散射與衍射-ReadPPT課件VIP

.,1,第一篇緒論,吳小山,.,2,主要內(nèi)容,衍射分析的一般方法衍射分析的歷史發(fā)展中子、電子、X射線分析的各自特點(diǎn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一般闡述，結(jié)構(gòu)測定的重要性射線與物質(zhì)相互作用過程運(yùn)動學(xué)理論與動力學(xué)理論的考慮范疇,.,3,衍射分析方法,結(jié)構(gòu)：復(fù)雜材料的下一層的組織狀況,包括成份及各成分之間相互關(guān)系兩方面；分析：是將復(fù)雜的材料分解為簡單物相或成分組成的過程。綜合：是將簡單成分或物相合并為復(fù)雜材料的過程。分析和綜合是對立的，但又是互補(bǔ)的。可通過分析來認(rèn)識綜合體，也可通過綜合達(dá)到分析的目的材料研究的主要內(nèi)容是材料的合成和表征。表征就是弄清物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其和性能的關(guān)系，即結(jié)構(gòu)分析。物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)、材料性能和應(yīng)用。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系清楚的基礎(chǔ)上才能設(shè)計(jì)出需要性能的新結(jié)構(gòu)，合成出新物質(zhì)，獲得新材料。結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系的研究已成為材料研究之主要內(nèi)容之一；結(jié)構(gòu)的知識是材料研究者必備的知識；利用各種結(jié)構(gòu)分析的方法來熟練的進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析也已成為材料研究者必須掌握的技能。,.,4,物質(zhì)結(jié)構(gòu)是分子、原子或原子團(tuán)組成,分子可以單個分子或聚集態(tài)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的最終目的是獲得具有人類需要性能的新物質(zhì)、新材料；物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括分子結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)三個層次，它包括聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、分子幾何結(jié)構(gòu)（原子、基團(tuán)的三維空間排列）及電子結(jié)構(gòu)（原子間或分子間的相互作用）三個方面。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分子與晶體結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu),.,5,聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：物相結(jié)構(gòu)-分子或原子、基團(tuán)的相互作用顯微結(jié)構(gòu)-界面、缺陷結(jié)構(gòu)等空間分布-周期性的延拓,陣點(diǎn)與晶體結(jié)構(gòu)陣點(diǎn)結(jié)構(gòu)：有機(jī)基團(tuán)（有機(jī)分子），無機(jī)多面體（無機(jī)分子），生物模塊（生物大分子）分子與晶體結(jié)構(gòu)同構(gòu)異構(gòu)體,電子結(jié)構(gòu)原子間或分子間的相互作用，即各種電子態(tài)。,.,6,.,7,.,8,.,9,結(jié)構(gòu)分析的方法,射線技術(shù)-中子衍射、電子衍射和X射線衍射等：可以直接和精確測定分子和晶體結(jié)構(gòu)的方法；光譜技術(shù)-紅外光譜、激光Ramann光譜、布里淵散射等：可以在液體中測定分子結(jié)構(gòu)；分子模擬、量子力學(xué)計(jì)算：從頭結(jié)構(gòu)計(jì)算、分子動力學(xué)計(jì)算等。,.,10,結(jié)構(gòu)分析的實(shí)驗(yàn)方法有一個相似的過程：用某一種波，或者某種粒子，使與被測定對象發(fā)生作用；改變被測定對象中的原子或分子的核或電子的某種能態(tài)、甚至解離；造成入射波（粒子）的散射、衍射及吸收，入射波的強(qiáng)度會減弱，還會產(chǎn)生不同波長的波或粒子；記錄各種波或粒子的強(qiáng)度與波長的關(guān)系，或強(qiáng)度與位置的關(guān)系，得到各種共振譜、光譜、衍射譜或像；依據(jù)已知的這些譜或像與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對譜或像進(jìn)行分析，即可得出各種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。