...wd......wd......wd...中南大學(xué)X射線衍射實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料學(xué)專業(yè)1305班班級(jí)姓名學(xué)號(hào)0603130500同組者無(wú)實(shí)驗(yàn)日期2015年12月05日指導(dǎo)教師黃繼武評(píng)分分評(píng)閱人評(píng)閱日期實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆誜射線衍射儀的工作原理、操作方法；掌握X射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品制備方法；學(xué)會(huì)X射線衍射實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立完成一個(gè)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)試；學(xué)會(huì)MDIJade6的根本操作方法；學(xué)會(huì)物相定性分析的原理和利用Jade進(jìn)展物相鑒定的方法；學(xué)會(huì)物相定量分析的原理和利用Jade進(jìn)展物相定量的方法。本實(shí)驗(yàn)由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)組成，實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)原理1衍射儀的工作原理特征X射線是一種波長(zhǎng)很短(約為20～0.06nm)的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶〞產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征〔或標(biāo)識(shí)〕X射線?？紤]到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄(M.von

Laue)提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn)：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當(dāng)一束X射線通過(guò)晶體時(shí)將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上加強(qiáng)，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射把戲，便可確定晶體構(gòu)造。這一預(yù)見(jiàn)隨即為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子(W.

H.

Bragg,

W.

