第1講 X射線衍射物相定性分析

材料現(xiàn)代測試方法2012.021提綱（Outline)引言（Introduction-Why,WhatandHow）材料與材料科學與工程（MaterialsandMSE)材料表征(MaterialsCharacterization)課程內容(SubjectContent)表征原理(GeneralPrinciple)X射線衍射XRayDiffraction(XRD)歷史回顧（Historyretrospection）X射線性質和產生（NatureandproductionofXray）X射線與物質相互作用（InteractionofXraysandmaterials）2過程、組成ProcessingComposition結構Structure性能效能

Properties結構形成過程“材料工藝”中心環(huán)節(jié)<材料學基礎>構件、器件的制備“材料選擇”PerformanceMaterialsScienceandEngineeringGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkagesWhatisMaterialsScienceandEngineering?3MSEdevelopsfromphysics,chemistryandmathematics,andisabridgebetweenscienceandengineering.ThephysicsandchemistryareneededtounderstandwhyMaterialsbehaveincertainways.4研究材料組成、結構、性能與使用效能之間關系，最終實現(xiàn)按要求設計材料的目的。為獲得所需性能指標的材料，必須考慮適宜的材料合成、制備、加工等技術。為研究所獲得材料的化學組成、物相組成、結構和各種研究技術對材料性能的影響，需要采用相應的分析表征方法。分析測試方法的選擇和使用貫穿材料研究、應用的全過程.(材和料）

“Seeing”isbelievingMSEandMaterialsCharacterization材料科學與工程和材料表征5MaterialsCharacterization狹義的材料表征指研究材料組成、結構（及性能？)的儀器分析方法。材料組成？Composition，ComponentandConstituentsWhatdoyoumeanorthinkofwhenyousayorseethe3“C”s?Isitenoughtoknowelementalcomposition(元素組成）?QualitativeandQuantative6三聚氰胺（化學式：C3H6N6），俗稱蜜胺、蛋白精

食品工業(yè)中常常需要測定食品的蛋白質含量，由于直接測量蛋白質技術上比較復雜，所以常用一種叫做凱氏定氮法的方法，通過測定氮原子的含量來間接推算食品中蛋白質的含量。由于三聚氰胺與蛋白質相比含有更多的氮原子，所以在下文中的一些事件中被一些造假者利用，添加在食品中以造成食品蛋白質含量較高的假象。“相”組成更為重要？！7Whatismaterialstructure?

材料結構？組元（元素、相）

組元的排列、結合方式8多層次的物質結構

Mattersareorganizeddifferentlyatdifferentlengthscale.宏觀：Macroscopic(>0.1mm)Structureelementsonthescalevisiblewithhumaneye.微觀：Microscopic(0.1micron-0.1mm)Grainorothermesoscopicobjectsconsistingofagroupofatomsandobservablewithalightmicroscope介觀：Mesoscopic(1-100nm)Structurebetweenatomicandmicroscopic原子：Atomic(0.1-1nm)Arrangementofatomsinmaterials,electronicbondings亞原子：Subatomic(<0.1nm)Electrons,protons,neutrons材料科學研究范疇Domainofmaterialscience9材料表征MaterialsCharacterization元素（化學）組成

ElementalAnalysis相分析Phaseidentification相變Phasetransformation不同層次的結構Structureatdifferentlevels,Macrotomoleculesandatoms表面與界面Surface,interface微觀、光譜、衍射與成像、各種熱分析方法Microscopy,spectroscopyandanalysis,diffractionandimaging,thermalmethods10材料研究需要各種分析表征手段，要求我們掌握它們的原理并在實踐中加以靈活運用。11課程內容第一章X射線衍射分析（盧都友duyoulu@第二章電子顯微分析（劉云飛）第三章振動光譜分析（韋亞兵）第四章熱分析（李曉云）12材料的分析與表征原理

MaterialsCharacterization材料信號輸入信號輸出材料與輸入信號相互作用，產生輸出信號。比較輸入和輸出信號，獲取材料的相關信息。1、輸入什么信號；2、獲取什么信號；3、輸入信號與材料的相互作用，以及輸出信號的產生過程。13材料的分析與表征

MaterialsCharacterization信號輸入信號輸出光子、電子、離子束、中子、熱、磁、電、光等材料了解掌握和靈活運用各種表征手段。光子、電子、離子束、中子、熱、磁、電、光等14X射線衍射分析15X射線的發(fā)現(xiàn)－Historyretrospection

1895年，德國物理學家R?ntgen（倫琴）(Bornin1845inGernmany)在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線（1901年獲得首屆諾貝爾獎）16PerfectdiscoveryNomistakes.

Fewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Exploitthesubjectcompletely. Threepapersexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Quickapplication

