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X射线吸收简介

X射线吸收简介
X射线吸收简介

一、X 射线吸收简介

X 射线穿过厚度为x 的样品后,其强度0I 会因为吸收而衰减为I (见图1),由此我们可以定义X 射线吸收系数

x I I E )ln()(0-

X 射线吸收谱就是测量X 射线吸收系数随X 射线能量的变化曲线。从吸收系数与入射光子能量的关系曲线中,可以观察到曲线有三个基本特征(见图2):

1)随着入射光子能量的增加,总的吸收系数在减小;

2)在特定的能量点,吸收系数会阶梯函数式的急剧增加,这个能量点称为吸收边;

3)吸收边之后,出现会出现一系列的摆动或者振荡,这种小结构一般为吸收截面的百分之几。

图 1 X 射线吸收过程,0I 为入射光强,I 为

出射光强,样品厚度为x ,吸收系数被定义为μ

图2X 射线吸收系数随光子能量的变化曲线, 321L L L 、、、K 分别对应23p 221p 2s 2s 1、、、电子吸收边

第一个特征就是众所周知的X 原子对射线的吸收现象,它是光滑且单调下降的曲线,在数据处理中我们可以将它作为本底扣除。

第二个特征的能量位置对于给定的吸收原子是独一无二的;源于内壳层电子的激发能量,入射光子激发原子芯能级电子跃迁到自由态或空态。

最后一个特征即所谓的XAFS 曲线,它包含着体系的结构信息。合理分析XAFS 谱,能够获得关于材料的几何结构以及电子和振动特性信息。在许多科学领域里,如生物、化学、电子、地质、材料等,对局域原子结构信息(如原子的种类、数目以及所处的位置等)的了解是极其重要。但是目前还没有其它的实验手段能够比较好地给出无序体系的结构信息,因此XAFS 是一个非常重要的实验手段。

XAFS 谱)(k χ宏观上可以定义为:在给定的吸收边能量以上,归一化的X 射线吸收谱的振荡部分,即

00)]()([)(μμμχ?-=E E k (1) 其中)(0E μ是一个关于能量平滑变化的函数,相当于中心吸收原子在周围没有散射原子情况下的吸收系数;0μ?是归一化因子,近似等于吸收边前后本底信号的跳跃幅度。

原子的X 射线吸收谱

对于分子和凝聚态体系,XANES 共振峰和EXAFS 信号不过是在原子吸收截面上叠加由于光电子被配位原子散射而导致的调制信号。在这里我们很有必要详细讨论一下原子的吸收谱。

原子的吸收系数σ可以写为单个原子吸收截面σ的表达式,为σσn =,其中n 为单位体积内的原子密度(每立方厘米有1024个原子)。 在X 射线与原子的相互作用中,有两个主要的截然不同的效应要考虑:

a) 光电吸收截面:X 射线作用在原子上,原子内的电子被激发到较高能级或者电离到真空能级,在原子内留下空穴;

b) 光电散射截面:X 射线被原子中的电子散射。

我们知道每种原子都有自己的一套电子能级,在基态时原子的内层电子能级都填充有电子,当X 射线的能量刚好能够将内层电子激发到某个空态能级或者真空能级,X 射线将会发生共振吸收,这

种吸收过程可以用爱因斯坦提出的光电吸收效应来解释。

当原子的内层电子被X 射线激发出来以后,将在原子内产生空穴。因此空穴的产生是由于吸收的结果,空穴的数目应与X 射线吸收吸收成正比。原子内层出现空穴后,原子处于不稳定的激发态,满足选择定则的外层电子将会退激发到这个空穴位置。这种退激发存在两种不同的过程(见图3): a) X 射线荧光过程:X 射线激发出内层电子,在原子中留下一个空穴,满足选择定则的较高能级上的电子将驰豫到这个空穴位置,能级之间的能量差以X 射线荧光的形式发出。

b) 俄歇过程:例如当X 射线激发出原子中K 层电子留下空穴后,处于LIII 的电子将驰豫到这个空穴,释放出能量,用于激发LI 上的电子离开原子,形成LIII 和LI 上各有一个空穴的终态,发射的电子成为I III L KL 俄歇电子。

a)

b) 图3 原子的两种退激发过程:a) 荧光过程;b) 俄歇过程。

X 射线作用在原子上,除了光电吸收而导致的衰减之外,原子内的电子还会散射X 射线而导致X 射线进一步衰减。原子对X 射线的散射主要有下面两种类型:

a) 康普顿散射:在等离子体和天体物理中,我们经常碰到这个散射,也就是光子被自由电子的散射,在低能情况下也叫做汤姆逊散射。在原子物理范畴内,它们实际上是光子的能量比原子中电子的束缚能大得多时所发生得光子与束缚电子的散射,因为在这个时候可以近似地把这个束缚电子看作是自由电子。我们常说的康普顿散射引起的新的辐射线的能量低于入射线的能量,因此康普顿散射为非相干散射。在康普顿散射中,当入射光子能量较低或者散射角很小的情况下,散射线的波长将等于入射线的波长,为相干散射,这就是我们所说的汤姆逊散射。也就是说,汤姆逊散射是康普顿散射的低能极限,在小角散射情况下二者也趋于一致。

