晶體X射線衍射實(shí)驗

1、中 南 大 學(xué)X射線衍射實(shí)驗報告材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)1202班級姓 名余博華學(xué)號010607120228同組者實(shí)驗日期2014年12月14日指導(dǎo)教師黃繼武評分分評閱人評閱日期一、 實(shí)驗?zāi)康?) 掌握X射線衍射儀的工作原理、操作方法；2) 掌握X射線衍射實(shí)驗的樣品制備方法；3) 學(xué)會X射線衍射實(shí)驗方法、實(shí)驗參數(shù)設(shè)置，獨(dú)立完成一個衍射實(shí)驗測試；4) 學(xué)會MDI Jade 6的基本操作方法；5) 學(xué)會物相定性分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相鑒定的方法；6) 學(xué)會物相定量分析的原理和利用Jade進(jìn)行物相定量的方法。本實(shí)驗由衍射儀操作、物相定性分析、物相定量分析三個獨(dú)立的實(shí)驗組成，實(shí)驗報

2、告包含以上三個實(shí)驗內(nèi)容。二、 實(shí)驗原理 1、X射線衍射儀（1）X射線管X射線管工作時陰極接負(fù)高壓，陽極接地。燈絲附近裝有控制柵，使燈絲發(fā)出的熱電子在電場的作用下聚焦轟擊到靶面上。陽極靶面上受電子束轟擊的焦點(diǎn)便成為X射線源，向四周發(fā)射X射線。在陽極一端的金屬管壁上一般開有四個射線出射窗口。轉(zhuǎn)靶X射線管采用機(jī)械泵+分子泵二級真空泵系統(tǒng)保持管內(nèi)真空度，陽極以極快的速度轉(zhuǎn)動，使電子轟擊面不斷改變，即不斷改變發(fā)熱點(diǎn)，從而達(dá)到提高功率的目的（2）測角儀系統(tǒng)測角儀圓中心是樣品臺，樣品臺可以繞中心軸轉(zhuǎn)動，平板狀粉末多晶樣品安放在樣品臺上，樣品臺可圍繞垂直于圖面的中心軸旋轉(zhuǎn)；測角儀圓周上安裝有X射線輻射探測器，

3、探測器亦可以繞中心軸線轉(zhuǎn)動；工作時，一般情況下試樣臺與探測器保持固定的轉(zhuǎn)動關(guān)系（即-2連動），在特殊情況下也可分別轉(zhuǎn)動；有的儀器中樣品臺不動，而X射線發(fā)生器與探測器連動。（3）衍射光路、物相定性分析1) 每一物相具有其特有的特征衍射譜，沒有任何兩種物相的衍射譜是完全相同的2) 記錄已知物相的衍射譜，并保存為PDF文件3) 從PDF文件中檢索出與樣品衍射譜完全相同的物相4) 多相樣品的衍射譜是其中各相的衍射譜的簡單疊加，互不干擾，檢索程序能從PDF文件中檢索出全部物相3、物相定量分析物相定量分析絕熱法在一個含有N個物相的多相體系中，每一個相的RIR值（參比強(qiáng)度）均為已知的情況下，測量出每一個相的

4、衍射強(qiáng)度，可計算出其中所有相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：其中某相X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可表示為：式中A表示N個相中被選定為內(nèi)標(biāo)相的物相名稱式中右邊是兩個物相X和A的RIR值，可以通過實(shí)測、計算或查找PDF卡片獲得。樣品中只含有兩相A和B，并選定A為內(nèi)標(biāo)物相，則有：三、 儀器與材料1) 儀器：18KW轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀2) 數(shù)據(jù)處理軟件：數(shù)據(jù)采集與處理終端與數(shù)據(jù)分析軟件MDI Jade 63) 實(shí)驗材料：CuO、FeMnO試樣四、 實(shí)驗步驟1 測量數(shù)據(jù)1) 準(zhǔn)備CuO樣品；2) 打開X射線衍射儀；3) 按下“Door”按鈕，聽到報警；4) 向右拉開“常規(guī)衍射儀門”，裝好樣品；5) 向左輕拉“常規(guī)衍射儀門”，使之合上；6)