L

Bragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的根基上，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體構(gòu)造，并提出了作為晶體衍射根基的著名公式──布拉格定律：2dsinθ=nλ式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。當(dāng)X射線以掠角θ〔入射角的余角，又稱為布拉格角〕入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面面上時(shí)，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。2物相定性分析原理1)每一物相具有其特有的特征衍射譜，沒(méi)有任何兩種物相的衍射譜是完全一樣的2)記錄物相的衍射譜，并保存為PDF文件3)從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全一樣的物相4)多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡(jiǎn)單疊加，互不干擾，檢索程序能從PDF文件中檢索出全部物相3物相定量分析原理X射線定量相分析的理論根基是物質(zhì)參與衍射的體積活重量與其所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度成正比。當(dāng)不存在消光及微吸收時(shí)，均勻、無(wú)織構(gòu)、無(wú)限厚、晶粒足夠小的單相時(shí)，多晶物質(zhì)所產(chǎn)生的均勻衍射環(huán)上單位長(zhǎng)度的積分強(qiáng)度為：式中R為衍射儀圓半徑，Vo為單胞體積，F(xiàn)為構(gòu)造因子，P為多重性因子，M為溫度因子，μ為線吸收系數(shù)。儀器與材料儀器：18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDIJade6實(shí)驗(yàn)材料：CaCO3+CaSO4、Fe2O3+Fe3O4實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備樣品；翻開(kāi)X射線衍射儀；按下“Door〞按鈕，聽(tīng)到報(bào)警；向右拉開(kāi)“常規(guī)衍射儀門(mén)〞，裝好樣品；向左輕拉“常規(guī)衍射儀門(mén)〞，使之合上；翻開(kāi)“控制測(cè)量〞程序，輸入實(shí)驗(yàn)條件和樣品名，開(kāi)場(chǎng)測(cè)量；表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max2500型X射線衍射儀10-808°/min40KV250mA按一樣的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2物相鑒定翻開(kāi)Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊S/M工具按鈕，進(jìn)入“Search/Match〞對(duì)話界面;選擇“Chemistryfilter〞，進(jìn)入元素限定對(duì)話框，選中樣品中的元素名稱，然后點(diǎn)擊OK返回對(duì)話框，再點(diǎn)擊OK；從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)據(jù)；在主要相鑒定完成后，對(duì)剩余未鑒定的衍射峰涂峰，做“Search/Match〞，直至全部物相鑒定出來(lái)。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“打印機(jī)〞圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“Save〞按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。以同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相,物相鑒定實(shí)驗(yàn)完成。3物相定量分析在Jade窗口中，翻開(kāi)一個(gè)多相樣品的衍射譜；完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時(shí)，選擇有RIR值的PDF卡片；選擇每個(gè)物相的主要未重疊的衍射峰進(jìn)展擬合，求出衍射峰面積；選擇菜單“Options|EasyQuantitative〞，按絕熱法計(jì)算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù)；按下“Save〞按鈕，保存定量分析結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計(jì)算公式:,五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1物相鑒定結(jié)果1〕CaCO3+CaSO4圖中鑒定出的物相為CaCO3與Ca(SO4)(H2O)2，與原給定物CaCO3+CaSO4相比存在不同，可認(rèn)為是原物質(zhì)存放時(shí)間較長(zhǎng)后吸收了空氣中的水蒸氣。2〕Fe2O3+Fe3O4鑒定結(jié)果與原給定物一樣，吻合完好，物質(zhì)為Fe2O3+Fe3O4。2定量分析結(jié)果3點(diǎn)陣常數(shù)準(zhǔn)確測(cè)定結(jié)果1〕CaCO32〕Ca(SO4)(H2O)23〕Fe2O34〕Fe3O4六結(jié)果與討論1衍射現(xiàn)象與晶體構(gòu)造之間的關(guān)系X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)上是大量的原子散射波互相干預(yù)的結(jié)果。每種晶體所產(chǎn)生的的衍射把戲都反映出晶體內(nèi)部的原子分布規(guī)律。概括地講，一個(gè)衍射把戲的特征，可以認(rèn)為由兩個(gè)方面內(nèi)容組成：一方面是衍射線在空間的分布規(guī)律〔衍射幾何〕，另一方面是衍射線束的強(qiáng)度。衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定的，而衍射線的強(qiáng)度則取決于原子的品種和它們?cè)诰О械奈恢?。為了通過(guò)衍射現(xiàn)象來(lái)分析晶體內(nèi)部構(gòu)造的各種問(wèn)題，必須在衍射現(xiàn)象與晶體構(gòu)造之間建設(shè)起定性的定量的關(guān)系?，F(xiàn)只討論布拉格方程。布拉格方程2dsinθ=nλ式中d為相鄰兩個(gè)晶面之間的距離；θ為入射線或反射線與晶面的交角；λ為X射線波長(zhǎng)；n為正整數(shù)。該式是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射必須滿足的根本條件，它反映了衍射線方向與晶體構(gòu)造之間的關(guān)系，首先由英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子于1912年導(dǎo)出。布拉格方程與勞厄方程雖然表達(dá)方式不同，但其實(shí)質(zhì)是一樣的。布拉格方程的討論用布拉格定律描述X射線在晶體中的衍射幾何時(shí)，是把晶體看做是由許多平行的原子面堆積而成，把衍射線看作是原子面對(duì)入射線的反射。這也就是說(shuō)，在X射線照射到的原子面中所有原子的散射波在原子面反射方向上的相位是一樣的，是干預(yù)加強(qiáng)的方向。從布拉格方程可以看出，在波長(zhǎng)一定的情況下，衍射線的方向是晶面間距d的函數(shù)。不同晶系的晶體，或者同一晶系而晶胞大小不同的晶體，其衍射把戲是不同的。由此可見(jiàn)，布拉格方程可以反映出晶體構(gòu)造中晶胞大小及形狀的變化。但是，布拉格方程并未反映出晶胞中原子的品種和位置。譬如，簡(jiǎn)單晶胞和體心晶胞衍射把戲的區(qū)別，由單一種類原子構(gòu)成的體心晶胞和由A、B兩種原子構(gòu)成的體心晶胞衍射把戲的區(qū)別，在布拉格方程中均得不到表達(dá)，因?yàn)椴祭穹匠讨胁话臃N類和坐標(biāo)的參量。因此，在研究晶胞中原子的位置和種類的變化時(shí)，還需要有其他的判斷依據(jù)。從上述產(chǎn)生衍射的條件可以看出，并不是隨便把一個(gè)晶體置于X射線照射下都能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。例如，一束單色光照射一個(gè)固定不動(dòng)的單晶體，就不一定能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，因?yàn)樵谶@種情況下，反射球面完全有可能不與倒易陣點(diǎn)相交。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法時(shí)，一定要保證反射球能有充分的時(shí)機(jī)與倒易陣點(diǎn)相交，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是使反射球面掃過(guò)某些倒易陣點(diǎn)，這樣，反射球永遠(yuǎn)有時(shí)機(jī)和倒易陣點(diǎn)相交而產(chǎn)生衍射。要做到這一點(diǎn)，就必須使反射球或晶體其中之一處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或者相當(dāng)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2物相分析如果試樣中只含一個(gè)或兩個(gè)相，一般只要選一次三強(qiáng)線進(jìn)展檢索，就可以查出所需要的條目和PDF卡片。但對(duì)三相或者更多相的分析，就復(fù)雜得多，因?yàn)橐粋€(gè)相一個(gè)相的鑒定，由繁到簡(jiǎn)地進(jìn)展分析，選取三強(qiáng)線的搭配方案更多，因此重復(fù)檢索的次數(shù)就更多，但每次步驟一樣。在進(jìn)展定性相分析時(shí)，如果預(yù)先知道被測(cè)試樣中可能存在的相，可以先通過(guò)相的英文名稱檢查字母索引，找出有關(guān)的PDF卡片與被測(cè)試樣的衍射把戲進(jìn)展核對(duì)，從中確認(rèn)所含的相，剩下的未知相的分析程序?qū)?huì)