,.,11,.,12,表:電磁波各光譜區(qū)的一些參數(shù)及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析方法,.,13,射頻波、微波與物質(zhì)的相互作用：,射頻波與微波是屬于波長較長，能量較低的波。射頻波與核自旋磁矩能級的變化相當(dāng)，可改變自旋磁矩在外磁場中的取向，叫做發(fā)生核磁共振。微波可改變電子自旋在外磁場中的取向，稱為電子順磁共振。,.,14,紅外，可見，紫外光與物質(zhì)的相互作用,分子的能量由3個方面構(gòu)成，電子的能量，核的振動能量，分子的轉(zhuǎn)動能量。與它們相當(dāng)?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL分別為幾十-幾百nm，幾個m及數(shù)百m，相應(yīng)的波段分別屬可見-紫外區(qū)，近、中紅外區(qū)，遠(yuǎn)紅外及微波區(qū)。,.,15,形成的結(jié)構(gòu)分析儀器：,透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡，低能電子衍射儀，電子探針，質(zhì)譜儀等，光譜儀，X射線衍射儀,.,16,衍射分析技術(shù)的發(fā)展,與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單(21),.,17,中子、電子、X射線分析的各自特點(diǎn),.,18,.,19,.,20,物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一般闡述，結(jié)構(gòu)測定的重要性,衍射分析的基本概念及基本理論晶體結(jié)構(gòu)與空間格子-A,晶體(crystal)Itissolid.Thearrangementofatomsinthecrystalisperiodic.格子（Lattice）Aninfinitearrayofpointsinspace,inwhicheachpointhasidenticalsurroundingstoallothers.晶體結(jié)構(gòu)（CrystalStructure）ItcanbedescribedbyassociatingeachlatticepointwithagroupofatomscalledtheMOTIF(BASIS)單位晶胞（UnitCell）Thesmallestcomponentofthecrystal,whichwhenstackedtogetherwithpuretranslationalrepetitionreproducesthewholecrystal晶胞參數(shù)UnitCellDimensionsa,bandcaretheunitcelledgelengths.a,bandgaretheangles(abetweenbandc,bbetweencanda,gbetweenaandbc.),.,21,晶體結(jié)構(gòu)與空間格子-B,等同點(diǎn)與結(jié)點(diǎn),格子類型,格子的對稱點(diǎn)群、勞埃群、衍射群、空間群,.,22,14種可能的Brivs格子,晶體結(jié)構(gòu)與空間格子-C,.,23,晶體分類,.,24,金紅石的晶體結(jié)構(gòu),金紅石的晶體學(xué)參數(shù),.,25,射線與物質(zhì)的相互作用,1.X射線照射到物質(zhì)上產(chǎn)生的一些現(xiàn)象：相干散射：空間連續(xù)，有高強(qiáng)度點(diǎn)不相干散射：空間連續(xù)，能量連續(xù)，某些方向，某些能量有高強(qiáng)度電子散射：空間連續(xù)，能量連續(xù)，某些方向，某些能量有高強(qiáng)度產(chǎn)生熱。,.,26,1)相干X射線;2)非相干X射線;3)各類電子,.,27,現(xiàn)象的解釋及可能的應(yīng)用：(1)頻率不變的X射線1)透射線：透過強(qiáng)度與入射X線波長的關(guān)系，就是物質(zhì)的吸收光譜。其上存在著的精細(xì)結(jié)構(gòu)，稱X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS），用來測定吸收原子的電子結(jié)構(gòu)及配位結(jié)構(gòu)。2)相干散射：由彈性碰撞產(chǎn)生的，可以相互干涉。晶體的相干散射只有少數(shù)方向相互加強(qiáng)有強(qiáng)光，為衍射線。X射線衍射（XRD）是用來測定晶體結(jié)構(gòu)、多晶材料的相結(jié)構(gòu)、晶粒大小、晶粒取向及微結(jié)構(gòu)的。,.,28,(2)頻率改變的X射線：1)不相干散射：這是因非彈性碰撞產(chǎn)生的，可用來測定原子中的動量分布及研究化學(xué)鍵等。2)熒光輻射：外層高能級上的電子躍入內(nèi)層填補(bǔ)空位，放出多余能量造成的，稱熒光光譜。可用來鑒別元素，也可研究化學(xué)結(jié)構(gòu)。,.,29,.,30,(3)各類電子：反沖電子：非彈性碰撞時造成的，光電子：電子吸收了入射X光子逸出原子造成的，產(chǎn)生光電子能譜。俄歇電子：外層電子躍入內(nèi)層空位時產(chǎn)生，得到物質(zhì)的表面信息。