现代分析技术讲义

现代分析技术讲义现代分析技术讲义合编温州大学化学与材料工程学院二00六年二月第一章X-ray DiffractionPrinciple and Experiments2005-2006一、前言1.1 目的材料科学研究中，结构与功能、性能联系，以性能为导向，寻求和设计最适宜结构化合物。

性能与结构相关，又决定于成份和工艺，在新材料研制与开发，冶金生产过程，表面处理，腐蚀产物等分析中均有重要应用。

宏观表象深入至微观认识。

结构参数信息为生产工艺改进，研制新材料、建立新理论提供依据。

方法实质：X射线与物质交互作用(相干散射是产生衍射花样原因)。

衍射花样三要素：峰位，峰强与线形。

1.2 重要性当今材料科学研究中，功能意识加强以及结构与性能联系意识提高，期望以性能为导向，寻求和设计最适宜结构化合物付诸实现。

结构参数信息给出新观念，为生产工艺改进，研制新材料、建立新理论提供依据。

材料性能与基本相和析出相种类，数量相关。

相的形成又取决于成份和工艺制度，在新材料研制与开发、冶金生产、表面处理、腐蚀与防腐等领域有重要作用。

1.3 信息分析试样属何物质，那种晶体结构，并确定其化学式。

原理：任何结晶物质均具有特定晶体结构（结晶类型、晶胞大小、质点种类、数目分布）和组成元素。

一种物质有自已独特衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个物相行对谱的叠加。

1.4 粉末法主要应用(1)区分结晶质与非晶质。

例如区分玻璃与宝石。

(2)判断金属加工前后金属晶格的变化。

(3)确定颗粒的大小和择优取向。

计算颗粒度。

(4)根据JCPDS鉴定表可以鉴定化合物以及混合物。

(5) 测定晶胞参数、确定晶格类型、衍射群等。

未知相自动指标化程序。

(6) 通过晶胞参数的差异确定类质同像变种及化学成分的变化规律。

(7)可以用来研究非晶质(如煤、玻璃等)的构造。

(8) 测定混合相中各化合物的含量。

分辨率较高，测定时间一般很短，定性分析鉴定化合物相(即确定矿物成分)，一般只需几分钟到十几分钟。

不破坏样品。

经X射线测定后的样品还可用于红外、差热等测试，因此，在科学研究中，应先做x射线分析，再做其他研究。

1.5 Crystals1．晶体结构与空间点阵（空间点阵+晶体结构的结构单元）基本特点：质点（结构单元）沿三维空间周期性排列（晶体定义），并有对称性。

空间点阵：实际晶体中的几何点，其所处几何环境和物质环境均同，这些“点集”称空间点阵。

为简化晶体结构提出。

按对称性分为七个晶系。

晶体结构中晶体结构周期性与对称性，原子排列的规律共七个类型。

Bravais点阵Bravais(法国晶体学家)点阵：空间点阵中选取能反映空间点阵周期性与对称性的单胞。

要求：单胞相等棱与角数最多→棱间直角最多→体积最小。

1848年Bravais证明只有14种。

14种Bravais点阵分4类：P简单；C底心；I体心；F面心。

二、X射线衍射X射线的发现、波粒性W.C. R?ntgen discovered the X-rays(1895). he was honoured by the Noble prize for Physics (1901).W.H.Bragg and M.L.Bragg discovered X-ray diffraction phenomenon(1912)./doc/3c43257528ea81c759f5786d.ht ml ue discovered Laue experiment and Laue equation.C. G. Darwin developed dynamic theory of scattering of X-rays at crystallattice(1912).Ware and quanta E=hv.A powder Pattern offer Informations2.1 X射线产生，X射线谱与特征谱The “x-ray” is generated by keV electrons hitting a target.When the incoming electrons are decelerated by the material, an EM wave is generated.This is the inverse photoelectric effect.X-ray tube: sealed, cooled by water, Filament x-ray tubesNow take these high energy electrons (up to 100,000 eV) and slam(猛烈撞击) them into heavy atoms - any element.2 kinds of X-Rays are produced:“Bremsstrahlung”(韧致辐射）(Continuous x-rays)“Characteristic”The Principle of Generation.The Photoelectron Effect and characteristic Spectrum GenerationEmissios Spectrum of a Mo