
9
9
6
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（1）1a，1b，1c区域为从衍射图的透射区（2θ ＜90º＝中选出的三条最强线的面间距。1d为衍 射图中出现的最大面间距。（1）1a，1b，1c区 域为从衍射图的透射区（2θ＜90º＝中选出的三 条最强线的面间距。1d为衍射图中出现的最大 面间距。
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3) 1969年，组建了“粉末衍射标准联合委员会”
（The Joint Committee on Powder
Diffraction Standards，JCPDS），专门负责
收集、校订各种物质的衍即被称为PDF卡（The Powder Diffraction
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7
3.5 X射线物相定性分析
物相分析原理：
将实验测定的衍射花样与已知标准物
质的衍射花样比较，从而判定未知物相。
混合试样物相的 X 射线衍射花样是各 个单独物相衍射花样的简单迭加，根据这
一原理，就有可能把混合物物相的各个物
相分析出来。
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3.5 X射线物相定性分析
1. 物相标准衍射图谱（花样）的获取： 1) 1938年，J.D.Hanawalt等就开始收集并 摄取各种已知物质的衍射花样，将这些衍射 数据进行科学分析整理、分类。 2) 1942年，美国材料试验协会ASTM整理出 版了最早的一套晶体物质衍射数据标准卡， 共计1300张，称之为ASTM卡。
Filter 为滤波片物质名。当用单色器时，注明“Mono”
Dia 为照相机镜头直径，当相机为非圆筒形时，注
明相机名称
Cut off. 为相机所测得的最大面间距；
Coll. 为狭缝或光阑尺寸；
I/I1
为测量衍射线相对强度的方法
（衍射仪法—Diffractometer，测微光度计法—
Microphotometer，目测法—Visual）；
X射线衍射物相分析
物相分析是为了确定待测样品的结 构状态，同时也确定了物质的种类。
定量分析 -- 多相共存时，组成相 含量是多少。
可编辑ppt
1
相是材料中各元素作用形成的具有同一聚 集状态、同一结构和性质的均匀组成部分， 分为化合物和固溶体两类。物相分析，是 指确定材料由哪些相组成和确定各组成相 的含量。根据晶体对X射线的衍射特征—衍 射线的方向及强度来鉴定结晶物质的物相 的方法，就是X射线物相分析方法。
File），有时也称其为JCPDS卡片。
目前，这些PDF卡已有好几万张之多，而且，
为便于查找，还出版了集中检索手册。
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2. PDF卡片 10
PDF卡片形式
d 1a 1b 1c 1d 7
8
I/I1
Rad. Dia. I/I1
2a 2b
λ Cut off
2c 2d
Filter Coll.