5、打開“控制測量”程序，輸入實(shí)驗條件和樣品名，開始測量；表1 實(shí)驗參數(shù)設(shè)定：儀器掃描范圍掃描度電壓電流D/max 2500型X射線衍射儀10-808/min 40KV250mA7) 按相同的實(shí)驗條件測量FeMnO樣品的衍射數(shù)據(jù)。2 物相鑒定1) 打開Jade，讀入衍射數(shù)據(jù)文件；2) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊S/M工具按鈕，進(jìn)入“Search/Match”對話界面;3) 選擇“Chemistry filter”，進(jìn)入元素限定對話框，選中樣品中的元素名稱，然后點(diǎn)擊OK返回對話框，再點(diǎn)擊OK；4) 從物相匹配表中選中樣品中存在的物相。在所選定的物相名稱上雙擊鼠標(biāo)，顯示PDF卡片，按下Save按鈕，保存PDF卡片數(shù)

6、據(jù)；5) 在主要相鑒定完成后，對剩余未鑒定的衍射峰涂峰，做“Search/Match”，直至全部物相鑒定出來。6) 鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊“打印機(jī)”圖標(biāo)，顯示打印結(jié)果，按下“Save”按鈕，輸出物相鑒定結(jié)果。7) 以同樣的方法標(biāo)定其它樣品的物相,物相鑒定實(shí)驗完成。3 物相定量分析1) 在Jade窗口中，打開一個多相樣品的衍射譜；2) 完成多相樣品的物相鑒定，物相鑒定時，選擇有RIR值的PDF卡片；3) 選擇每個物相的主要未重疊的衍射峰進(jìn)行擬合，求出衍射峰面積；4) 選擇菜單“Options|Easy Quantitative”，按絕熱法計算樣品中兩相的重量百分?jǐn)?shù)；5) 按下“Save”按鈕，保存定量分析

7、結(jié)果，定量分析數(shù)據(jù)處理完成。計算公式: , 五 實(shí)驗數(shù)據(jù)處理1 物相鑒定結(jié)果(1) CuO說明：已知樣品為Cu的氧化物，在元素周期表中選擇Cu、O兩種元素檢索；檢出第一相為CuO，第二相為Cu，第三相為Cu2O。（2）FeMnO說明：已知樣品為一種Fe-Mn-O合金，在元素周期表中選擇Fe、Mn、O三種元素檢索；檢出第一相為MnO，第二相為Fe3O4。2 定量分析結(jié)果(1) CuOCu的 I/Ic(RIR)=8.86 CuO的I/Ic(RIR)=3.76 Cu2O的I/Ic(RIR)=8.28=2.356 =1.07W（Cu2O）=15.0% W（CuO）=80.6% W（Cu）=4.5%（2

8、）FeMnOFe3O4 的I/Ic(RIR)=5.13 MnO的I/Ic(RIR)=4.95=1.036W（Fe3O4）=56.5% W（MnO）=43.5%3 點(diǎn)陣常數(shù)精確測定結(jié)果(1) CuOPDF卡片數(shù)據(jù)如下Cu2OI/Ic(RIR)=8.28Cubic, Pn-3m(224)Z=2CELL: 4.258 x 4.258 x 4.258 Density(c)=6.154Strong Lines: 2.46/X 2.13/3 1.51/3 1.28/2 3.01/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 29.646 3.0109

9、5.4 ( 1 1 0) 14.823 0.1661 2.0868 2 36.520 2.4584 100.0 ( 1 1 1) 18.260 0.2034 2.5558 3 42.422 2.1290 34.4 ( 2 0 0) 21.211 0.2349 2.9512 4 52.606 1.7383 1.1 ( 2 1 1) 26.303 0.2876 3.6145 6 61.550 1.5054 26.4 ( 2 2 0) 30.775 0.3321 4.1737 8 65.736 1.4193 0.1 ( 2 2 1) 32.868 0.3523 4.4269 9 69.788 1.3

10、465 0.3 ( 3 1 0) 34.894 0.3713 4.6663 10 73.737 1.2838 19.7 ( 3 1 1) 36.869 0.3895 4.8941 11 77.609 1.2292 4.3 ( 2 2 2) 38.804 0.4068 5.1117 12 85.199 1.1380 0.2 ( 3 2 1) 42.600 0.4394 5.5213 14點(diǎn)陣常數(shù)為4.258 x 4.258 x 4.258CuI/Ic(RIR)=8.86Cubic, Fm-3m(225)Z=4CELL: 3.61505 x 3.61505 x 3.61505 Density(c)

