X射線衍射在礦物學中的應(yīng)用

1、x射線衍射在礦物學中的應(yīng)用x射線衍射在礦物學中的應(yīng)用 編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對文中內(nèi)容進行仔細校對，但是難免會有疏漏的地方，但是任然希望（x射線衍射在礦物學中的應(yīng)用）的內(nèi)容能夠給您的工作和學習帶來便利。同時也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進步的源泉，前進的動力。本文可編輯可修改，如果覺得對您有幫助請收藏以便隨時查閱，最后祝您生活愉快 業(yè)績進步，以下為x射線衍射在礦物學中的應(yīng)用的全部內(nèi)容。 x射線衍射在礦物學中的應(yīng)用摘要：x射線衍射是測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要分析手段, 廣泛應(yīng)用于物理學、化學、醫(yī)藥學、金

2、屬學、材料學、工程技術(shù)學、地質(zhì)學和礦物學.文章綜述了粉晶x射線衍射法在礦物學與晶體學領(lǐng)域中的應(yīng)用.隨著測量技術(shù)的發(fā)展, 粉晶x射線衍射在礦物結(jié)晶過程中的研究、礦物表面研究、礦物定量相分析和礦物晶體結(jié)構(gòu)測定方面均有新的發(fā)展。關(guān)鍵詞:x射線衍射，礦物學，晶體學 1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實驗證實了x射線與晶體相遇時能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證明了x射線具有電磁波的性質(zhì)，成為x射線衍射學的第一個里程碑。1913年英國物理學家布拉格父子在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測定了nacl、kcl等的晶體結(jié)構(gòu),并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名的布拉格方程。布拉格父子開拓了x 射線晶體結(jié)構(gòu)分析這門新興學科，從簡單的

3、無機化合物和礦物，逐漸發(fā)展到有機化合物和生物大分子1。礦物絕大部分是結(jié)晶質(zhì).對礦物成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究是礦物學和晶體學的重要研究內(nèi)容。x射線衍射分析方法簡單、分析成本低、對樣品無損、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、權(quán)威性高、分析速度快、分析范圍廣,已發(fā)展成為一項普遍開展的常規(guī)分析項目，廣泛應(yīng)用于結(jié)晶樣品的物相定性、定量分析和結(jié)晶度測定以及晶胞參數(shù)測定等方面，在晶體學和礦物學研究中被廣泛應(yīng)用2。本文簡單介紹一下x射線衍射技術(shù)在礦物學和晶體學中的應(yīng)用和發(fā)展.1 礦物定性、定量分析礦物的x射線定性相分析指的是用粉晶x射線衍射數(shù)據(jù)對樣品中存在的礦物相進行鑒別.其物相分析的理論依據(jù)是因為晶體的x射線衍射圖像實質(zhì)上是晶體微觀

4、結(jié)構(gòu)的一種精細復雜的變換， 每種晶體的結(jié)構(gòu)與其x射線衍射圖之間都有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其特征x射線衍射圖譜不會因為它種物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化。礦物學中的研究經(jīng)常需要鑒定礦物的組成，特別是混合礦物中含量較少的礦物組分，因此礦物定性分析是粉晶x射線衍射在礦物學研究中的最主要應(yīng)用。此外,由于天然礦物成因、成分復雜，同族礦物的不同礦物種以及同種礦物的不同變體往往很難用其他方法區(qū)分，粉晶x射線衍射便成為最有效的分析方法。礦物粉晶x射線衍射數(shù)據(jù)庫的不斷豐富以及計算機檢索技術(shù)的發(fā)展,使礦物的x射線定性相分析更加便捷，而大功率x射線源的出現(xiàn)則使微量礦物的發(fā)現(xiàn)與鑒定成為可能。很多粉晶x射線定量相分析方法,如直接

