2.4X射线衍射分析方法
第二章 X射线衍射
• 主要内容: • X射线的物理基础 • X射线衍射原理（布拉格方程） • 样品制备及实验方法 • X射线衍射方法在材料研究中的应用
2.1 X射线的产生及性质
2.1.1 X射线的发现及性质
发现：
1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线，也叫伦 琴射线。 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的
43m 2 4
90
30
31 32
O Td Oh
43,34,6m
m 3 m 43,34,62,9m, i
2.2.1 X射线衍射
原理：通过在晶体中所产生的衍射现象进行结构分析
X射线衍射: 衍射：光线照射到物体边沿后,通过散射继续在空间发射 的现象。 X射线投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散 射波就好象是从原子中心发出，每一个原子中心发出的散射
非晶体（noncrystal)
是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规
则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、 松香、石蜡等。 它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。 非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，
具有近程有序，但不具有长程有序。如玻璃。外形为无规
2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。 4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的 对称性。 5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。 6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。 7、最小内能：成型晶体内能最小。 8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角 恒定不变。
2.2.2 布拉格方程 英国物理学家布拉格父子把空间点阵理解为互相平行且 面间距相等的（hkl）的一组平行点阵（或面网），面网间距 为d。入射X射线S0（波长为λ）沿着与面网成θ角（掠射角） 的方向射入。
X射线衍射分析方法
X射线衍射分析方法X射线衍射分析是一种常用的材料结构分析方法，通过探测和分析样品对入射的X射线的散射方向和强度，来确定样品中原子的排列方式和晶体结构。
X射线衍射分析方法基于X射线作为电磁波的性质，具有较高的分辨率和广泛的应用领域。
nλ = 2d sinθ其中，n为衍射的阶数，λ为X射线的波长，d为晶格的晶面间距，θ为入射射线与晶面的夹角。
X射线衍射的实验装置通常由一个X射线源、一个单色器（用于选择特定波长的X射线）、一个样品台和一个衍射探测器组成。
实验过程中，样品被放置在样品台上，入射射线照射到样品上后产生散射射线，散射射线被探测器接收，并转化成电信号进行记录和分析。
1. 粉末X射线衍射（Powder X-Ray Diffraction，PXRD）：粉末X射线衍射是最常用的X射线衍射分析方法，适用于晶体和非晶态样品。
通过测量样品中X射线的衍射图样，可以确定晶体的结构、晶胞参数和晶格的对称性。
粉末X射线衍射还可以用于定量分析样品中各种组分的含量。
2. 单晶X射线衍射（Single Crystal X-Ray Diffraction，SCXRD）：单晶X射线衍射是研究晶体结构最直接、最准确的方法。
通过测量特定晶面上的衍射强度和散射角度，可以获得晶体的精确结构和原子的位置信息。
这种方法对于研究有机小分子、无机晶体和金属晶体的结构非常有价值。
3. 催化剂的X射线衍射（Catalytic X-Ray Diffraction）：催化剂的X射线衍射用于研究催化剂的晶体结构和相组成，从而了解催化剂在反应中的性能和活性。
这种分析方法对于设计和优化催化剂非常重要。
4.衍射峰位置和衍射峰宽度分析：X射线衍射分析中，可以通过测量衍射峰在散射角度上的位置和宽度来研究样品的晶体结构和缺陷情况。
衍射峰的位置与晶胞参数相关，而衍射峰的宽度与晶体的结构缺陷和晶体的有序程度有关。
总结起来，X射线衍射分析方法是一种非常重要的材料结构分析方法，通过测量样品对入射X射线的衍射方向和强度，可以确定样品中原子的排列方式和晶体结构。
X射线衍射分析
X射线衍射分析百科内容来自于:《近代X射线多晶衍射》X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
简介X射线衍射X射线满足布拉格方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。
波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。
将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。
从衍射X 射线强度的比较，可进行定量分析。
本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风砂和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。
X射线是一种波长很短(约为20～0.06┱)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。
如铜靶材对应的X射线的波长大约为1.5406埃。
考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。
分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。
这一预见随即为实验所验证。
1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础。
(完整版)X射线衍射分析方法
背射法 180- 2 屏或底片
透射法
2
r
○
屏或底片
D
（3）劳厄斑点的分布图 ✓ 在透射图中斑点分布在一系列通过底片中心的椭圆或双曲线上； ✓ 在背射老厄图中，斑点分布在一系列双曲线上。
（4）劳厄图的对称性
当入射线的方向与晶体中的对称轴一致，或与对称面平行或 垂直时，劳厄斑点会出现相应的对称性。
极小和极大决定两个反射球的大小。
对应于极小和极大之间的任意波长的反射球介于这两个球之间。
所有反射球的球心都落在入射线的方向上。
极小和极大决定的两个反射球之间的倒格点和所对应各球心连线 都表示晶体的衍射方向。
1/极小
1/极大
屏或底片
劳厄法的原理图
（2）斑点所对应的晶面的布拉格角
择、防散射狭缝的宽度、扫描速度、走纸速度、时间常数、记录器 记录的范围2角。
Intensity(Counts)
[C Y K46.raw] 2g+850deg 600
400
200
0
20
30
40
2-Theta(?