11、=8.932Strong Lines: 2.09/X 1.81/4 1.28/2 1.09/22-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 43.315 2.0872 100.0 ( 1 1 1) 21.658 0.2396 3.0104 3 50.447 1.8075 42.8 ( 2 0 0) 25.224 0.2766 3.4761 4 74.123 1.2781 17.1 ( 2 2 0) 37.061 0.3912 4.9160 8 89.933 1.0900 15.6 ( 3 1 1) 44.966 0.4587 5.7645 1

12、1點(diǎn)陣常數(shù)為3.61505 x 3.61505 x 3.61505CuOI/Ic(RIR)=3.76Monoclinic, C2/c(15)Z=4CELL: 4.687 x 3.422 x 5.13 Density(c)=6.509Strong Lines: 2.32/X 2.52/9 2.53/4 2.31/3 1.87/3 1.51/2 1.38/1 1.58/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 32.528 2.7504 7.4 ( 1 1 0) 16.264 0.1818 2.2845 35.454 2.5298 36.5

13、 ( 0 0 2) 17.727 0.1976 2.4836 35.558 2.5226 92.3 (-1 1 1) 17.779 0.1982 2.4907 38.736 2.3226 100.0 ( 1 1 1) 19.368 0.2153 2.7052 38.933 2.3114 29.2 ( 2 0 0) 19.467 0.2163 2.7184 46.274 1.9604 1.9 (-1 1 2) 23.137 0.2551 3.2051 48.742 1.8667 26.3 (-2 0 2) 24.371 0.2679 3.3659 51.375 1.7770 1.2 ( 1 1

14、2) 25.687 0.2814 3.5358 53.512 1.7110 9.2 ( 0 2 0) 26.756 0.2922 3.6722 56.750 1.6208 0.8 ( 0 2 1) 28.375 0.3085 3.8765 58.300 1.5814 12.7 ( 2 0 2) 29.150 0.3162 3.9733 61.563 1.5051 16.5 (-1 1 3) 30.782 0.3322 4.1745 65.843 1.4173 12.5 ( 0 2 2) 32.922 0.3528 4.4333 66.248 1.4096 12.4 (-3 1 1) 33.12

15、4 0.3547 4.4574 66.491 1.4050 6.6 ( 3 1 0) 33.246 0.3559 4.4719 67.932 1.3787 7.4 ( 1 1 3) 33.966 0.3627 4.5573 68.128 1.3752 14.4 ( 2 2 0) 34.064 0.3636 4.5689 68.920 1.3613 0.4 (-2 2 1) 34.460 0.3673 4.6155 71.702 1.3152 0.3 (-3 1 2) 35.851 0.3802 4.7774 72.405 1.3041 5.3 ( 3 1 1) 36.202 0.3834 4.

16、8178 72.981 1.2953 0.3 ( 2 2 1) 36.491 0.3860 4.8509 75.029 1.2649 4.4 ( 0 0 4) 37.514 0.3953 4.9673 75.279 1.2613 6.2 (-2 2 2) 37.640 0.3964 4.9814 79.778 1.2011 0.2 ( 0 2 3) 39.889 0.4163 5.2311 80.201 1.1959 1.4 (-2 0 4) 40.100 0.4181 5.2542 82.390 1.1695 3.2 (-3 1 3) 41.195 0.4275 5.3724 83.101

17、1.1613 3.1 ( 2 2 2) 41.550 0.4305 5.4104 83.598 1.1557 2.8 ( 3 1 2) 41.799 0.4326 5.4368 86.556 1.1236 1.0 (-4 0 2) 43.278 0.4450 5.5920 86.800 1.1211 0.6 (-2 2 3) 43.400 0.4460 5.6046 88.024 1.1086 0.1 ( 1 1 4) 44.012 0.4510 5.6676 89.837 1.0909 4.0 (-1 3 1) 44.919 0.4583 5.7597 點(diǎn)陣常數(shù)為4.687 x 3.422

