晶體X射線衍射實驗報告1

PAGE3中南大學(xué)X射線衍射實驗報告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)材料1007班班級姓名程炳師學(xué)號K201011601240同組者實驗日期2012年11月17日指導(dǎo)教師黃繼武評分分評閱人評閱日期實驗?zāi)康恼莆誜射線衍射儀的工作原理、操作方法；掌握X射線衍射實驗的樣品制備方法；學(xué)會X射線衍射實驗方法、實驗參數(shù)設(shè)置，獨立完成一個衍射實驗測試；學(xué)會MDIJade6的基本操作方法；學(xué)會物相定性分析的原理和利用Jade進行物相鑒定的方法；學(xué)會物相定量分析的原理和利用Jade進行物相定量的方法。本實驗由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個獨立的實驗組成，實驗報告包含以上三個實驗內(nèi)容。實驗原理X射線是利用衍射原理，精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，織構(gòu)及應(yīng)力。對物質(zhì)進行物相分析、定性分析、定量分析。廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、科研、航空航天、教學(xué)、材料生產(chǎn)等領(lǐng)域。特征X射線是一種波長很短(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應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標(biāo)識）X射線?？紤]到X射線的波長和晶體內(nèi)部原子間的距離相近，1912年德國物理學(xué)家勞厄(M.vonLaue)提出一個重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光，即當(dāng)一束X射線通過晶體時將發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。這一預(yù)見隨即為實驗所驗證。1913年英國物理學(xué)家布拉格父子(W.H.Bragg,W..LBragg)在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格定律：，式中λ為X射線的波長，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）入射到某一點陣晶格間距為d的晶面面上時，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。1、X射線衍射儀（1）X射線管X射線管工作時陰極接負(fù)高壓，陽極接地。燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發(fā)出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點便成為X射線源，向四周發(fā)射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個射線出射窗口。轉(zhuǎn)靶X射線管采用機械泵+分子泵二級真空泵系統(tǒng)保持管內(nèi)真空度，陽極以極快的速度轉(zhuǎn)動，使電子轟擊面不斷改變，即不斷改變發(fā)熱點，從而達到提高功率的目的（2）測角儀系統(tǒng)測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，樣品臺可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉(zhuǎn)；測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，探測器亦可以繞中心軸線轉(zhuǎn)動；工作時，一般情況下試樣臺與探測器保持固定的轉(zhuǎn)動關(guān)系（即θ-2θ連動），在特殊情況下也可分別轉(zhuǎn)動；有的儀器中樣品臺不動，而X射線發(fā)生器與探測器連動。（3）衍射光路２、物相定性分析每一物相具有其特有的特征衍射譜，沒有任何兩種物相的衍射譜是完全相同的記錄已知物相的衍射譜，并保存為PDF文件從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡單疊加，互不干擾，檢索程序能從PDF文件中檢索出全部物相3、物相定量分析物相定量分析——絕熱法在一個含有N個物相的多相體系中，每一個相的RIR值（參比強度）均為已知的情況下，測量出每一個相的衍射強度，可計算出其中所有相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：其中某相X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可表示為：式中A表示N個相中被選定為內(nèi)標(biāo)相的物相名稱式中右邊是兩個物相X和A的RIR值，可以通過實測、計算或查找PDF卡片獲得。樣品中只含有兩相A和B，并選定A為內(nèi)標(biāo)物相，則有：４、點陣常數(shù)精確測定晶胞參數(shù)的計算晶胞參數(shù)需由已知指標(biāo)的晶面間距來計算，對立方晶系:晶胞參數(shù)的誤差由上式可知，晶胞參數(shù)的誤差來源于對晶面間距d的測量誤差，即衍射角的測量誤差：上式表明，相同衍射角測量誤差對d引起的誤差隨衍射角增大而減小晶胞參數(shù)的系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差主要是儀器本身的零點不準(zhǔn)，樣品表面狀態(tài)引起的誤差。這些誤差可通過校正來消除晶胞參數(shù)的精確測量方法用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器誤差，如在樣品粉末中加標(biāo)準(zhǔn)Si來校準(zhǔn)譜線的衍射角外推法精確計算點陣常數(shù)。根據(jù)衍射角與面間距誤差的關(guān)系，將衍射角外推到180°時，衍射角位置引起的誤差為0結(jié)構(gòu)精修。