50
60
70
09-0432> Hydroxylapatite - Ca5(PO4)3(OH)
1、劳厄法：晶体固定不动，射线为连续谱线。
2、转晶法：转动晶体，采用单色特征标识谱线
注：如果转动晶体，又用未经过滤的多色入射线，则照片上的斑点过 多，不便于分析，一般不采用。
1、劳厄法（透射和背射）
1、劳厄法 （1）原理
晶体不动，利用射线连续谱，连续谱有一最小波长极小 ，长波在 理论上是无限制的，但易被吸收，因此有一最大波长极大。
X射线衍射分析原理及其应用
X射线衍射分析原理及其应用X射线及XRD1.1 X射线是由高能电子的减速运动或原子内层轨道电子的跃迁产生的短波电磁辐射。
X射线的波长在10-6~10nm，在X射线光谱法中常用波长在0.01~2.5nm范围内。
1.2 X射线的产生途径有四种1）高能电子束轰击金属靶即在一个X射线管中，固体阴极被加热产生大量电子，这些电子在高达100KV的电压下被加速，向金属阳极轰击，在碰撞过程中，电子束的一部分能量转化为X射线；2）将物质用初级X射线照射以产生二级射线—X射线荧光；3）利用放射性同位素衰败过程产生的发射，人工放射性同位素为为某些分析应用提供了非常方便的单能量辐射源；4）从同步加速器辐射源获得。
1.3 X射线的吸收当一束X射线穿过有一定厚度的物质时，其光强和能量会因吸收和散射而显著减小。
物质的原子序数越大，它对X射线的阻挡能力越大，X射线波长越长，即能量越低，越容易被吸收[1] 。
1.4 XRDX射线衍射分析(XRD)是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
X射线衍射法是目前测定晶体结构的重要手段，应用极其广泛。
在实际的应用中将该分析方法分3为多晶粉末法和单晶衍射法。
多晶粉末法常用来测定立方晶系的晶体结构点阵形式、晶胞参数及简单结构的原子坐标，还可以对固体式样进行物相分析等。
衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。
X射线束入射到样品表面后产生衍射，检测器收集衍射X射线信息。
当入射波长λ、样品与X射线束夹角θ及样品晶面间距d满足布拉格公式时，检测器可以检测到最强的信息。
因此采集入射和衍射X射线的角度信息及强度分布，可以获得晶面点阵类型、点阵常数、晶体取向、缺陷和应力等一系列有关材料结构信息[2]，确定点阵参数的主要方法是多晶X射线衍射法[3]。
材料研究方法-第三章X射线衍射分析
X射线衍射分析的优势和局限性
1 优势和应用价值
X射线衍射分析能够提供高分辨率的晶体结构信息，可用于研究材料相变、配位化学、催 化作用等领域。
2 局限性
X射线衍射分析只对晶体材料适用，对非晶态和纳米材料无法应用。
X射线衍射分析实例
1
研究锂离子电池电解质固体界面的晶体结构
Hale Waihona Puke 用单晶X射线衍射仪分析高效锂离子电解质与电极材料的交界面结构。
材料研究方法-第三章X射 线衍射分析
欢迎来到材料研究方法-第三章：X射线衍射分析。在这个演示中，我们将介 绍X射线衍射分析的原理、应用及其优势和局限性。让我们来探索这项有趣的 技术！
X射线衍射分析概述
定义和原理
X射线衍射分析是通过分析X射线穿过材料时的 衍射模式，探究材料的晶体结构和组成的技术。
仪器和设备
2
研究含铁亚铁酸盐的质子传导性质
通过Powder X射线衍射技术研究不同硅酸盐基质中铁亚铁酸盐的晶体结构和质 子导电机制。
3
研究金属氧化物的杂质掺杂过程
用Texture X射线衍射仪研究镉氧化物和钴氧化物的杂质掺杂过程，探究了掺杂 元素对材料结构的影响。
X射线衍射分析在材料研究领域中的应用
材料结构
材料相变
• 研究分子晶体的结构和 功能性固体材料的结构
• 探究半导体中的晶格畸变等