Dec28,1895publishedhispreliminarycommunication,Jan6,1896.17Bornin1845inGermany.Insmallandinformalgroupshecouldbeengaging,buttostudentsandjuniorcolleagueshewasknownasunapproachable.Hewasextremelynervousandunabletospeaktoaboveawhisper.Thispublicuneasinesswascombinedwithanunwaveringadherencetoprinciples.VonLaue1962.Theimpactofhisdiscoverywassooverwhelmingthathe,whowasover50atthetime,neverrecoveredfromit.For-asfewpeopleseemtorealize—everygreatintellectualdiscoveryisaheavyburdenforthemanwhomakesit….Themagnitudeofhisexploitcanberecognizedparticularlyifoneconsidersthatthelargenumberofotherphysists,someofthemofgreatrenown,whoexperimentedwiththesamekindofapparatusbeforeretegenanddidnotdiscoverythexray.Forsuchabreakthroughintocompletelyunsuspectedterritoryonemusthaveenormouscourageandinadditionaselfdisciplinewhichpreservesmentalcalmandclarityinthemidstofthegreatjoyandexcitementofthefirstfindings.Manyobservationshavetobemadeandcorrelatedtomakepossible(thethreepapers)whichexhaustedthesubjectsocompletelythatforalmostadecadenothingnewcouldbesaidaboutit.Withwhatingeniouscaretheyarewritten.Iknowonlyfewaccountsofdiscoverieswhichdonotcontainmistakesofonekindoranother.Rontgenwascorrectineverydetail!Seldomhasascientificdiscoverycapturedthepublicfancysothoroughlyandsoquickly.ContributingtothiswasthealmostimmediaterecognitionofthemedicalapplicationofXrays.Hispreliminarycommunication,concerninganewkindofrayswaspublishedonDec28,1895.Asanewyear’sgreetingtocolleagues,hesentreprintsalongwithhisxrayphotos.Oneofthereprints,alongwithaphotoofhiswife’shand,quicklyfounditswaytoDr.MoritzJastrowitz,aphysician,whoatameetingoftheBerlinMedicalassociationonJan6,1896.Thediscoveryofx-raybyRontegenistheperfectexampleofSerendipity有意外發(fā)現(xiàn)珍寶的運氣.Therewasnobasisforpredictingit.Thevalueofbasicresearchhasseldombeenbetterillustrated.ImagineifsomehospitalorhealthministryhadmadeacontractwithRontgentoinventadeviceforinspectingbrokenbones.WouldhehavebegunbybuildinganapparatusaroundtheHittorf-Crookestubeanditshigh-voltagecoils?18Rontgenbelievedstronglythatscienceshouldnotbepopularized(adilutinginhisview)thattruesciencewasnotforthesakeofgainorvanity,butshouldbepracticedtoshedlightonGod’struth,andthatonemustbeabsolutelycertaineverythingonewritesforapublicationisabsolutelyverifiable-nospeculationisallowed.Averybroadrangeofmethodsduetothetypeandrequirementsofmaterialscharacterization.Phaseidentification,qualitativeandquantitative,19X射線的發(fā)展史1895年，德國物理學家R?ntgen（倫琴）在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線（1901年獲得首屆諾貝爾獎）1912年，德國的Laue(勞厄)第一次成功地進行X射線通過晶體發(fā)生衍射的實驗，驗證了晶體的點陣結構理論。并確定了著名的晶體衍射勞埃方程式。從而形成了一門新的學科—X射線衍射晶體學。（1914年獲得諾貝爾獎）1913年，英國Bragg（布喇格父子）導出X射線晶體結構分析的基本公式，即著名的布拉格公式。并測定了NaCl的晶體結構。（1915年獲得諾貝爾獎)20X射線的發(fā)展史1917年,巴克拉發(fā)現(xiàn)元素的標識X射線；1924年,

塞格巴恩創(chuàng)立了X射線光譜學；1936年，德拜、1946年，馬勒，1979年，柯馬克等人由于在X射線及其應用方面研究而獲得化學，生理，物理諾貝爾獎；有機化學家豪普物曼和卡爾勒在50年代后建立了應用X射線分析以直接法測定晶體結構的純數(shù)學理論，特別對研究大分子生物物質結構方面起了重要推進作用，他們因此獲1985年諾貝爾化學獎。211、衍射分析技術的發(fā)展與X射線及晶體衍射有關的部分諾貝爾獎獲得者名單

22X射線應用技術X射線形貌技術（Radiography）醫(yī)學診斷、治療、工業(yè)探傷X射線光譜技術（Spectrum）元素分析X射線衍射技術（XrayDiffraction-XRD）相分析、結構分析等23課程要求和內容提綱理解XRD和儀器工作原理，熟練掌握XRD物相定性分析方法，了解XRD在其它方面應用。

X射線的物理基礎晶體結構基礎知識

X射線衍射幾何條件和衍射線強度

X射線衍射儀

X射線衍射物相定性分析原理及應用24X射線的物理基礎ThenatureofXraysTheproductionanddetectionThespectrumofXraysInteractionofX-rayswithmaterialsSafety251.TheNatureofXraysX射線和可見光一樣屬于電磁輻射，但其波長比可見光短得多，介于紫外線與γ射線之間，約為10－2到102埃的范圍。（如右圖所示）26波粒二相性

propertiesofbothwavesandparticles 波動性：用波長、頻率、振幅、傳播方向表征。一個隨時間變化的正玄式振蕩的電場，其垂直方向是一類似變化的磁場，即交變變化的電磁場的傳播，傳播方向由右手螺旋定則確定。干涉、衍射現(xiàn)象。 粒子性：和其它電磁波和微觀粒子一樣（中子、質子、電子等），x光子是具有確定能量的粒子。與物質相互作用現(xiàn)象，用動能和動量表征。

波粒二相性公式：E=hv=h.c/λ，P=h/λ27

由于x射線有能量，可以使底片感光、熒光屏發(fā)光，氣體電離。而x射線的強度與照相底片的感光程度、熒光屏發(fā)光亮度及氣體的電離程度有關，因此可以利用這些效應來檢測x射線的存在及強度。能量與強度EnergyandIntensity能量：E=hv=h.c/λ（與波長成反比，頻率成正比） 與穿透能力相關。強度：是指行垂直X射線傳播方向的單位面積 上在單位時間內所通過的光子數(shù)目的能 量總和。常用的單位是J/cm