用一定的峰形函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，使兩者的誤差達到最小全譜擬合Retiveld提出，采用一定的峰形函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)擬合，通過不斷調(diào)整峰形函數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，使計算值一步一步地逼近實驗值，直到兩者的差值R最?。菏街衱i——權(quán)重因子，wi=1/YiYoi,Yci——步進掃描第i步的實測強度和計算強度使R值最小的過程就是圖譜擬合過程。通過修正晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，使擬合函數(shù)和由晶體結(jié)構(gòu)計算出來的峰形函數(shù)吻合，就是晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)精密化過程儀器與材料儀器：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實驗材料：樣品Li-Ni-O試樣和Co試樣實驗步驟1測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備樣品；打開X射線衍射儀；按下“Door”按鈕，聽到報警；向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；打開“控制測量”程序，輸入實驗條件和樣品名，開始測量；表1實驗參數(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按相同的實驗條件測量其它樣品的衍射數(shù)據(jù)。2物相鑒定打開Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；鼠標(biāo)右鍵點擊S/M工具按鈕，進入“Search/Match”對話界面;選擇“Chemistryfilter”，進入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點擊OK返回對話框，再點擊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)；如果樣品存在多個物相，在主要相鑒定完成后，選擇剩余峰(未鑒定的衍射)，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。鼠標(biāo)右鍵點擊“打印機”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,物相鑒定實驗完成。3物相定量分析在Jade窗口中，打開一個多相樣品的衍射譜；完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時，選擇有RIR值的PDF卡片；選擇每個物相的主要未重疊的衍射峰進行擬合，求出衍射峰面積；選擇菜單“Options|EasyQuantitative”，按絕熱法計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。計算公式:,五實驗數(shù)據(jù)處理1物相鑒定結(jié)果說明：已知樣品為含Li-Ni-O元素的物質(zhì)，選擇Li、Ni和O元素檢索，得到LiNiO相；已知樣品為含Co元素的物質(zhì)，選擇Co元素檢索，得到兩種Co相；2定量分析結(jié)果I1=,IMgZn2=,KAl=,KMgZn2==7.29/6.48=1.125=59.4=40.63點陣常數(shù)精確測定結(jié)果從以下實驗結(jié)果圖片中可以看到點陣常數(shù)測定結(jié)果：六結(jié)果與討論本次實驗采用的儀器為X射線衍射儀，它是按照晶體對X射線衍射的幾何原理設(shè)計制造的。布拉格方程是X射線衍射儀最基本的理論基礎(chǔ)，也是進行X射線檢測最根本和重要的理論依據(jù)之一。由知，確定了一組相互對應(yīng)的θ與λ便可求出一組干涉面的面間距d，當(dāng)干涉指數(shù)互質(zhì)時，干涉面就代表一族真實的晶面。因為存在系統(tǒng)消光，并非所有滿足布拉格方程的干涉面都有對應(yīng)的衍射條紋。為保證能得到足夠的衍射譜線以分析，X射線衍射儀使用的是粉末樣品，用單色（標(biāo)識）X射線照射多晶體試樣，即多晶體衍射方法，并且同時使樣品轉(zhuǎn)動（θ-2θ連動），設(shè)計2:1的角速度比，目的是確保探測的衍射線與入射線始終保持2θ的關(guān)系，即入射線與衍射線以試樣表面法線為對稱軸，在兩側(cè)對稱分布；輻射探測器接收到的衍射是那些與試樣表面平行的晶面產(chǎn)生的衍射；同樣的晶面若不平行于試樣表面，即使產(chǎn)生衍射，其衍射線進不了探測器，不能被接受；X射線源由X射線發(fā)生器產(chǎn)生，其線狀焦點位于測角儀周圍位置上固定不動。在線狀焦點S到試樣O和試樣產(chǎn)生的衍射線到探測器的光路上還安裝有多個光闌以限制X射線的發(fā)散；當(dāng)探測器由低θ角到高θ角轉(zhuǎn)動的過程中將逐一探測和記錄各條衍射線的位置（2θ角度）和強度。探測器的掃描范圍可以從-20o到+165o，這樣角度可保證接收到所有衍射線。在粉末樣品的制備過程中，也可能因為球磨時間、壓力大小等等使得所制備的樣品顆粒尺寸達到納米級數(shù)甚而小到發(fā)生晶格畸變。此時若交付X射線檢測，將得不到原始樣品的檢測結(jié)果，因為材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變。但這種情況比較少見，因為一般條件下，球磨達不到這樣的效果。導(dǎo)致樣品譜線與標(biāo)準(zhǔn)譜線間的偏差的主要原因是織構(gòu)的存在。洛倫茲因子的cosθ部分決定了試樣內(nèi)部的晶粒必須是隨機取向的，這時衍射線積分強度公式才有效。（德拜謝樂法）（衍射儀法）實際上，線材板材甚至天然礦物都有一定程度的晶體定向排布。材料在加工過程中受到外界的力、熱、電、磁等各種不同條件的影響，或在形成后受到不同的加工工藝的影響，會形成擇優(yōu)取向，即織構(gòu)。精確測定點陣常數(shù)的實驗中，實驗室采用的是用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行校正的方法處理系