X射线衍射晶体结构分析-实验报告.doc

X射线衍射晶体结构分析【摘要】本次实验主要通过采用与X射线波长数量级接近的物质即晶体这个天然的光栅来作狭缝来研究X射线衍射，由布拉格公式以及实验中采用的NaCl晶体的结构特点即可在知道晶格常数条件下测量计算出X射线的波长，反过来也可用它来测定各种晶体的晶格结构通过本次实验我们将更进一步地了解X射线的产生、特点和应用关键词】X射线；晶体结构；布拉格公式；1 引言 X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。

用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的目前，X射线学已渗透到物理学、化学、地学、生物学、天文学、材料科学以及工程科学等许多学科中，并得到了广泛的应用本实验通过对X射线衍射实验的研究来进一步认识其性质连续光谱特征光谱246810αβWMoCr0.50.90.7波长（Å）强度37.215.2图4—1 X射线管产生的X射线的波长谱2 实验原理 2.1 X射线的产生和X射线的光谱实验中通常使用X光管来产生X射线在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限时，可以发射一种不连续图4—2 元素特征X射线的激发机理高速电子原子核M壳层L壳层K壳层K壳层电子L壳层电子Lα1Kα1Kα2KβWKWLWMWN0Kα2Kα1LIIIIIIK态(K电子去除)L态(L电子去除)M态(M电子去除)N态(N电子去除)价电子去除中性原子Kβ辐射Kα原子能量K激发L激发MNMαLα(a)(b)的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。

连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因1）连续光谱连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限λm开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图4—1）连续光谱的短波限λm只决定于X射线管的工作高压2）特征光谱图4―3 NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构a0d阴极射线的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态图4—2b表示的是原子的基态和K、L、M、N等激发态的能级图，K层电子被轰出称为K激发态，L层电子被轰出称为L激发态，…，依次类推原子的激发态是不稳定的，内层轨道上的空位将被离核更远的轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，多余的能量便以光量子的形式辐射出来图4—2a描述了上述激发机理处于K激发态的原子，当不同外层（L、M、N…层）的电子向 K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射同样，L层电子被轰出后，原子处于L激发态，所产生的一系列辐射统称为L系辐射，依次类推。

基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的2.2 X射线在晶体中的衍射 光波经过狭缝将产生衍射现象狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝观察X射线的衍射，就相当困难冯·劳厄首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶体的晶格正好与X射线的波长属于同数量级图4—3显示的是NaCl晶体中氯离子与钠离子的排列结构下面讨论X射线打在这样的晶格上所产生的结果ADCθθθθ布拉格面入射射线反射射线d12d sinθd sinθdd'd''图4—4 布拉格公式的推导（b）（a） 由图4—4a可知，当入射X射线与晶面相交θ角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那末容易看出，图中两条射线1和2的光程差是，即当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长） 布拉格（Bragg）公式在θ方向射出的X射线即得到衍射加强 根据布拉格公式，即可以利用已知的晶体（d已知）通过测θ角来研究未知X射线的波长；也可以利用已知X射线（λ已知）来测量未知晶体的晶面间距。

B1B2B4B5B3A0A1A2A3A4监控区X光管实验区图4—5 X射线实验仪3 实验仪器该装置分为三个工作区：中间是X光管区，是产生X射线的地方；右边是实验区；左边是监控区12345图4—6 X光管X光管的结构如图4—6所示它是一个抽成高真空的石英管，其下面（1）是接地的电子发射极，通电加热后可发射电子；上面（2）是钼靶，工作时加以几万伏的高压电子在高压作用下轰击钼原子而产生X射线，钼靶受电子轰击的面呈斜面，以利于X射线向水平方向射出3）是铜块，（4）是螺旋状热沉，用以散热5）是管脚右边的实验区可安排各种实验A1是X光的出口A2是安放晶体样品的靶台A3是装有G—M计数管的传感器，它用来探测X光的强度A2和A3都可以转动，并可通过测角器分别测出它们的转角左边的监控区包括电源和各种控制装置B1是液晶显示区B2是个大转盘，各参数都由它来调节和设置B3有五个设置按键，由它确定B2所调节和设置的对象B4有扫描模式选择按键和一个归零按键SENSOR—传感器扫描模式；COUPLED—耦合扫描模式，按下此键时，传感器的转角自动保持为靶台转角的2倍（如图4—7）B5有五个操作键，它们是：RESET；REPLAY；SCAN（ON/OFF）；是声脉冲开关；HV（ON/OFF）键是X光管上的高压开关。

4 实验内容1) 按照连接图安装实验仪器，使靶台和直准器间的距离为5cm，和传感器的距离为6cm2) 将NaCl单晶固定在靶台上（注意取晶体的时候要小心），启动软件“X-ray Apparatus”F4键清屏；设置X光管的高压U=35.0KV，电流I=1.00mA，测量时间3s-10s，角步幅为0.1°，按COUPLED键，再按β键，设置下限角为 4o, 上限角为24o；按SCAN键进行自动扫描；扫描完毕后，按F2键存储文件3) 已知X射线的波长，测定晶体的晶格常数5 实验数据与处理5.1 已知X射线的波长，测定NaCl的晶格常数由X射线衍射图得θsinθ线系nλ/pmD=（d∕n）pm（H,L,K）a0/pm5.70.0993Kβ163.08317.62(2,0,0)635.246.50.1132Kα171.07313.91(2,0,0)627.8312.20.2113Kβ263.08149.27(4,0,0)597.0813.90.2402Kα271.07147.94(4,0,0)591.7619.00.3256Kβ363.0896.87(6,0,0)581.2221.50.3665Kα371.0796.96(6,0,0)581.76a0的平均值为602.48pm，a0的理论值为554.88pm5.2 已知X射线的波长及BaF2的晶格常数（6.2A），求干涉系数（H,L,K） 由X射线衍射图得θsinθλ/pmD=（d∕n）pm（H,L,K）4.70.081963.08385.10（1,1,1）71.07433.88（1,1,1）10.50.182263.08173.10（2,2,2）71.07195.03（2,2,2）16.40.282363.08111.72（3,3,3）71.07125.88（3,3,3）22.50.382763.0882.41（4,4,4）71.0792.85（4,4,4）由实验获得的干涉指数可知，我们所测的BaF2晶体是多晶。

5 实验总结通过本次实验，我较好地了解了X射线的产生及其在晶体中衍射的基本原理，深深感受到了X射线在测量晶体晶格常数上的重大作用通过斯老师的提问，也让我对实验原理有了进一步的思考，并且让我认识到了自己的不足，明白了对一切的事物需要深入的理解，不能一知半解，并对整个实验过程有了新的认识比如说电流取1.00mA的原因我之前是不曾想过的，经老师那么一讲才知道是因为电流较大时产生的X射线数量比较大此次实验也使我对X射线的装置有了一定的了解并掌握了基本的一些操作，对于“X-ray Apparatus”软件也有了基本的了解，掌握了划线、标记、保存等一些基本的操作 至于本实验中的实验误差，主要来自于我们对晶体的摆放以及数据处理由于我们排放的晶体的位置的差异，导致扫出来的图形是不一样的然后我们根据得到的图形进行数据处理，对于非常不合理的数据进行了一定舍弃，结合理论得出了我们认为的结果，其中存在一定的误差，只是我们做了人为的修正参考文献】[1]林根金等.近代物理实验讲义[M].浙江师范大学数理信息学院近代物理实验 室，2011：117-131.。