二次電子：X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種帶能粒子在原子中穿行時，與其它電子相碰而激發(fā)的電子，可以用來得到XAFS譜或成像。,.,31,從另一個角度考慮X射線與物質(zhì)的相互作用,三種相互作用:1.吸收;2,折射與反射;3,散射,衍射,.,32,1.X射線的吸收,通過光電子效應(yīng)發(fā)生,Photonenergytransferredtoelectroninaparticularshellwhichisejected,resultinginafluorescentrecombinationcharacteristicoftheshell,Quantisedshellsgivediscontinuousjumpsinabsorptioncross-section.,Linearabsorptioncoefficient,Thickness,.,33,MassabsorptionCoefficient:,Density,AtomicNumber,AvogadrosNumber,AbsorptionX-section,.,34,CalculatedmassabsorptioncoefficientforZr,Inbetweenedges:thecrosssectionvariesask-3.Forfixedenergy:thechangewithatomicnumberisZ4,.,35,中子的吸收,Occursthroughnuclearreactionswhichcausesfissionortheexpulsionofaparticlesuchasaprotonoranalphaparticleoragammaray.,NoQuantisedshellssonodiscontinuousjumpsinabsorptioncross-sectionandthecrosssectionvariesinverselywithwavevector.,InternationalTablesquotethecross-sectionforneutronswithk=k0=3.4947-1(v=2200ms-1),Nosystematicvariationwithatomicnumber:Gd-49700barn,Cd-2520barnbutmost0.1-10barnAlsovariesaccordingtoisotopebecausecross-sectionisrelatedtothestructureofthenucleus:1H:0.3326barn2H:0.00052barn3H:0barn,.,36,2.折射、反射和透射,Theoryrelatingtostudiesatgrazingincidence-Sameformalismforx-raysandneutrons,RefractiveIndexofamediumisacomplexnumber:,Dispersion10-510-6,Absorption10-610-8,ForX-rays,&smallpositivenumbers,.,37,Asnl+11,criticalanglefortotalexternalreflection,c.,DefineusingSnellsLaw:,=0,ReflectionandTransmissiondefinedbyFresnelslaws:,Transmittedamplitudedampedinzdirectionduetoabsorption.Belowc,Tiscomplex,.,38,3.散射與衍射,Considerphotonsofwavelength,incidentonaseriesofslitsdapart.Themaximaofthediffractionordersisgivenby:,Photonsreflectingfromplanesofatoms-BRAGGSCATTERING,Crystalsare3Dwithplanesseparatedbydhkl.Therewillonlybeconstructiveinterferencewhen=-i.e.thereflectioncondition.,BRAGGSLAW,.,39,電子與物質(zhì)的相互作用,電子的能量范圍在幾個eV數(shù)百eV，與軟X射線相似?？捎脕沓上瘢踔量色@得原子像；可得到X射線光譜，作元素和結(jié)構(gòu)分析；可產(chǎn)生俄歇電子，作表面分析；發(fā)生電子衍射，用于研究樣品結(jié)構(gòu)；從電子的能量變化可得電子能量損失譜，用于測量原子簇結(jié)構(gòu)。被轟擊的分子電離，獲得質(zhì)譜，作分子結(jié)構(gòu)推定。,.,40,運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)理論考慮的范疇,運(yùn)動學(xué)理論的出發(fā)點(diǎn)：1，原子的規(guī)則點(diǎn)陣排列；2，原子只散射入射波，原子為散射點(diǎn)波源；3，晶體的折射率為1；4，晶體對入射波及衍射波無吸收；5，不考慮全過程的能量守恒。,.,41,運(yùn)動學(xué)理論成功之處：,解決了衍射極大方位，在=B處滿足Bragg定律2dsin=衍射線寬反比于晶粒尺寸