b) 瑞利散射:对于较轻的原子和重原子中结合较松的外层电子,如果它们的结合能比入射X 射线的能量小得多,我们可以近似为光子与自由电子的作用,这部分为康普顿散射成分;而入射X 射线与原子中的内层电子相互作用产生的散射则为瑞利散射。随着原子序数的增大,电子的结合能增大,具有较大能量的内层电子的数目增多,因而与束缚电子的散射增强,瑞利散射成分增大。瑞利散射不改变入射X 射线的波长,是相干散射。

当X 射线通过一个原子,由于光电效应或者电子对效应而消失,或者由于散射效应而偏离原来的方向,使得透过原子的X 射线光子数减少,这就造成了原子对X 射线的吸收。图4给出X 射线与物质相互作用过程的示意图。图5给出了原子的吸收截面以及光电效应和不同散射效应在不同能量区对吸收截面的影响。

图4 给出X 射线与物质相互作用过程的示意图。

图5 原子的吸收截面以及光电效应和不同散射

效应在不同能量区对吸收截面的影响。

从Cu 原子吸收截面与入射光子能量的关系曲线中,可以观察到曲线有两个基本特征:

1)随着入射光子能量的增加,总的吸收系数在减小; 它是光滑且单调下降的曲线,在数据处理中我们可以将它作为本底扣除。它只与X 射线的波长和元素的原子序数有关,在两个吸收限之间实验得出如下的经验公式:

,(λσλμZ cZ a 34a += 上式中c 为常数,第二项)

,(λσZ a 称为原子散射系数,表示X 射线在其它方向上散射引起的强度损失。对于5.0>λ?的X 射线,a σ与波长无关,与Z 成正比。

第一项随λ的三次方增加,称为原子吸收系数。一般在讨论重元素的X 射线衰减系数时,第二项可以略去不计。原子吸收X 光子后,内层电子被激发出来产生空穴,外层电子可能落入空穴产生荧光,因此第一项又称之为荧光项。对于某一个吸收边两侧,)(λμa 的公式不相同,因为它们相应于不同吸收边以外的连续吸收区。

2)在特定的能量点,吸收系数会阶梯函数式的急剧增加,这个能量点称为吸收边;吸收边的能量位置对于给定的吸收原子是独一无二的;源于内壳层电子的激发能量,入射光子激发原子芯能级电子跃迁到自由态或空态。因此,X 射线吸收谱具有元素选择性。这个壳层对应的能级被称为吸收边,用K 、L1、L2、L3、M1、M2、M3等表示,分别对应1s 、2s 、2p1/2、2p3/2、3s 、3p3/2、3p5/2等电子跃迁到空态所需的光子能量。 图6给出的是Ar 原子K 边吸收曲线,将电离阈E0定为零点。我们注意到,在连续阈以下出现了一系列的离散的吸收峰,这些吸收峰对应于原子1s 电子到np 束缚能级的跃迁,即原子的Rydberg 峰。其形成的原因是入射的X 射线光子的能量比较小,还不足以使光电子电离,而是使光电子跃迁到外层的空轨道,由于电子轨道的能量范围较小,故形成尖锐的分立峰,这些峰的宽度是与对应的激发态的寿命相关的。激发态的存活时间越长,其对应的峰也就越宽。故对于重原子的吸收曲线,我们很难观察到这些Rydberg 峰

图6 Ar 原子K 边吸收曲线(红线),电离阈E0定为零点;

绿色曲线表示Rydberg 峰,蓝色曲线表示内层电子向连续态的跃迁

这些Rydberg 峰我们可以用洛仑兹曲线拟合,见图6中绿色的曲线,表示内层电子向外层束缚能级的偶极跃迁。对于内层电子向连续态的跃迁,我们可以用一个反正切曲线来拟合,见图6中的蓝色曲线。

分子和凝聚体系的X 射线吸收谱

前面我们以及提到,对于原子的近边吸收谱,除了内层电子向未占据的高层束缚态态跃迁而导致的Rydberg 峰之外,一般不存在其它的特征结构。

对于分子,原子的外层价轨道转变称为分子轨道,而较重元素的内层轨道还停留在原子轨道,因而分子的吸收谱在电离阈以下会出现两种结构,一为Rydberg 态,另一为与分子轨道对应的束缚共振。束缚共振一般形成宽且矮的峰,数量也不多,Rydberg 态一般重叠在这些共振峰上。许多实验表明,若分子轨道较弱,原子轨道保留较好,则Rydberg 态较明显;若分子轨道将强,则Rydberg 态就很不明显。

