X射线衍射
摘要：本文介绍了X射线衍射的原理，并总结了其在晶体结构分析方面的应用。本文还对本次实验用到的D8 X射线衍射仪做了简要介绍，并用其测量了两种样品的衍射图谱，从而确定了它们的组成。
关键词：X射线；衍射图谱；晶体结构
1. 引言
1895年德国物理学家W.C. Roentgen 研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线，由于当时人们对这种射线不了解，故称之为X射线(伦琴射线)。1912年德国物理学家 M. Von Laue以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，证实了X射线的电磁波性和晶体结构的周期性。劳厄的发现揭开了原子理论的新纪元。同年，英国物理学家W.H.Bragg和 M.L. Bragg 发现X射线衍射Bragg公式，测定了NaCl晶体的结构,开创了X射线晶体结构分析的历史。
2. 实验目的
1）了解X射线的产生、特点和应用
2）了解D8 X射线衍射仪的基本原理和使用方法
3）通过Eva分析软件对样品数据进行定性的物相分析。
3.实验原理
3.1X射线的产生
凡是高速运动的电子流或其它高能射流（如γ射线，X射线，中子流等）被突然减速时均能产生X射线。电子流产生的X射线谱分为两种，一种是连续X射线谱，一种是特征谱。由阴极灯丝所发射的数量巨大电子以极高的速度撞向阳极靶，辐射电磁波即释放X射线。这些电子撞向阳极靶上的条件和时间不同，产生电磁辐射也各不相同，而形成各种波长的连续X射线谱。特征谱是在连续谱的某些特定的波长位置上出现的一系列强度很高波长范围很窄的线状光谱，靶材一定，波长恒定。特征谱的产生原理是，当管压提高到某一特定电压值后，高能电子在轰击阳极靶的过程中，部分具有充分动能的电子激发阳极靶金属原子内壳层电子跃迁产生X射线。常依波长增加的次序把标识谱分成K，L，M等若干线系，分别对应于跃迁到K，L，M等壳层时辐射的X射线。命名规则如图1所示，K系谱线:外层电子填K层空穴产生的特征X射线Kα、Kβ……L系谱线:外层电子填L层空穴产生的特征X射线Lα、Lβ……
图1 特征X射线命名示意图
3.2X射线与物质的作用
X射线与物质相互作用产生各种复杂过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质分为三部分：散射，吸收，透过物质沿原来的方向传播，如下图2，其中相干散射是产生衍射花样原因。
图2 X射线与物质的作用
由于晶体中的原子在三维空间中呈周期性分布，每个原子又可看作散射X射线的散射源，在X射线波场的激发下，这些散射源受迫振动而向四周发出相干散射波，它们的波长与原射线相同而方向各不相同，因此，它们必然在大多数方向上由于位相不同而互不干涉，而在某些方向上由于位相相同（位相差为零或２π的整数倍）而互相干涉加强，这种干涉现象称为衍射。产生衍射的几何条件可用布拉格定律和劳厄方程来描述
图3 布拉格定律
如图3所示，若2d(hkl)sin?=n?，则会产生干涉极大值，这就是布拉格定律。式中θ表示掠射角（入射线与晶面间夹角），称为布拉格角；ｎ为整数，称为干涉级次。由此可见，当X射线入射到晶体上时，凡是满足布拉格方程的晶面族，均会发生干涉性反射，反射X射线束的方向在入射X射线和反射晶面法线的同一平面上，且反射角等于入射角。
3.3 物相鉴定原理
任何结晶物质均具有特定晶体结构（结构类型，晶胞大小及质点种类，数目，分布）和组成元素。一种物质有自己独特的衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠加。
衍射方向是晶胞参数的函数（取决于晶体结构）；衍射强度是结构因子函数（取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式）。任何一个物相都有一套d-I特征值及衍射谱图。因此，可以对多相共存的体系进行全分析。
4.实验仪器
本实验采用德国布鲁克公司D8 X射线衍射仪。主要部件和性能：
1、X射线光源: 3kW封闭靶（陶瓷X光管）。
2、测角仪: 扫描方式θ/θ联动测角仪，测角仪的样品台水平放置并保持不动，角度重现性达到0.0001°。
3、驱动方式：步进马达驱动; 最高定位速度：1500°/min
4、狭缝系统：包括索勒狭缝、发散狭缝、防散射狭缝、接受狭缝等。
5、LynxEye探测器：（1）强度增益比常规的闪烁计数器高150倍，具有优秀的分辨率及信噪比。（2）超快的测量速度。（3）良好的低角度测量性能。（4）良好的分辨率。
该仪器对粉末样品进行测量，测量时试样不动，光管转θ，探测器转θ（θ/ θ耦合）。其原理图如图4所示