18、x 5.13（2）FeMnOPDF卡片數(shù)據(jù)如下Fe3O4I/Ic(RIR)=5.13Cubic, Fd-3m(227)Z=8CELL: 8.4 x 8.4 x 8.4 Strong Lines: 2.53/X 1.48/4 2.97/3 1.62/3 2.10/2 4.85/1 1.09/1 1.71/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 18.278 4.8497 12.0 ( 1 1 1) 9.139 0.1031 1.2956 3 30.065 2.9699 30.1 ( 2 2 0) 15.032 0.1684 2.1157

19、 8 35.412 2.5327 100.0 ( 3 1 1) 17.706 0.1974 2.4808 11 37.043 2.4249 8.1 ( 2 2 2) 18.521 0.2062 2.5911 12 43.037 2.1000 20.7 ( 4 0 0) 21.518 0.2381 2.9920 16 47.120 1.9271 0.4 ( 3 3 1) 23.560 0.2595 3.2605 19 53.389 1.7146 8.7 ( 4 2 2) 26.695 0.2916 3.6644 24 56.912 1.6166 29.6 ( 5 1 1) 28.456 0.30

20、93 3.8867 27 62.495 1.4849 37.4 ( 4 4 0) 31.247 0.3367 4.2313 32 65.709 1.4199 1.1 ( 5 3 1) 32.854 0.3521 4.4252 35 66.761 1.4000 0.1 ( 4 4 2) 33.381 0.3571 4.4880 36 70.895 1.3282 2.8 ( 6 2 0) 35.448 0.3765 4.7307 40 73.928 1.2810 7.3 ( 5 3 3) 36.964 0.3903 4.9049 43 74.929 1.2664 3.4 ( 6 2 2) 37.4

21、64 0.3948 4.9617 44 78.887 1.2124 2.3 ( 4 4 4) 39.443 0.4124 5.1823 48 81.819 1.1762 0.5 ( 5 5 1) 40.910 0.4251 5.3418 51 86.663 1.1225 3.0 ( 6 4 2) 43.331 0.4454 5.5975 56 89.556 1.0936 10.4 ( 7 3 1) 44.778 0.4572 5.7455 59點(diǎn)陣常數(shù)為8.4 x 8.4 x 8.4MnOI/Ic(RIR)=4.95Cubic, Fm-3m(225)Z=4CELL: 4.443 x 4.443

22、 x 4.443 Density(c)=5.371Strong Lines: 2.22/X 2.57/6 1.57/5 1.34/2 1.28/12-Theta d(?) I(f) ( h k l) Theta 1/(2d) 2pi/d n2 34.949 2.5652 64.1 ( 1 1 1) 17.475 0.1949 2.4494 3 40.576 2.2215 100.0 ( 2 0 0) 20.288 0.2251 2.8284 4 58.729 1.5708 47.4 ( 2 2 0) 29.364 0.3183 3.9999 8 70.200 1.3396 16.4 ( 3 1

23、 1) 35.100 0.3732 4.6903 11 73.822 1.2826 11.7 ( 2 2 2) 36.911 0.3898 4.8989 12 87.812 1.1107 4.4 ( 4 0 0) 43.906 0.4501 5.6567 16點(diǎn)陣常數(shù)為4.443 x 4.443 x 4.443六 結(jié)果與討論本次實(shí)驗采用的儀器X射線衍射儀是按照晶體對X射線衍射的幾何原理設(shè)計制造的。布拉格方程是X射線衍射儀最基本的理論基礎(chǔ)，也是進(jìn)行X射線檢測最根本和重要的理論依據(jù)之一。由知，確定了一組相互對應(yīng)的與便可求出一組干涉面的面間距d，當(dāng)干涉指數(shù)互質(zhì)時，干涉面就代表一族真實(shí)的晶面。因為存在系統(tǒng)消光，并非所有滿足布拉格方程的干涉面都有對應(yīng)的衍射條紋。為保證能得到足夠的衍射譜線以分析，X射線衍射儀使用的是粉末樣品，用單色（標(biāo)識）X射線照射多晶體試樣，即多晶體衍射方法，并且同時使樣品轉(zhuǎn)動（-2連動），設(shè)計2:1的角速度比，目的是確保探測的衍射線與入射線始終保持2的關(guān)系，即入射線與衍射線以試樣表面法線為