图7显示的是CH4和CF4分子的碳K边X射线吸收谱。

图7显示的是CH4和CF4分子的碳K边X射线吸收谱,我们可以观察到在电离阈以下存在一系列的分立的峰结构叠加在宽化的由于1s电子向空的分子轨道跃迁而导致的共振峰上。

在电离阈以上,CH4分子的XANES谱(后面我们将介绍XANES谱和EXAFS的定义)相似于一个原子吸收谱,没有任何谱结构。而CF4分子的XANES谱在电离阈以上而在EXAFS信号未开始前呈现出两个很强的共振峰。Dehmer和Dill指出在光电子能量为10~40 eV的共振峰与电子被气相中的分子散射中所观察到的“形状共振”有着相同的起源。这个形状共振结构对分子的分子的几何结构非常敏感,例如这个形状共振峰的位置对应于分子中原子间的距离。

Natoli等利用单电子的多重散射理论和自洽场方法,成功地计算出了GeCl4分子中电离阈以上的形状共振峰,见图8。因此,在这里我们不难理解在图7中CH4分子的吸收谱在电离阈以上不呈现任何结构,这是因为吸收原子周围的H原子的散射能力非常的弱。

图8 GeCl4分子的实验(三角曲线)和理论计算(实线)的XANES谱。

虚线分别表示束缚态和连续态对谱的贡献,XANES理论谱为这两则的求和。对于晶体、绝缘体等凝聚物质,吸收谱的形状相当的复杂。除了吸收谱的低能区的结构不同于原子和分子的吸收谱结构之外,在电离阈30~50 eV以上的能量区域吸收谱还呈现出很强的振荡。。

X射线吸收谱的区域划分

对于凝聚体系的X射线吸收谱,我们将它划分为两个不同的部分(见图):

1. X射线吸收近边结构(XANES):吸收边前约10eV到边后50eV或者更后的区域;

2. 延区(EXAFS):从吸收边高能侧大约30eV或50eV开始直到边后近1000eV的区域;

对于X射线吸收近边区域,我们还可以将之细分为下面两个区域:

1. 低能XANES区:从吸收开始,大约向后遍及8~10eV的区域;这一区域也称为“边区”或者“阈区”。

2. 近边区(XANES):这个区域是在电离阈以后直到边后50eV或更长的一段区域,称为连续段

基本原理

X射线衍射分析原理及其应用

X射线衍射分析

目录 1.摘要 (2) 2.前言 (2) 3.X射线及XRD (2) 4.X射线衍射仪的结构 (3) 5.X射线衍射仪的原理 (5) X射线衍射原理 (5) X射线图谱 (6) 6.X射线衍射法 (7) 多晶粉末法 (7) 单晶衍射法 (10) 7.X射线衍射法的应用 (11) X射线衍射分析方法在中药鉴定中的应用 (11) X射线衍射仪在岩石矿物学中的应用 (11) 8.总结 (12) 9.参考文献 (14)

X射线衍射分析 摘要: X射线衍射分析是一种重要的晶体结构和物相分析技术,广泛应用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学、材料生产等领域。本文简要介绍X射线衍射原理,X射线衍射仪器的结构、原理,及其在地质学、医学等自然科学领域中的应用。 前言: 1895年伦琴发现X射线,又称伦琴射线。德国科学家劳厄于1912年发现了X射线衍射现象,并推导出劳厄晶体衍射公式。随后,英国布拉格父子又将此衍射关系用简单的布拉格方程表示出来。到上世纪四、五十年代,X射线衍射的原理、方法及在其他各方面的应用逐渐建立。在各种测量方法中,X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。X射线衍射技术可以探究晶体存在的普遍性和特殊性能,使得其在冶金、石油、岩石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域的被广泛应用。 关键词:X射线,XRD,衍射,原理,岩石矿物,中药,应用 一、X射线及XRD 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。 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。 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]。 4.X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

X射线在医学上的应用(DOC)

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X射线衍射技术在材料分析测试中的应用 摘要:X 射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法, 在众多领域的研究和生产中被广泛应用。介绍了X 射线衍射的基本原理, 从物相鉴定、点阵参数测定、微观应力测定等几方面概述了X 射线衍射技术在材料分析中的应用进展。 1 X射线基本原理 由于X 射线是波长在1000?~0. 01?之间的一种电磁辐射, 常用的X 射线波长约在2. 5?~ 0. 5?之间, 与晶体中的原子间距( 1? )数量级相同, 因此可以用晶体作为X 射线的天然衍射光栅, 这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。 当X射线沿某方向入射某一晶体的时候, 晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉.当每两个相邻波源在某一方向的光程差(Δ)等于波长λ的整数倍时, 它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强, 这种波的加强叫做衍射, 相应的方向叫做衍射方向, 在衍射方向前进的波叫做衍射波。Δ= 0的衍射叫零级衍射, Δ = λ的衍射叫一级衍射, Δ = nλ的衍射叫n级衍射. n不同, 衍射方向也不同。 在晶体的点阵结构中, 具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果, 决定了X射线在晶体中衍射的方向, 所以通过对衍射方向的测定, 可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。 晶体结构= 点阵+ 结构基元, 点阵又包括直线点阵, 平面点阵和空间点阵. 空间点阵可以看成是互不平行的三组直线点阵的组合, 也可以看作是由互相平行且间距相等的一系列平面点阵所组成. 劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发, 研究衍射方向与晶胞参数之间的关系。伦琴发现X射线之后, 1912年德国物理学家劳厄首先根据X 射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级, 理论预见到X 射线与晶体相遇会产生衍射现象, 并且他成功地验证了这一预见, 并由此推出了著名的劳厄定律。