5、分析法、內(nèi)標法、基體清洗法（k值法）、增量法（沖稀法)、無標樣法等,都已被應(yīng)用于礦物的定量相分析中，但由于礦物標樣難以獲得以及對樣品和實驗要求高等原因,相對于定性相分析，礦礦物的粉晶x射線定量相分析應(yīng)用較少。最近的應(yīng)用多集中于巖石和土壤中的粘土礦物定量分析方面3，但由于粘土礦物成分、結(jié)構(gòu)易變，擇優(yōu)取向明顯，分析結(jié)果誤差較大.礦物定性、定量分析的大體過程是：制備各種標準單相物質(zhì)的衍射花樣并使之規(guī)范化,將待分析物質(zhì)的衍射花樣與之對照,從而確定物質(zhì)的組成相， 就成為物相定性分析的基本方法。鑒定出各個相后,根據(jù)各相花樣的強度正比于各組分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可對各種組分進行定量分析。2

6、礦物類質(zhì)同像替代研究類質(zhì)同像是礦物中極為普遍的現(xiàn)象,也是引起礦物化學成分變化的主要原因類質(zhì)同像還與礦物形成溫度、壓力等外界條件有關(guān)。如閃鋅礦中鐵含量的變化, 反映了礦物形成溫度的變化.因此研究礦物的類質(zhì)同像對了解元素賦存狀態(tài)以及礦物的生成條件等有重要意義。類質(zhì)同像的實質(zhì)就是礦物中不同成分的相互替代。原子半徑不同的成分替代往往會使礦物的晶胞參數(shù)發(fā)生微小的變化。利用粉晶衍射數(shù)據(jù)精確測定晶胞參數(shù)以及測量某些有特征意義的d值是研究類質(zhì)同像的通用方法。rietveld結(jié)構(gòu)精修對于類質(zhì)同像中原子的占位研究也有及其重要的作用4.3 礦物晶體結(jié)構(gòu)測定通常情況下,礦物晶體結(jié)構(gòu)主要是用x射線單晶衍射方法測定.然而

7、由于自然條件下的晶體的不完整性,例如孿生、缺陷等的存在,以及一些礦物結(jié)晶細小， 有時難以獲得尺寸和質(zhì)量滿足單晶結(jié)構(gòu)分析需要的礦物單晶體，此時需要運用粉晶x射線衍射法進行結(jié)構(gòu)測定或精修。由于目前新發(fā)現(xiàn)的新礦物大多量少,且多為粉晶,因此粉晶x射線衍射成為新礦物結(jié)構(gòu)測定的重要手段。4 礦物相轉(zhuǎn)變研究礦物相轉(zhuǎn)變包括化學組成不變僅晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(即同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變)和成分與結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變兩種類型。礦物相轉(zhuǎn)變可用粉晶x射線衍射方法研究。如sheng等提出以蝸牛殼中文石向方解石轉(zhuǎn)變的地層界線來進行地層對比,為第四紀地層對比提供了一個新思路。而粉晶x射線衍射已成為研究粘土礦物相轉(zhuǎn)變的最重要手段。近年來發(fā)展的出射

8、束斑僅為300m的微光源和二維位敏探測器使得用粉晶x射線衍射研究石英向柯石英的轉(zhuǎn)變成為可能，這種研究可為解釋板塊的折返過程提供理論支持5 。而同步輻射光源因其高亮度、束斑大小可調(diào)、射線波長可按需選擇等更是受到科學家們的青睞. 5 礦物結(jié)晶過程研究(原位實驗）掠入射x射線衍射方法的提出和強x射線光源的出現(xiàn)使得對礦物結(jié)晶過程的研究成為可能。近年來,眾多學者已利用掠入射粉晶x射線衍射方法對固液界面進行了研究。2006年demarco等6 利用波長為1.000埃的同步輻射x射線、以0.6o掠入射于黃鐵礦的表面, 研究了黃鐵礦電極在電介質(zhì)溶液中的原位氧化過程， 其文中給出的黃鐵礦電極在ph值為10.5的

9、0。1m nacl和0。01mnahco3 溶液中氧化了20、40和100分鐘后所得到的原位x射線衍射圖上，出現(xiàn)了除黃鐵礦以外的數(shù)條衍射線,推斷在電極表面出現(xiàn)了feso4 , fe(oh）so42h2 o和fe（oh）2 等物相。結(jié)晶過程是一個動態(tài)過程,高亮度的xrd光源和高靈敏度、高效率的二維探測器是獲得高質(zhì)量衍射數(shù)據(jù)的保證。6 幾種新的x射線衍射技術(shù)時間分辨x 射線衍射：時間分辨動態(tài)研究一個物理、化學或生物過程的重要性是不言而喻的,已經(jīng)發(fā)展了許多種在秒、毫秒、甚至微秒量級的實驗方法, 但是這些方法對電子轉(zhuǎn)移、生化反應(yīng)中間態(tài)等研究還是不夠快的,需要有皮秒(ps =1012s)，甚至飛秒(fs

