现代材料分析测试技术.ppt

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1、X射线衍射晶体学晶体和非晶体 晶体晶体是质点（原子、离子或分子）在空间按一是质点（原子、离子或分子）在空间按一定规律周期性重复排列构成的固体物质。定规律周期性重复排列构成的固体物质。非晶体非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）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，叫性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性各向同性”。它没有固定的熔点。所以有人把非晶体叫做它没有固定的熔点。所以有人把非晶体叫做“过过冷液体冷液

2、体”或或“流动性很小的液体流动性很小的液体”。晶体的基本性质晶体的基本性质1 1 均一性均一性：指晶体内部在其任一部位都具有相同性质的特性。如密度、：指晶体内部在其任一部位都具有相同性质的特性。如密度、化学性质。化学性质。2 2 异向性：异向性：指晶体的性质因观测方向的不同而表现出差异的特性。如硬指晶体的性质因观测方向的不同而表现出差异的特性。如硬度，解理。度，解理。3 3 对称性：对称性：指晶体中的相同部分或性质，能够在不同方向或位置上有规指晶体中的相同部分或性质，能够在不同方向或位置上有规律地重复出现。律地重复出现。4 4 自限性：自限性：指晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特点。指

3、晶体能自发地形成封闭的凸几何多面体外形的特点。5 5 最小内能：最小内能：指的是在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶态相指的是在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶态相比较，其内能最小，因而晶体的结构也是最稳定的。比较，其内能最小，因而晶体的结构也是最稳定的。6 6 稳定性：稳定性：由于晶体有最小的内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状由于晶体有最小的内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。态。7 7 固定的熔点固定的熔点空间点阵 为了探讨千变万化的晶体结构的一些共为了探讨千变万化的晶体结构的一些共同规律，可以把晶体结构进行几何抽象。同规律，可以把晶体结构进行几何抽象。抽象的方法是把晶体结

4、构中各周期重复单抽象的方法是把晶体结构中各周期重复单位中的等同点抽象成一个仅代表重心位置位中的等同点抽象成一个仅代表重心位置而不代表组成、重量和大小的几何点，这而不代表组成、重量和大小的几何点，这些几何点称为结点或点阵点。些几何点称为结点或点阵点。晶胞晶胞 结点在空间周期性排列的几何图形，就称为晶结点在空间周期性排列的几何图形，就称为晶体结构的空间点阵。连接结点中相邻结点而成的体结构的空间点阵。连接结点中相邻结点而成的单位平行六面体，称为单位平行六面体，称为晶胞晶胞。选取晶胞的条件：选取晶胞的条件：能同时反映出空间点阵的周期性和对称性；能同时反映出空间点阵的周期性和对称性；在满足在满足的条件下

5、有尽可能多的直角；的条件下有尽可能多的直角；在满在满和和的条件下，体积最小。的条件下，体积最小。晶面指数 描述晶面或一族互相平行面网在空间位置描述晶面或一族互相平行面网在空间位置的符号（的符号（hkl）称为）称为晶面符号晶面符号或或密勒符号密勒符号。其中其中hkl称为称为晶面指数晶面指数或或晶面指标晶面指标。晶面指数确定方法晶面指数确定方法：取晶面在各晶轴上的取晶面在各晶轴上的截距系数截距系数p、q、r的倒数的倒数1/p、1/q、1/r，化，化简成互质的整数比简成互质的整数比h：k：l，用（，用（hkl）表）表示这组晶面。示这组晶面。晶面指数确定方法晶向与晶向指数 在晶体点阵中，连接两个结点的

6、直线所确定的在晶体点阵中，连接两个结点的直线所确定的方向称为晶向。晶向用晶向指数方向称为晶向。晶向用晶向指数 uvw 表示。确定表示。确定晶向指数的方法：晶向指数的方法：（1 1）在一簇互相平行的结点直线中引出过坐标）在一簇互相平行的结点直线中引出过坐标原点的直线；原点的直线；（2 2）在该直线上选距原点最近的结点，量出它）在该直线上选距原点最近的结点，量出它的结点坐标；的结点坐标；（3 3）将三个坐标用方括号括起来，即为该结点）将三个坐标用方括号括起来，即为该结点直线的晶向指数。直线的晶向指数。晶向为空间向量，向量坐标晶向为空间向量，向量坐标为（为（u,v,w）。）。晶带 在晶体结构中平行某