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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]。 二、X射线衍射仪的结构 分析物质X射线衍射的仪器,形式多种多样,用途各异,但仪器构成皆如下图所示,其硬件主要有X射线光源、衍射信号检测系统及数据处理和打印图谱系统等几部分构成。 图1.X射线衍射仪

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XRD在材料分析中的应用

X射线衍射法研究聚丙烯腈原丝的晶态结构 摘要 用X 射线衍射法研究了成纤过程中聚丙烯腈原丝晶态结构的演变规律, 给出了各阶段聚丙烯腈的晶态结构模型。 关键词:聚丙烯腈原丝,晶态结构,X 射线衍射 X-RAY DIFFRACTION STUDIES ON CRYSTALLINE STRCTURE OF PAN PRECUTSORS ABSTRACT The transformation law of crystalline structure of polyacrylonitrile precursors in the process of fiber formation was studied by means of X-ray dif fraction ( XRD) , and a new model for polyacrylonitrile precursor was presented. KEY WORDS :polyacrylonitrile precursors, crystalline structure,X-ray diffraction 引言 聚丙烯腈( polyacrylonitrile, PAN) 原丝在碳纤维的制备中扮演着极其重要的角色。但对于PAN 的晶态结构却一直存在争论, 部分学者基于其具有玻璃化转

变等现象提出两相准晶结构( two-phase sem-i crystalline structure) , 在这种两相模型中包含了“准晶区”(有序区) 以及非晶区(无序区)。而另外的观点[1]则是单相仲晶结构。Hitoshi Yamazaki等报道了一种由X-ray 辐射引发聚合得到的PAN通过稀溶液培养可以得到类单晶PAN。X 射线衍射在PAN 晶态结构的研究上有着重要应用, PAN典型的X 射线衍射图显示有两条强烈的赤道衍射弧( 点阵面间距约0.52nm 和0.30nm) , 子午线方向则出现一个大的漫反射弧。 X 射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质( 晶体或非晶体) 进行衍射分析时, 该物质被X 射线照射产生不同程度的衍射现象, 物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。X 射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此, X 射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法, 已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。日常所用材料(金属、聚合物、石料和药品等)的绝大多数都是结晶体,而材料的各种性能都与晶体结构相关,故研究晶体结构、结构与性能的关系、并据此改进材料或研制新材料是材料研究中的一项重要内容。对材料结构进行表征的方法有很多,但应用最普遍、最重要的一种方法就是X 射线衍射,因为它可以在不同层面上表征材料的多种结构参数,这是许多其他方法所不能取代的[2] 。 1 X 射线衍射基本原理和应用 1.1原理[3] X 射线同无线电波、可见光、紫外线等一样, 本质上都属于电磁波, 只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X 射线的波长较短, 大约在10-8 —10-10 cm之间。X 射线分析仪器上通常使用的X 射线源是X射线管, 这是一种装有阴阳极的真空封闭管, 在管子两极间加上高电压, 阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶, 从而产生X 射线。当X 射线照射到晶体物质上, 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, 与晶体结构密切相不同的晶体物质具有自己独特的衍射花样, 这就是X 射线衍射的基本原理关。 1.2 材料分析的应用 由X 射线衍射原理可知, 物质的X 射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数( 包括晶体结构类型, 晶胞大小,晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等) 。因此,没有两种不同的结晶物质会给出完全