• 研究金属的相变和相变 动力学
• 分析材料在不同温度下 的相变特性
配位化学
• 研究金属络合物和配位 化合物的晶体结构和配
• 位探键究不同金属离子之间 的配位作用
新兴技术趋势-暴露在X射线下的人体结构
除了材料研究，X射线衍射技术还被应用于医学领域。最近，有研究者使用层析技术来分析复杂的人体结构， 如神经系统。这为神经疾病的诊断和治疗提供了新的思路。
X射线衍射实验方法和数据分析
X射线衍射实验报告摘要：本实验通过了解到X射线的产生、特点和应用；理解X射线管产生连续X 射线谱和特征X射线谱的基本原理，了解D8xX射线衍射仪的基本原理和使用方法，通过分析软件对测量样品进行定性的物相分析。
关键字：布拉格公式晶体结构，X射线衍射仪，物相分析引言：X射线最早由德国科学家W.C. Roentgen在1895年在研究阴极射线发现，具有很强的穿透性，又因x射线是不带电的粒子流，所以在电磁场中不偏转。
1912年劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，证实了X射线本质上是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为10nm到10–2nm之间，与晶体中原子间的距离为同一数量级，是研究晶体结构的有力工具。
物相分析中的衍射方法包括X射线衍射，电子衍射和中子衍射三种，其中X射线衍射方法使用最广，它包括德拜照相法，聚集照相法，和衍射仪法。
实验目的：1. 了解X射线衍射仪的结构及工作原理2. 熟悉X射线衍射仪的操作3. 掌握运用X射线衍射分析软件进行物相分析的方法实验原理：（1）X射线的产生和X射线的光谱实验中通常使用X光管来产生X射线。
在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。
发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。
这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。
对于特征X光谱分为（1）K系谱线:外层电子填K层空穴产生的特征X射线Kα、Kβ…（2）L系谱线:外层电子填L层空穴产生的特征X射线Lα、Lβ…如下图1图1 特征X射线X射线与物质的作用X射线与物质相互作用产生各种复杂过程。
就其能量转换而言，一束X射线通过物质分为三部分：散射，吸收，透过物质沿原来的方向传播，如下图2，其中相干散射是产生衍射花样原因。
第二章X射线衍射分析方法及应用
告诉你答案。
第二章X射线衍射分析方法及应用
物相定性分析的基本原理：
（1）每一种物相都产生自己 特有的衍射花样，两种物相 不会给出完全相同的衍射花 样。 （2）多相试样的衍射花样是 各自相衍射花样的机械叠加 ，互不干扰。
第二章X射线衍射分析方法及应用
粉末衍射卡（Powder Diffraction File，简 称PDF） ➢PDF标准卡分为有机物和无机物两大类， ➢每张卡片记录一个物相。 ➢为说明卡片内容，可将卡片分为10个区。
第二章X射线衍射分析方法及应用
10 第二章X射线衍射分析方法及应用
PDF卡的内容分述如下: 区间la、1b、1c：低角度区(2<90°) 的
第二章X射线衍射分析方法及应用
区间6：样品来源、制备方式及化学分析数 据等，其中标出热处理、照相或扫描的温 度。
第二章X射线衍射分析方法及应用
区间7：物相的化学式和名称。 区间8：物相的矿物名。本区右上角为表示卡片 数据可靠程度的符号，其中 — 数据有较高的可靠性；
i — 数据可靠性稍差，表示资料经过指标化， 强度是估计的，准确性不如星号；
如, Diffractometer代表衍射仪法； Ref．—该区数据来源。