10、 =1015s）分辨的實驗技術(shù), 近年提出的泵探針法可以達到這一要求。所謂泵-探針法7 ，是首先用一個強而短的(如200fs)激光脈沖打擊試樣， 在試樣中激發(fā)反應(yīng),激光起了泵的作用。接下來, 在一定的時間間隔（如1ps）后用一個強而短的x 射線脈沖打擊試樣，得到變化了的試樣衍射x 射線,解此x 射線譜即可得x 射線脈沖打擊試樣時的試樣結(jié)構(gòu)，x 射線脈沖起了探針的作用。在不同的時間間隔后發(fā)射x 射線脈沖，就可得到反應(yīng)進行中不同時間的結(jié)構(gòu)。但是,反應(yīng)不同時間的測量不是連續(xù)進行的,在作不同反應(yīng)時間的測量前都需要重新激發(fā)。共振x 射線衍射：在通常x 射線衍射中,入射x 射線波長并不靠近試樣中所含某一原

11、子的吸收邊,此時存在friedel 定律,若使入射x 射線波長靠近試樣中所含某一原子的吸收邊，此時此原子對入射x 射線發(fā)生共振吸收，出現(xiàn)異常散射,使原子散射因子f 發(fā)生變化,因而friedel 定律不再遵守,此時的衍射稱共振x 射線衍射。此時的原子散射因子與通常的不同， 需要進行修正。用x 射線衍射測定結(jié)構(gòu)時,難以分辨那些f 相近的相鄰元素，依賴異常散射，可使它們的f 變得不同，因而可以加以辨別。微結(jié)構(gòu)的深度分析:由于x 射線具有強大的透射能力,從來都認為x 射線衍射是作塊體分析的。近年隨著薄膜材料的廣泛應(yīng)用,發(fā)展了表面和薄膜衍射。表面結(jié)構(gòu)和塊體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是不同的， 但不是突變的,其間存在著過渡

12、區(qū),如何來分析這過渡區(qū)中逐步變化的結(jié)構(gòu)呢? 利用做表面衍射的掠入射方法,改變掠射角可以改變射線的透入深度,此方法可探測的深度約為幾個m ,不能更深.能量色散多晶體衍射8:所謂能量色散多晶體衍射是以白色(包含各種波長的)x 射線作為入射線，入射光束、試樣和探測器的位置均固定不動。此時,角是不變的。具有不同d值的平面點陣族都可以在入射線中找到能符合布拉格方程的某個波長的x 射線使其（在相同的方向）發(fā)生衍射,各衍射同時進入探測器.探測器需有能量分辨能力，一般用固體探測器.此種方法的一個特點是儀器構(gòu)造簡單，不需掃描，故是一種快速的實驗方法，常用于時間分辨實驗.7 結(jié)語應(yīng)用x射線衍射測量技術(shù)進行礦物物相

13、定性分析和定量分析是目前x衍射儀的主要工作, 雖然x衍射定量分析只能稱為半定量的方法，而且局限性較大， 但不斷發(fā)展的新的x射線衍射技術(shù)肯定會不斷滿足礦物學和晶體學的需求.參考文獻：1 郭可信。x 射線衍射的發(fā)現(xiàn)j.紀念勞厄發(fā)現(xiàn)晶x 射線衍射90 周年，2003，32（7)：427-433.2 龐小麗，劉曉晨,薛雍，江向鋒，江超華等。粉晶x射線衍射法在巖石學和礦物學研究中的應(yīng)用j。巖礦測試,2009,28(5)：452456。3 kahlem, kleberm， jahnr.geoderma，2002，109（3 -4)：191.4 yamazakis， toraya h.j。appl.cryst,1999，121（13）:51.5 蘇文輝, 劉曙娥, 許大鵬等.自然科學進展,2005，15(10)：1217。6 demarcor, jiangzt, martizanojetal。electrochimicaacta,2006, 51:5920.7davaasombuu j, durand