X射线衍射技术在材料分析中的应用_田志宏

V ol .49N o .3工程与试验ENG IN EERI NG &T ES T Sep .2009 [收稿日期] 2009-07-07 [作者简介] 田志宏(1981-),男,河北人,工程师,研究方向:材料分析检测。 X 射线衍射技术在材料分析中的应用 田志宏1 ,张秀华1 ,田志广 2 (1.中冶建筑研究总院有限公司建筑和结构研究中心,北京100088; 2.唐山港陆钢铁有限公司,河北唐山064200) 摘 要:X 射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法,在众多领域的研究和生产中被广泛应用。介绍了X 射线衍射的基本原理,从物相鉴定、点阵参数测定、微观应力测定等几方面概述了X 射线衍射技术在材料分析中的应用进展。 关键词:X 射线衍射技术;晶体结构;材料分析 中图分类号:O434.19 文献标识码:B doi :10.3969/j .issn .1674-3407.2009.03.011 Application of X -ray Diffraction Technology in Material Analysis Tian Zhihong 1,Zhang Xiuhua 1,Tian Zhiguang 2 (1.Central R esearch Institute of Building and Construction ,China Metallurgical Group Corporation ,Beijing 100088,China ;2.Tangshan Ganglu Iron S teel Corporation Limit ,Tangshan 064200,Hebei ,China )Abstract :X -ray diffractio n analysis technology is effective for m aterial analysis ,thus it is w idely used in various research and m anufacture fields .This article intro duced the basic principle of X -ray diffractio n ,and discussed the application pro gress of X -ray diffraction technolo gy in material analy sis ,w hich includes phase identification ,determination of lattice parameter and determina -tion of microcosmic stress etc . Keywords :X -ray diffraction techno logy ;crystal structure ;m aterial analy sis 1 引 言 X 射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X 射线照射产生不同程度的衍射现象,物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。X 射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此,X 射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法,已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。 2 X 射线衍射基本原理 X 射线同无线电波、可见光、紫外线等一样,本质上都属于电磁波,只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X 射线的波长较短,大约在10-8~10-10cm 之间。X 射线分析仪器上通常使用的X 射线源是X 射线管,这是一种装有阴阳极的真空封闭管,在管子两极间加上高电压,阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶,从而产生X 射线。当X 射线照射到晶体物质上,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, · 40·

X射线衍射技术在材料分析中的应用和发展

X射线衍射技术在材料分析中的应用和发展 姓名:班级:s1467 学号:201421801014 摘要:X射线衍射分析技术是一种十分有效的材料分析方法,在各种材料的研究和生产中被广泛应用。本文概要介绍了概要介绍了X射线衍射分析的原理及其相关理论,总结了X射线衍射的各种实验方法,对X射线衍射分析在材料分析中的应用分别进行了叙述,最后对X 射线衍射分析的发展进行了展望。 关键词:X射线衍射技术;晶体结构;材料分析 1 引言 自1896年X射线被发现以来,可利用X射线分辨的物质系统越来越复杂。从简单物质系统到复杂的生物大分子,X射线已经为我们提供了很多关于物质静态结构的信息。 此外,在各种测量方法中,X射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法。当某物质(晶体或非晶体)进行衍射分析时,该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象,物质组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。因此,X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法,已逐步在材料的研究和生产中广泛应用。 2 X射线衍射原理 1912年劳埃等人根据理论预见,并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象,证明了X射线具有电磁波的性质。X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样,本质上都属于电磁波,只是彼此之间占据不同的波长范围而已。X射线的波长较短,大约在10-8~10-10cm 之间。X射线分析仪器上通常使用的X射线源是X射线管,这是一种装有阴阳极的真空封闭管,在管子两极间加上高电压,阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶,从而产生X 射线。 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。这就是X射线衍射的基本原理[1]。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示。 式中d为晶面间距;n为反射级数;θ为掠射角;λ为X射线的波长。布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。 3 X射线衍射技术在材料分析中的应用 由X射线衍射原理可知,物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关。每种结晶物质都有其特定的结构参数(包括晶体结构类型,晶胞大小,晶胞中原子、离子或分子的位置和数目等)。因此,没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样。X射线衍射技术发展到今天,已经成为最基本、最重要的一种材料测试手段,其主要应用主要有以下几个方面:3.1 物相定性分析 不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同,它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异,衍射花样与多晶体的结构和组成有关,一种特定的物相具有自己独特的一组衍射线条(即衍射谱),反之不同的衍射谱代表着不同的物相。通过分析待测试样的X 射线衍射花样,将待分析物质的衍射花样与各种单质的X射线衍射花样对照,从而确定物质的组成相,就成为物相定性分析的基本方法。 3.2 物相定量分析

X射线衍射在材料分析中的应用

X射线衍射在材料分析中的应用 一、X射线的背景及衍射原理 1895年,伦琴首次发现X射线,随后由布拉格父子发现X射线本质是波长很短的电磁波。 X射线衍射技术是利用X射线在晶体、非晶体中衍射与散射效应,进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完整性分析的技术。 由于X射线衍射分析方法具有用量少、对样品的非破坏性、大面积的平均性、对结构和缺陷的灵敏性等特性,使得X射线衍射分析方法的应用范围不断拓展,广泛应用于物理学、化学、分子物理学、医学、药学、金属学、材料学、高分子科学、工程技术学、地质学、矿物学等学科领域。本文仅讨论X射线衍射在材料分析中的一些应用。 材料分析是通过对表征材料的物理性质或物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或特征信息)的检测实现的。采用各种不同的测量信号(相应地具有与材料的不同特征关系)形成了各种不同的材料分析方法。 二、X射线衍射方法 在各种衍射实验方法中,基本方法有单晶法、多晶法和双晶法。 1.单晶衍射法 单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法。 2.多晶衍射法 多晶X射线衍射方法包括照相法与衍射仪法。 三、理论依据 1.物相分析 ⑴X射线物相分析原理:任何结晶物质都有其特定的化学组成和结构参数(包括点阵类型、晶胞大小、晶胞中质点的数目及坐标等)。当x射线通过晶体时,

