实验原理
X射线衍射的基本原理:
1895年,德国物理学家伦琴(W. C. Rontgen)发现了穿透力特别强的X射线。X射线是一种波长很短(约为20~)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。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( 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。当一束单色X射线入射到晶体时,由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成,这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级,故由不同原子散射的X射线相互干涉,在某些特殊方向上产生强X射线衍射,衍射线在空间分布的方位和强度,与晶体结构密切相关,每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。这就是X射线衍射的基本原理。
与X射线有关的诺贝尔奖
X射线在光谱中位置:
X射线波长在电磁谱中,介于紫外线和γ射线之间
X射线的产生
X射线是一种频率很高的电磁波,其波长为10-8-10-12m远比可见光短得多,因为其穿透力很强,并且其在磁场中的传播方向不受影响。小提示:X射线具有一定的辐射,对人体有一定的副作用,目前主要铅玻璃来进行屏蔽。
X射线是由高速运动的电子流或其他高能辐射流(γ射线、中子流等)流与其他物质发生碰撞时骤然减速,且与该物质中的内层原子相互作用而产生的。
不同的靶材,因为其原子序数不同,外层的电子排布也不一样,所以产生的特征X射线波长不同。使用波长较长的靶材的XRD所得的衍射图峰位沿2θ轴有规律拉伸;使用短波长靶材的XRD谱沿2θ轴有规律地被压缩。但需要注意的是,不管使用何种靶材的X射线管,从所得到的衍射谱中获得样品面间距d值是一致的,与靶材无关。
辐射波长对衍射峰强的关系是:衍射峰强主要取决于晶体结构,但是样品的质量吸收系数(MAC)与入射线的波长有关,因此同一样品用不同耙获得的图谱上的衍射峰强度会有稍微的差别。特别是混合物,各相之间的MAC都随所选波长而变化,波长选择不当很可能造成XRD定量结果不准确。
因为不同元素MAC突变拥有不同的波长,该波长就称为材料的吸收限,若超过了这个范围就会出现强的荧光散射。所以分析样品中的元素选择靶材时,一般选择原子序数比靶的元素的原子序数小1至4。就会出现强的荧光散射。例如使用 Fe 靶分析主要成分元素为 Fe Co Ni 的样品是合适的,而不适合分析含有Mn Cr V Ti 的物质常见的阳极靶材有:Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, W,最常用的是Cu靶。
X射线衍射仪
基本构成
(1) 高稳定度X射线源提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度。
(2) 样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。
(3) 射线检测器检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录
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