第5章 X射线衍射原理
38页1、第二篇衍射分析第二篇衍射分析09:12材料现代分析方法2第二篇 衍射分析第五章 X射线衍射原理第七章 X射线衍射分析的应用章节分配章节分配:09:12材料现代分析方法3第五章 X射线衍射原理第二篇第二篇第二篇内容: 5.1 X射线衍射原理 5.2 X射线衍射衍强度重点:X射线衍射原理及其应用。难点:X射线衍射原理。目的:通过学习熟悉布拉格方程及其应用、了解X射线衍射强度的影响因素、掌握X射线衍射分析的应用及分析特点。内容:内容:5.1 X射线衍射原理射线衍射原理5.2 X射线衍射衍强度射线衍射衍强度重点:重点:X射线衍射原理及其应用。射线衍射原理及其应用。难点:难点:X射线衍射原理射线衍射原理。目的:目的:通过学习熟悉布拉格方程及其应用、通过学习熟悉布拉格方程及其应用、了解了解X射线衍射强度的影响因素、掌握射线衍射强度的影响因素、掌握X射线衍射分析的应用及分析特点射线衍射分析的应用及分析特点。09:12材料现代分析方法4本章要解决的是建立X 射线衍射的方向和强度与晶体结构之间的关系。衍射: X射线照射晶体,电子受迫振动产生相干散射。同一原子内各电子散射波相互干涉形成原子散射波。由于晶体
2、内各原子呈周期排列,因而各原子散射波间存在固定的位相关系而产生干涉作用,在某些方向上发生相长干涉,即形成了衍射波。衍射的本质晶体中相干散射波叠加09:12材料现代分析方法5相长干涉:强度相互加强的波之间的作用。相消干涉:强度互相抵消的波之间的作用。X射线衍射波的两个基本特征 (衍射线束的衍射方向 和强度 )与晶体内原子分布规律 ( 晶体结构 ) 密切相关。09:12材料现代分析方法65.1 X射线衍射方向5.1.1布拉格实验布拉格实验示意09:12材料现代分析方法71914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄(Max von Laue,18791960),以表彰他发现了晶体的X射线衍射。劳厄自从1909年来到慕尼黑大学后,由于受到伦琴的影响,注意力始终放在X射线的本性上。他完全了解有关这方面的研究现状和面临的困境,他倾向于波动说,知道问题的关键在于实现X射线的干涉或衍射。晶体的点阵结构在当时虽然还是一种假设,但是在劳厄看来却是合情合理的。他坚决站在原子论这一边,反对某些哲学家怀疑原子存在的观点。他认为:没有什么无懈可击的认识论论据能够驳斥这一事实,实际经验却不断地提供新鲜证据支持
3、这一事实。由于他对晶体空间点阵有如此深刻的认识,所以当索未菲的博士研究生厄瓦尔德(PEwald)和他讨论晶体光学问题时,他敏锐地抓住了晶格间距的数量级,判定晶体可以作为X射线的天然光栅。他的灵感来自他日夜的苦思,同时也是由于他对这两个互不相干的假设都有明确具体的概念。劳厄不止一次地提到:如果不确信原子的存在,他永远也不会想到利用X射线透射的方法来进行实验。09:12材料现代分析方法8威廉 劳伦斯 布拉格(William Lawrence Bragg,1890年 1971年),英国物理学家他和他的父亲威廉亨利布拉格通过对X射线谱的研究,提出晶体衍射理论,建立了布拉格公式,并改进了X射线分光计。父子二人共同获得1915年的诺贝尔物理学奖。威廉.亨利.布拉格(William Henry Bragg,1862年 1942年),英国物理学家布拉格父子09:12材料现代分析方法9入射X射线照射到转动着的样品台的样品上,在满足反射定律的方向上有反射线接收记录装置。并与样品台以2 :1的角速度同步转动,保证记录装置始终能接收到反射线。实验得到了 “选择反射 ”的结果:当X射线以某些角度入射时,记录到反
4、射线(如以CuK射线照射NaCl表面,当=150和=320时记录到反射线);其它角度入射,则无反射。入射线2反射面法线布拉格实验装置布拉格实验装置记录装置5.1.1 布拉格实验09:12材料现代分析方法10入射线2反射面法线布拉格实验装置布拉格实验装置记录装置5.1.1 布拉格实验09:12材料现代分析方法115.1.2布拉格方程的导出前提(P69 ): 晶体结构的周期性 晶体由许多相互平行且晶面间距d相等的原子面组成; 射线具有穿透性 可照到晶体的各个原子面上; 光源及记录装置至样品的距离比晶面间距数量级大得多 入射与反射线均可视为平行光。入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上,各原子面产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了 “选择反射 ”的结果(相长干涉),由此导出布拉格方程。09:12材料现代分析方法12MdN布拉格方程的导出布拉格方程的导出如图所示,设一束波长为的平行射线以角度照射到晶体中晶面指数为(hkl)的各原子面上,各原子面产生反射。L任选两相邻面,反射线光程差2dsin ;干涉一致加强的条件为:n即2dsinn 布拉格方程Braggslaw式中:n任意正整数,称反射级
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