产生特定的衍射图形,对应一系列特定的面间距d 和相对强度I /I l 值。其中d 与晶胞形状及大小有关,I /I 1与质点的种类及位置有关。所以,任何一种结晶物质的衍射数据d 和I /I 1是其晶体结构的必然反映。不同物相混在一起时,它们各自的衍射数据将同时出现,互不干扰地叠加在一起,因此,可根据各自的衍射数据来鉴定各种不同的物相。 ⑵ 物相分析是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量。物相是决定或影响材料性能的重要因素,因而物相分析在材料、冶金、机械等行业中得到广泛应用,物相分析有定性分析和定量分析两种。 ① 物相定性分析的目的是检测固体样品中的相组成,采用未知样品衍射图谱与标准图谱比较的办法。如果衍射图谱相同即可确定为该物相。但如果样品为多相混合试样时,衍射线条谱多,谱线可能发生重叠,就需要根据强度分解组合衍射图谱来确定。 判断一个物相是否存在有三个条件。第一,标准卡片中出现的峰的位置,样品谱中必须有相应的峰与之对应,即使3条强线对应得都非常好,但如果有另一条较强线位置没有明显出现衍射峰,也不能确定存在该相。第二,标准卡片的峰高强度比(即非最强衍射峰与最强衍射峰的峰高强度比)与样品峰的峰高强度比要大致相同,但一般情况下,对于金属块状样品,由于择优取向的存在,导致峰高强度比不一致,因此,峰高强度比仅可作参考。第三,检索出来的物相包含的元素在样品中必须存在。 ② 物相定量分析就是确定物质样品中各组成相的相含量。 2.介绍物相定量分析的计算方法 ⑴ K 值法,将刚玉(Al2O3)作为普适内标物。PDF 卡片上附加有的RIR 值, 即是K 值,是按样品质量与Al2O3(刚玉)按1∶1的质量分数混合后测量的样品最强峰的积分强度除以(比)刚玉最强峰的积分强度,可写为: 323232O Al A O Al A A O Al I I K K K == (1) 称为以刚玉为内标时A 相的K 值。

x射线分析在材料科学方面的利用

x 射线分析在材料科学方面的利用 刘世艳 23 背景: x 射线衍射方法其被广泛用于材料科学研究中,用于分析材料的晶体结构,晶体位错,材料中的相分析,及各相含量的测定,还能用于材料宏观应力大小及方向的测定。故,深入了解x 射线衍射的机理及应用是材料学科学生的基本技能。针对x 射线衍射分析的机理并结合其在相关专业方面的利用作如下报告。个人收集整理 勿做商业用途 一:x 射线分析方法的基本原理 1.x 射线的产生 将阳极靶和阴极密封在玻璃金属管内,阴极通电加热,在阴极和阳极之间产生几千伏的高压,阴极的电子在高压下冲撞阳极靶产生x 射线。主要利用阳极靶的特征谱与物质的作用。个人收集整理 勿做商业用途 2.X 射线与物质的作用, (1)真吸收(俄歇效应和荧光效应,热效应)真吸收可利用与滤波。 (2)x 射线的散射,分为相干散射、不想干散射,相干散射是x 射线衍射的基础,不相干散射产生的光影是想干散射后的背景。个人收集整理 勿做商业用途 3.x 衍射的方向, 由布拉格方程在能产生X 衍射的方向及晶格间距和X 射线波长应满足θλsin 2d =, 4.x 射线衍射的方法 (1)劳挨法;晶体周转法;粉末法(最常用的方法) 5.X 射线衍射强度 X 射线衍射的强度与晶体结构因数、洛伦兹因数、多重性因数、吸收因数、温度因数等有关。 6.x 射线衍射仪的组成 (1)X 射线衍射仪由x 射线发生器,测角仪,辐射探测器,记录单元和自动控制单元等部分组成,其中测角仪是其中心部分。个人收集整理 勿做商业用途 其衍射试样为平板试样;在测定中,试样和测角仪转到的角度满足1:2;且只有平行于自由表面的且满足布拉格方程的晶面才会发生衍射。个人收集整理 勿做商业用途 (2)计数器的工作原理为进入计数管的射线是惰性气体电离产生的高速电子再次使气体电离出现雪崩反应,在短时间内产生的大量电子涌向阳极将出现一个可以探测到的电流,计数器输出的电压脉冲在脉冲高度分析器和定标器的作用后由打印机将结果输出。个人收集整理 勿做商业用途 (3)X 衍射仪的常规测量:连续扫描用于全谱测量时;步进扫描用于精确测定衍射峰的积分强度位置或提供线性分析的数据。个人收集整理 勿做商业用途 二、相关实验设计 在焊接件里,因为焊接时温度的差异难免引起被焊接金属的晶粒大小发生变化以及因为晶体中的晶格畸变而在晶粒内部出现应力,这将对试样的性能产生严重影响。观测试样晶粒大小和测定晶格畸变是很重要的。下面设计实验,并结合查阅文献及相关软件用x 射线衍射方法对晶体晶粒大小和晶格畸变的测定。本实验设计主要是查阅相关文献得出,实验中的步骤尚未亲自操作。个人收集整理 勿做商业用途 实验报告设计 一、实验目的与要求 1.学习用X 射线衍射峰宽化测定微晶大小与晶格畸变的原理和方法。

