X-射线末衍射法物相定性分析.doc

X射线粉末衍射法物相定性分析 粉末衍射也称为多晶体衍射，是相对于单晶体衍射来命名的，在单晶体衍射中，被分析试样是一粒单晶体，而在多晶体衍射中被分析试样是一堆细小的单晶体（粉末）。每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。当X射线被晶体衍射时,每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样。利用X射线衍射仪实验测定待测结晶物质的衍射谱，并与已知标准物质的衍射谱比对,从而判定待测的化学组成和晶体结构这就是X射线粉末衍射法物相定性分析方法。 一.实验目的及要求 （1）学习了解X射线衍射仪的结构和工作原理; （2）掌握利用X射线粉末衍射进行物相定性分析的原理; （3）练习用计算机自动检索程序检索PDF(ASTM)卡片库，对多相物质进行相定性分析。 二. 实验原理 通过晶体的布喇菲点阵中任意3个不共线的格点作一平面，会形成一个包含无限多个格点的二维点阵，通常称为晶面。相互平行的诸晶面叫做一晶面族。一晶面族中所有晶面既平行且各晶面上的格点具有完全相同的周期分布。因此，它们的特征可通过这些晶面的空间方位来表示。要标示一晶面族，需说明它的空间方位。晶面的方位（法向）可以通过该面在3个基矢上的截距来确定。 对于固体物理学原胞，基矢为，，，设一晶面族中某一晶面在3基矢上的交点的位矢分别为，，，其中，，叫截距，则晶面在3基矢上的截距的倒数之比为 其中为互质整数，可用于表示晶面的法向，就称为该晶面族的面指数，记为 。最靠近原点的晶面在坐标轴上的截距为，，。同族的其他晶面的截距为这组最小截距的整数倍。 在实际工作中，常以结晶学原胞的基矢，，为坐标轴表示面指数。此时，晶面在3坐标轴上的截距的倒数比记为 整数用于表示晶面的法向，称为该晶面族的密勒指数，记为。 若某一晶面在，，3坐标轴的截距为4，1，2，则其倒数之比为，该晶面族的密勒指数为；若某一截距为无限大，则晶面平行于某一坐标轴，相应的指数就是零；当截距为负数时，在指数上部加一负号，如某一晶面的截距为，则密勒指数为。一组密勒指数代表无穷多互相平行的晶面，所有等价的晶面用来统一表示。一组晶面的面间距用表示。 下图为一简单立方面的示意图(左)。 图一. 简单立方面的示意图和平面点阵族的衍射方向 晶体的空间点阵可以划分成若干个平面点阵族。点阵平面族是一组相互平行间距相等的平面。X射线入射到这族平面点阵上，若入射线与点阵平面的交角为，并满足 （n为整数，h，k,l为晶面指标，有关晶面指标以及晶胞参数等的详细知识请参看有关教材） 的关系时，各个点阵平面的散射波在入射波关于晶面法线对称的方向相互加强产生衍射。上式称为Bragg方程。 每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质,它们的晶胞大小,质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此,当X射线被晶体衍射时,每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样,它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度I/I0来表征。其中晶面间距d与晶胞的形状和大小有关,相对强度则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I0是其晶体结构的必然反映,因而可以根据它们来鉴别结晶物质的物相。 当多种结晶状物质混合或共生（如固溶体），它们的衍射花样也只是简单叠加，互不干扰，相互独立。 获得的衍射花样与已知大量标准单相物质的衍射花样对比，可以判断出待测式样所包含晶体的物相。 与化学分析不同，X射线衍射分析不仅可以得出组成物质的元素种类及其含量，也能说明其存在状态。例如有两种晶体物质混合在一起，经化学分析指出有Ca+、 Na+、 Cl-及SO42-，X射线衍射分析可以直接指出它们是CaS04和NaCl还是Na2S04和CaCl2。在区分物质的同素异构体时，X射线衍射分析更是具有独特的优势。另外X射线衍射分析使试样受X射线照射,不发生化学反应,也不消耗试样,对试样是无损的。 三. 实验仪器 图二 X射线衍射仪 本实验使用的仪器是Y-2000射线衍射仪( 丹东制造)。X射线衍射仪主要由X射线发生器(X射线管),测角仪,X射线探测器,计算机控制处理系统等组成。 1.X射线管 用阴极射线（高速电子束）轰击对阴极（靶）的表面能获得足够强度的X射线。各种各样专门用来产生X射线的X射线管工作原理可用下图表示： 图三.X光管的工作原理 当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，在极间的高压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出，这种形式产生的辐射称为轫致辐射。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，绝大部分能量都转化为热能，所以，在工作时X射线管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免对阴极被加热至熔化，受到损坏。　 阴极