X-Ray TubeExcite volt and Filter of X-ray Target2.2 与物质交互作用相干散射：产生衍射花样原因Bragg coherent scatteringXRD: Diffraction ConditionBragg’s Law ：constructive interference only when: The Bragg equationn = an integerλ is the x-ray wavelengthd = dhklDebye-Sherrer CameraThe powder may be fitted to a glass fibre or into a glass capillary.A X-Ray film, mounted like a ring around the sample, is used as detector.Collimators shield the film from radiation scattered by air.A modern DiffractometerXRD: X-ray Tube (non-monochromatic)XRD: Θ/2Θ ExampleDiffraction: scattering of X-rays by periodic electron density diffraction ~reflection against lattice planes, if:2d hkl sin θ = n λPolycrystalline sample has a number of peaks due to mixture of crystalorientations.Information contained in diffraction dataLattice parameters (a, b, c, α, β, γ) obtained from the directions of the diffractedX-ray beams.Electron densities in the unit cell, obtained from the intensities of the diffractedX-ray beams.Electron densities → atomic coordinates (x, y, z)The unit cell structure factor2.3 衍射实验分析法多晶粉末法Reflection Planes in a Cubic Lattice晶体衍射 Bragg 公式2d sin θ= n λPowder X-ray Diffractionxray 2sin n d λθ=???? ??+=??? ??++44421l k h i fcc diamond hkl e F F πPowder Diffraction Pattern (diffractometer)三. D8 ADVANCE 多晶X射线衍射仪3.1 D8 ADVANCE X射线衍射仪3.2 核心部件光源---高压发生器与X 光管精密测角仪光学系统The Bragg-Brentano Geometry探测器原理3.3 控测，数据采集与数据处理软件Soffware简介Basic系统控制管理与数据采集软件EV A 基本数据处理软件X射线衍射应用软件●数据采集仪器调整，测量方案（策略）标准测量，定量测量，高低测量，PSD，织构，应力，（残余）。

●数据处理标准数据处理,定性分析，定量分解，铝电解槽分析，线形分析，晶粒大小，织构ODF，宏观应力，点阵参数/指标化，精测点参，Rietveld ，Refectarmtring，HRXRD，GADDS●现代化的软件易于使用，强有力的图形动能，全谱拟合和自动精修（Rietveld methods）,完善的应用,开放系统，高质量的外观（显示，图象）●标准图形用户界面（Windows 2000）通用的视屏，快速点击，易用，真正多任务，其余Windows应用的数据和图象输出，面向题目，上下文菜单。

●用microsoft word 打报告。

物相检索对所有物相检索，能分析多样混合物，微量相和具有择优取向物相化学元素选择可括明用户数据库（实验、有机、矿务等），有那些元素，验某些元素，分析中全谱可位移等。

结果列表和显示，（给出卡号、化合物名与化学式、Y标度直接访问PDF2取数（由光盘直接检索）PDF2，给出d、I、hkl 卡片号，还给出结晶学参数与相关数据。

数据处理Background SubtractionPeak SearchConventional Search with d/I-FileUnique Search with Raw DataComparison of ResultsSelection of Chemical ElementsSEARCH List and Display of ResultsDirect Access to PDF-2Report with Microsoft WORD定量相分析线性分析拟合函数，给出峰参数。

Crysige软件，用Wanren-Auerbach法（给出结晶尺寸分布与相对柱长，均方根应变分布，累计柱长。

Index and metric软件，用Treor和ITO指标化，并求点阵。