X射线衍射在材料科学中的应用

X射线衍射在材料科学中的应用 姓名:王杰 班级:1129201 学号:1112920103

X射线衍射在材料科学中的应用 学号:1112920103 姓名:王杰 摘要: X射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法,并且x射线衍射的应用范围非常广泛, 现已渗透到物理、化学、地球科学、材料科学以及各种工程技术科学中, 成为一种重要的实验方法和结构分析手段, 具有无损试样的优点。本文将主要介绍x 射线衍射及其在材料科学中的应用。 关键词:x射线材料科学物相分析应用 X射线是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射,其波长约为(20~0.06)×10-8厘米之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现,故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领,能透过许多对可见光不透明的物质,如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光,使照相底片感光以及空气电离等效应。而我们对x射线了解最多的无疑是x射线的衍射了,1912年劳埃等人根据理论预见,并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象,证明了X射线具有电磁波的性质,成为X射线衍射学的第一个里程碑。 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,这就是X射线衍射的基本原理。还有在x射线衍射方面最为重要的一个定理即布拉格定理,2d sinθ=nλ。这个公式的得出直接推动了x射线的发展,引起了人们对它的关注。时至今日,x射线衍射的应用范围已非常广泛, 渗透到物理、化学、地球科学、材料科学以及各种工程技术科学中, 成为一种重要的实验方法和结构分析手段, 具有无损试样的优点,它的应用包括物相分析、精密测量晶体点阵参数、宏观应力的测定等。 物质结构的分析尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法,但是 X 射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段, 而且X射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。 关于材料科学方面,x射线的应用相当广泛,我们都知道在研究材料时,其内部微观结构占用很大部分,晶体结构的点阵常数、微观结构、晶粒取向等等的研究都十分重要。所以

X射线在金属材料检测中的应用

X射线在金属材料检测中的应用 摘要:本文介绍X射线及其检测技术在金属材料检测中的应用,特别是针对于材料内部缺陷的无损检测方面做了简要的阐述。X射线检测技术的发展可以有效的降低材料加工中的生产成本,改善金属材料的性能。 关键词:X射线; 层析成像法; 微焦点; 实时成像 1. 引言 金属材料的检测技术伴随着物理及化学学科的发展,为了满足不断提高的生产要求,在近几十年来有了长足的发展,尤其在近年来已经成了生产过程中一种必不可少的手段。在实际的生产中,金属材料的检测方法要符合检测过程方便性和结论数据可靠性的原则,这也是工业界保证产品质量,降低生产及检测成本,提高生产效率的必要条件之一。检测技术在生产中的应用其意义在于,利用对金属的检测结果指导生产工艺和工序和进行必要的调整,从而保证生产中人员和设备的安全[1]。现有且常见的材料检测技术已经能够将金属的微观结构到与之相关的性能建立较好的关联性,但是,我们还认识到大部分的现有检测技术需要经过样品的提取,特别是常见金属材料的检测,对构件或零件取样常常要破坏其使用性能甚至直接报废。在实际生产中,特别是大型构件的生产,要确保较低的成本下较准确地预判定材料中可能出现的缺陷,“破坏”式的检测技术显然不能满足生产的要求。为此,无损检测技术应运而生。 无损检测是在不破坏产品原来的形状并且不改变其使用性能,对产品进行检测(或抽检)的前提下,以确保其可靠性和安全性的检测技术。其检测过的样品只要满足技术要求,即可正常服役。该技术的基本原理是在不损伤被检测对象的条件下,利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化,来探测各种工程材料、零部件和结构件等内部和表面缺陷,并能对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价[2]。无损检测技术主要有:X射线层析成像、红外热成像、超声A扫描及C扫描、声发射、微焦点X射线、超声显微镜、激光检测法、中子照相法、敲击法以及声-超声检测法等。近年来,这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大的进展,特别是用于航天航空领域的陶瓷基复合材料构件的制造中发挥着极为重要的作用[3]。在这些检测中,与X射线相关的检测技术在金属材料为原材料的机械产品检测中[4],如压力容器,已经显示出巨大的优势,并且众多生产企业已经配备了类似的检测设备。 2. X 射线[5] X射线与放射线以及电子并列为19世纪末20世纪初物理学的三大发现。X