第二章X射线衍射分析方法及应用
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； Dx — 计算的密度; Ref．— 该区数据来源。
最后判定存在的物相。 第二章X射线衍射分析方法及应用
X射线衍射分析方法
e−2D
A(θ)
I1 = R1 C1 I2 R2 C2
对于两相： C1 + C2 = 1
18
实线为理论计算值
19
20
哈氏无机数值索引： 每一种物质占一行、依次为8条强线的晶面间距及相对强度（用数 字表示,其中x为100％），化学式，卡片号，显微检索号
哈氏索引的编制是按各种物质三条强线中第一个d值的递减次序划 分成51个小组（即51个晶面间距范围），每一小组第一个d值的变 化范围都标注在哈氏数值索引各页的书眉上，以便查阅。
µβ ρβ
)+
µβ ρβ
16
二、外标法
X射线物相的定量分析
若混合物中含有n相（n大于2），各相的μm不相等，此时可往 试样中加入标准物质，把试样中待测相的某根衍射线条强度与 标准物质的某根衍射线条强度相比较，从而求得待测相含量。 仅适用于粉末试样。
设加入的标准物质用S表示，其质量分数为Ws。被分析的相在
第一篇 X射线衍射分析
第一章 X射线的产生和性质 第二章 X射线的衍射原理 第三章 X射线衍射分析方法
X射线衍射仪的构造及几何光学 X射线衍射仪的测量方法和实验参数
第四章 X射线物相分析
1
2
X射线衍射仪的构造及几何光学
X射线衍射仪包括X射线发生器，测角仪，探测器和测 量记录系统。其中测角仪和探测器是两个关键部件 一、测角仪
一、计数测量方法
1、连续扫描测量法 2、阶梯扫描测量法法 二、实验参数的选择
1、光阑的选择 梭拉光阑固定不变 发散狭缝光阑 1/300，1/120，1/60，1/40，1/20，10，40
发散狭缝光阑B1是用来限制入射线在与测角仪平面平行 方向上的发散角，它决定射线在试样上的照射面积和强 度。对发散光阑B1的选择应以人射线的照射面积不超过 试样的工作表面为原则。
现代材料分析方法实验课讲义——X射线衍射分析2学时11-56页精选文档
n——反射级数，为整数； ——入射X线波长，与X射线管所用的靶材有关。
上式即为布拉格定律或布拉格方程，它把衍射方向、平面
点阵族的间距d(hkl) 和X射线的波长 联系在一起。
01.05.2020
Deliang Chen，Zhengzhou University
4
当波长一定时，对指定的某一族平面点阵(hkl)来说，n数值 不同，衍射的方向也不同。n=1, 2, 3,……，相应的衍射角 为1, 2, 3,……，而n=1, 2, 3等衍射分别为一级、二级、三
可以证明，在衍射hkl中，通过晶胞原点的衍射波与通过第 j个原子（坐标为xj，yj，zj）的衍射波的周相差为:
j = 2(hxj +kyj +lzj)。
01.05.2020
Deliang Chen，Zhengzhou University
9
若晶胞中有n个原子，每个原子散射波的振幅（即原子散射
因子）分别为f1, f2, , fj, , fn，各原子的散射波与入射波的
2
当入射角与散射角相等时，一层原子面上所有散射波干涉 将会加强。与可见光的反射定律类似，X射线从一层原子面 呈镜面反射的方向，就是散射线干涉加强的方向。因此， 将这种散射称为从晶面反射。
下面讨论两相邻原子面的散射波的干涉：
过D点分别向入射 线和反射线作垂线， 它们的光程差为：
=AB+BC=2dsin
级衍射。为了区别不同的衍射方向，可将上式改写为：
[2d(hkl)sinn ]/n =
带有公因子n的晶面指标(nh nk nl)是一组和(hkl)平行的晶面， 晶面间距d (nh nk nl)和相邻两个晶面的间距d (hkl)的关系为：