7、一在晶体结构中平行某一晶向的所有晶面均属于同晶向的所有晶面均属于同一个一个晶带晶带，这些晶面叫做，这些晶面叫做晶带面。晶带面的交线相晶带面。晶带面的交线相互平行，其中通过坐标原互平行，其中通过坐标原点的那条平行直线叫做点的那条平行直线叫做晶晶带轴带轴,用用uvw 表示。晶带表示。晶带轴的指数即为该晶带的指轴的指数即为该晶带的指数。同一晶带中包含有各数。同一晶带中包含有各种不同晶面族的晶面。种不同晶面族的晶面。衍射的概念衍射的概念衍射的概念：衍射的概念：衍射是由于存在某种位相关系的两个或两衍射是由于存在某种位相关系的两个或两个以上的波相互叠加所引起的一种物理现个以上的波相互叠加所引起的一种物理现

8、象。象。这些波必须是相干波源这些波必须是相干波源(同方向、同频率、同方向、同频率、位相差恒定位相差恒定)X射线的衍射射线的衍射 X射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量的射线在晶体中的衍射现象，实质上是大量的原子散射波互相干涉的结果，每种晶体所产生的原子散射波互相干涉的结果，每种晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。衍射花样的特征有两方面来定义：衍射花样的特征有两方面来定义：1）衍射线在空间的分布规律（衍射方向）衍射线在空间的分布规律（衍射方向）它由晶胞的大小、形状、和位向所决定。它由晶胞的大小、形状、和位向所决定。2）衍射线的强度）衍射线的

9、强度 它取决于原子的品种和它在晶胞中的位置。它取决于原子的品种和它在晶胞中的位置。布拉格方程l当波程差等于波长当波程差等于波长整数倍时，就会发整数倍时，就会发生相长干涉，即生相长干涉，即 n=2dSin ln称为反射级称为反射级,可为可为1，2，3晶体的晶体的X射线衍射射线衍射布拉格方程布拉格方程：2dSin =n其中：其中：d 是面间距（晶格常数）是面间距（晶格常数）是入射是入射X射线的波长射线的波长 是入射线或反射线与反射面的夹角，是入射线或反射线与反射面的夹角，称为掠射角称为掠射角,由于它等于入射线与衍射线夹由于它等于入射线与衍射线夹角的一半角的一半,故又称为半衍射角故又称为半衍射角,把

10、把2 称为衍称为衍射角射角布拉格方程讨论 产生衍射的条件：产生衍射的条件：根据布拉格方程，根据布拉格方程，sin 不能大于不能大于1，因此：，因此：对衍射而言，对衍射而言，n的最小值为的最小值为1，所以在任，所以在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为 2d。反射级数与干涉级数 将布拉格方程中的将布拉格方程中的n隐含在隐含在d中得到简化中得到简化的布拉格方程：的布拉格方程：2dHKLSin =n 把（把（hkl）晶面的）晶面的n级反射看成为与级反射看成为与（hkl）晶面平行、面间距为）晶面平行、面间距为(nh,nk,nl)的的晶面的一级反射。晶面的一级反射。面间距为面间距为dHKL的晶面并不一定是晶体中的晶面并不一定是晶体中的原子面，而是为了简化布拉格方程所引的原子面，而是为了简化布拉格方程所引入的反射面，我们把这样的反射面称为干入的反射面，我们把这样的反射面称为干涉面。干涉面的面指数称为干涉指数。涉面。干涉面的面指数称为干涉指数。布拉格方程的应用布拉格方程的应用（1 1）X X射线光谱分析射线光谱分析 已知晶格常数已知晶格常数d d 及亮斑的位置，可求及亮斑的位置，可求x x射线的波长。射线的波长。（2 2）X X射线晶体结构分析射线晶体结构分析根据图样及根据图样及 ，可研究晶格结构和，可研究晶格结构和x x射线本身的性质。射线本身的性质。