X射线衍射在材料分析当中的应用

X射线衍射在材料分析当中的应用 摘要:X射线衍射分析(X-ray diffraction,简称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射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。本文主要介绍X射线衍射分析在材料科学中应用并以测量内应力为例对其进行具体分析。 关键词:材料分析,射线衍射,应用 1912年劳厄衍射实验的成功,为X射线衍射分析的应用开辟了广阔的前景。根据衍射花样可以进行晶体和非晶体的结构测定,研究与结构和结构变化相关的各种问题。X射线衍射的应用已渗透到物理、化学、地质、天文、生命科学、材料科学、石油化工、金属冶金、医药等行业 ,成为非常重要的近代物理分析方法。X 射线衍射分析在石油化工领域的应用包括未知物物相鉴定、催化研究、结晶性聚合物研究。 X射线衍射分析用于催化研究已经有五十余年的历史,近年来由于X射线仪的新发展以及电子计算机技术的应用,使X射线衍射成为催化研究中不可缺少的分析手段。在催化研究中的应用包括催化剂的剖析、催化剂研制及应用过程中各阶段物相组成变化、活性组分变化状况等。从催化剂的剖析结果可以推断催化剂载体和活性组分的类

型。通过对催化剂研制过程中各阶段的样品分析, 帮助了解工艺条件变化对各物相组成的影响。应用过程中各阶段物相组成变化、活性组分变化状况等对于寻找改善催化剂的途径,增加其活性与选择性是十分重要的。 在催化剂的研究中,总要涉及催化剂的活性、稳定性、失活机理等问题,这些问题与催化剂的活性物相有关。催化剂的物相组成、晶粒大小等往往是决定其活性和选择性的重要因素。 目前各衍射仪厂家都可配备各种附件装置,包括高低温衍射附件、原位样品池,可以在高、低温条件下模拟生产过程,测量出相变或反应动力学的各种信息,高温加热中样品的晶体结构变化或各种物质相互熔解的变化,晶格常数漂移,熔融样品析出晶相的识别等。 为了能确切测量在不同气氛、温度、压力条件下催化剂等各种材料的结构组成变化,近年设计开发了原位技术。原位分析已在红外等仪器上有了很大程度的发展。由于X射线强度被衍射仪附件的窗口强烈衰减,金属被等窗口厚度在微米数量级,不能承受较大压力,附件只能在常压或低压下使用, 并且一些反应气体腐蚀性较强,使原位技术在衍射仪上的应用受到限制。清华大学自行设计了“原位”X 射线衍射样品池,用于催化剂的测试,研究催化剂体系的震荡反应机理及活性物相。 衍射分析还用于X型、Y型、ZSM、SAPO等各种分子筛的硅铝比、结晶度、晶胞参数测定,各类样品的结构参数测定。 随着X射线衍射技术越来越先进,X射线衍射法的用途也越来越

X射线衍射在材料科学中的应用

X射线衍射在测量残余应力中的应用 X 摘要:1895 年, 德国物理学家伦琴(W.C. Rontgen)发现X 射线后, 由于许多X 射线工作者的努力, 对其产生性质和理论已研究得相当透彻, 并在许多领域获得广泛应用.本文简述了X射线衍射在材料科学分析中的一些应用,并详细介绍了X射线在测量残余应力方面 的应用原理及详细测量方法。 关键词:X射线;材料科学;残余应力 一X射线衍射在材料科学中的应用 X 射线衍射在结构分析方面有无损的特点, 在材料分析与研究工作中具有广泛的用途。 1、物相分析 物相分析指确定材料有哪些相组成( 物相定性分析) 和确定各组成相的含量( 物相定析)。定性分析可采用未知样品衍射图谱与标准图谱比较的方法. 定量分析中, 根据衍射强度理论, 物质中某相的衍射强度I i 与其质量百分数X i 有如下关系 式中ki 为实验条件和待测相共同决定的常数, Um为待测样品的平均质量吸收系数, 与Xi 有关。 2、结晶度 结晶度指结晶部分质量与总试样质量的百分比。结晶度直接影响着材料的性能与损耗等. 测定结晶度的方法主要根据结晶相的衍射图谱面积与非结晶相图谱面积相比, 也可根据衍 射线位置来确定结晶度。 3、残余应力分析 残余应力指将产生应力的各种外部因素去除后物体内部依然存在的应力。固体样品中, 固体处于弹性极限内, 该物质将随所受外力的大小而发生形变。从微观的角度讲, 其晶面 间距将发生改变, 可根据晶面间距变化而测量残余应力。由于残余应力测试的特殊性, 在 X 射线衍射仪基础上必须加应力附件测试。X 射线测定应力具有非破坏性, 可测小范围局 部应力和测表层应力, 可区别应力类型;测量时无需使材料处于无应力状态等优点。但其 测量精确度受组织结构的影响较大, X 射线也难以测定动态瞬时应力。 4、微晶大小 X 射线衍射图中峰宽 现了构成物质的晶粒大小;峰宽的决定原因除了晶粒的大小还有晶粒内部的非均匀应变. 使用谢乐( Scherrer) 公式 和霍尔(Hall) 公式

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