X射线仪物相定性分析—南理工

X射线仪的组成与物相分析

班级：9131161502

学号：913116150208

姓名：安志恒

南京理工大学

材料科学与工程学院

2016．5. 30

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射线衍射物相分析的原理和实验方法；

3、掌握X射线分析软件Jade 6.0 的基本操作和物相检索方法。

二、实验仪器：

D8AA25 X射线衍射仪

三、实验原理：

X射线衍射仪的基本组成：

1、X射线发生器；

2、衍射测角仪；

3、辐射探测器；

4、测量电路；

5、控制操作和运行软件的电子计算机系统；

1、物相定性分析原理

X射线与物质相互作用产生各种复杂的过程，一束X射线透过物质后，就其能量转换而言，分为三部分：X射线散射、吸收，透过物质沿原来的方向传播衰减。

X射线作为电磁波投射到晶体中时，受到晶体中原子（电子）的散射，散射波以每一个原子中心发出的散射波（球面波）。

由于晶体中原子周期排列，这些散射球面波之间存在固定的位相关系，在空间产生干涉，导致在某些散射方向的球面波相互加强，某些方向相互抵消。从而，出现衍射现象，即在偏离原入射线特定的方向上出现散射线加强，而产生衍射斑点或衍射环，其余方向则无。

散射波周相一致相互加强的方向称为衍射方向。衍射方向取决于晶体晶胞的大小；衍射强

度是由晶胞中各个原子种类及其位置决定的。

图一 光程差δ等于波长的整数倍λn

物相是指试样中由各种元素形成的具有固定结构的化合物（也包括单质元素和固溶体）。物相分析给出物相的组成和含量。石英SiO2由Si 和O 组成，它可以是非晶态玻璃石英，也可是晶态石英晶体，石英晶体在不同的热力学条件下也有不同的变体，α、β、γ石英、方石英、鳞石英，可一一分辨。化学分析只能分辨Si 和O 。

X 射线入射到多晶体上，产生衍射的充要条件是：

λθn d =sin 2 （1）

0),,(≠l k h F （2）

实质：光程差δ等于波长的整倍数λn

式（1）确定了衍射方向，在一定的实验条件下衍射方向取决于晶面间距d ，而d 是晶胞参数的函数。式（2）表示衍射强度与结构因子F(h,k,l)的关系，衍射强度正比于F(h,k,l)模的平方。F(h,k,l)的数值取决于物质的结构，即晶胞中原子的种类、数目和排列方式。因此决定X 射线衍射谱中衍射方向和衍射强度的一套d 和I 的数值是与一个确定的晶体结构相对应的。这就是说，任何一个物相都有一套d-I 特征值，两种不同的物相的结构稍有差异，组成与结构，其衍射谱d 和I 将有区别，这就是应用X 射线衍射分析和鉴定物相的依据。

一种物相衍射谱中的1/I I d -(1I 是衍射图谱中最强峰的强度值) 的数值取决于该物质组

成与结构，其中1/I I 称为相对强度。当两个样品的数值都对应相等时，这两个样品就是组成与结构相同的同一种物相。因此，当未知物相的样品其衍射谱上的1/I I d - 的数值与某一已知物相M 的数据相合时,即可认为未知物即是M 相。由此看来,物相分析就是将未知物的衍射实验所得的结果,考虑各种偶然因素的影响,经过去伪存真获得一套可靠的1/I I d -数据后与已知物相的1/I I 相对照,再依照晶体和衍射的理论对所属物相进行肯定与否定。当今在科学家们的努力下,已储备了相当多的物相的1/I I 数据,每个已知物相的1/I I d -数据制作成一张PDF 卡片，若待测物是在储备范围之内，物相分析工作即是实际可行的。

一般来说，判断一个物相是否存在有三个条件：

（1）标准卡片中的峰位与测量峰的峰位是否匹配，换句话说，一般情况下标准卡片中出现的峰的位置，样品谱中必须有相应的峰与之对应，即使三条强线对应得非常好，但有另一条较强线位置明显没有出现衍射峰，也不能确定存在该相，但是，当样品存在明显的择优取向时除外，此时需要另外考虑择优取向问题。但是，对一些固溶样品，峰位可能会向某一衍射角方向偏移，此时只要峰位移动后是匹配的，也应当确定有该物相存在。

（2）标准卡片的峰强比与样品峰的峰强比要大致相同，但一般情况下，对于金属块状样品，由于择优取向存在，导致峰强比不一致，因此，峰强比仅可作参考；特别是一些强织构样品，薄膜样品，某些衍射峰的强度匹配出现异常，甚至某些方向的衍射不会出现。

（3）检索出来的物相包含的元素在样品中必须存在，如果检索出一个 FeO 相，但样品中根本不可能存在 Fe 元素，则即使其它条件完全吻合，也不能确定样品中存在该相，此时可考虑样品中存在与 FeO 晶体结构大体相同的某相。

对于无机材料和黏土矿物，一般参考“特征峰”来确定物相，而不是要求全部峰的对应，因为一种黏土矿物中包含的元素也可能不同，结构上也可能存在微小的差距。

2、实验步骤

（1）选择扫描范围为20-80°，用连续扫描方式扫描，设定扫描步长：0.02°/step，每步时间0.1s，得到样品的全谱。

（2）用Jade 6.0软件打开测量图谱，打开检索窗口，如图二

图二

图二显示了矿物名称、化学式、FOM值、PDF-#、RIR等内容。矿物的排序是按FOM值由小到大排列的，FOM值越小，表示存在这种矿物的可能性越大（但不绝对）。当鼠标左击到一个矿物时，在X衍射图谱显示栏会显示蓝色的线，选择与X衍射图谱拟合最好的矿物，然后在矿物名称前面勾选。

（3）扣背底，在元素周期表中选择可能的化学元素如图三

图三

（4）选择好存在的元素Al、O之后，点击OK,会自动出现检索结果即图四

图四

（5）在检索结果列表中，根据谱线角度匹配情况并参考强度匹配情况，选择最匹配的PDF卡片作为物相鉴定结果。如图五