X-射线教案.doc

仪器分析实验 教案
实验题目：X射线粉末衍射分析
教学目标：
1、了解X射线粉末衍射仪的原理、结构及使用；
2、掌握使用X射线衍射仪对单一成分定性分析。
教学重点：
掌握使用X射线衍射仪对单一成分定性分析。
教学难点：
X射线粉末衍射仪的原理、结构。
仪器药品：
XRD-6000粉末晶体衍射仪，二氧化钛，氧化锂，氧化钙，二氧化硅。
教学方法： 讲授、演示
教学时数：4学时
教学过程： （教师授课思路、设问及讲解要点）

一、实验原理

晶体：原子、离子、分子在空间周期性排列而构成的固态物，三维空间点阵结构；点阵 + 结构基元；
晶胞：晶体中空间点阵的单位，晶体结构的最小单位；
晶胞参数：三个向量a、b、c，及夹角a、b、g ；
r,s,t；1/r,1/s,1/t：晶面在三个晶轴上的截数和倒易截数
1/r∶1/s∶1/t=h∶k∶l；晶面(110)与C 轴平行；

x射线：波长位于0.001-10nm，与晶面间距d数量级相当，且有强的穿透能力，在x射线作用下晶体的散射线来自若干层原子面，除同一层原子面的散射线互相干涉外，各原子面的散射线之间还要互相干涉。这里只讨论两相邻原子面的散射波的干涉。过D点分别向入射线和反射线作垂线，则AD之前和CD之后两束射线的光程相同，它们的程差为＝AB+8C＝2dsin。当光程差等于波长的整数倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件为：

二、仪器组成与工作原理
1、单色X射线源——循环冷却系统
高速运动的电子突然受阻，由于与物质的能量交换作用，从而产生了X射线。阴极由钨灯丝构成，灯丝被3-4A电流加热后，发出大量的热电子，电子经聚焦和5000-8000v的电压加速后撞击阳极金属靶（由Cu、Mo、Ni等熔点高而导热性好的金属组成），电子突然减速或停止运动，大部分能量以热辐射（约99.5％以上）的形式耗散掉，少部分能量以X射线的形式向外辐射，产生X射线谱，为避免靶材长期受热熔解，加循环冷却水可使靶面迅速冷却。X射线与靶面约成6°角处的强度最大，所以，在此角度上开一窗口（窗口材料由对X射线吸收很小的钹片组成），让X设想透过。大功率的衍射射仪采用专靶X射线管（靶面每分钟做几千次旋转，增强冷却效果）。
X射线管发出的X射线有两部分：一部分是连续波长的X射线，另一部分是由阳极靶材决定的特征X射线，称为特征谱，也成单色谱。特征谱是由靶材中原子内层电子跃迁产生的。高速运动的电子击靶时，具有高能量的电子深入到靶材料的原子中，激发出内层电子，原子处于不稳定的激发态，邻近层的电子立即自发地填入空穴，同时伴随多余能量地释放，产生波长确定的X射线。比如Cu Ka，由L层电子迁到K层产生X射线，L层有多个电子，分为不同能级，又产生Ka1、Ka2，Kb由M层电子跃迁到K层。
Ka产生的概率最大，因而强度最大，比Kb大4-5倍，比附近连续波长强度大90％，当选择Ka为光源时，其他的辐射因强度小易被去除。波片的选择，它的K吸收波长介于X射线发出的Ka与Kb之间，大量吸收Kb线及大部分连续的X射线，而对Ka吸收很小，只让Ka通过。
2、样品台
粉末样品应有足够的晶粒参与衍射（晶粒的杂乱无章，使得每个晶面都参与了衍射，相当于x射线对晶面的扫描），需粒径足够小，脆性物质制备宜用玛瑙研钵研细，粉末粒度要求1～5μm，定量分析约在0.1-2μm，手搓无粒感，用量1-2g。
3、检测器
试样本身为衍射晶体，试样平面旋转2q；光源以q 角对试样进行扫描；工作前需把2 q 转过一个角度（约3-4°），防止射线源直接进入计数器。
发射狭缝的作用在于控制入射X射线束的水平发射角，发射角越大，衍射线强度越大，入射线照到样品的宽度越大，平板样品的衍射聚焦程度越差，产生衍射峰宽化越明显，一般小于4°。

三、仪器与药品
1、仪器：XRD-6000粉末晶体衍射仪
2、药品：二氧化钛，氧化锂，氧化钙，二氧化硅。
四、实验步骤
1、开启冷却水。
2、开启XRD电源（POWER指示灯亮）
3、启动计算机，在XRD稳定2分钟左右后，进入桌面Pmgr系统；将被测样品放置在测试架上。
4、点击画面上Display & Setup，点击Close出现对话框后，再点击“确认”。
5、点击画面上Right Gonio condition，双击空白处，出现Standard Condition Edit对话框，进行实验条件设定及对样品取名；同时点击画面上Right Conio Analysis。
6、在实验条件设定后，点击Append、Start。进入Right Conio Analysis画面，点击Start。XRD开始测试。
7、点击画面上Basic Process，进行数据处理（得到2θ、d值、半峰宽、强度数据等）。
8、操作完成后，退出Pmgr系统。
9、关闭XRD电源。
10、冷却水应继续工作20分钟后方可关闭。
11、关闭所有电源。
12、做好运行记录。
五、数据处理
查阅JCPDS卡或计算机检索JCPDS卡数据库分析。
六、注意事项
1、取供试品用玛瑙研钵研细，粉末粒度要求<15μm，用量1-2g。

2、取放样品时，要轻开轻关玻璃门；仪器运行过程中，一定不能打开玻璃门。
七、思考题
1、利用X射线进行物相分析时，对试样有什么要求？
2、简要说明X射线衍射仪的主要功用有哪些？
八、教学后记