第四章X射線衍射線束的強(qiáng)度.

1、第四章第四章 X X射線衍射線束的強(qiáng)度射線衍射線束的強(qiáng)度引言引言4-1 4-1 一個(gè)電子對(duì)一個(gè)電子對(duì)X X射線的散射射線的散射4-2 4-2 一個(gè)原子對(duì)一個(gè)原子對(duì)X X射線的散射射線的散射4-3 4-3 一個(gè)單胞對(duì)一個(gè)單胞對(duì)X X射線的散射射線的散射4-4 4-4 一個(gè)小晶體對(duì)一個(gè)小晶體對(duì)X X射線的散射射線的散射4-5 4-5 粉末多晶體的粉末多晶體的HKLHKL面的衍射強(qiáng)度面的衍射強(qiáng)度4-6 4-6 消光效應(yīng)對(duì)衍射強(qiáng)度的影響消光效應(yīng)對(duì)衍射強(qiáng)度的影響 本章將討論衍射線強(qiáng)度與原子位本章將討論衍射線強(qiáng)度與原子位置和種類間的定量關(guān)系，以便通過強(qiáng)置和種類間的定量關(guān)系，以便通過強(qiáng)度的測(cè)定確定原子位置和

2、種類。度的測(cè)定確定原子位置和種類。 原子種類及其在晶胞中的位置不同反映原子種類及其在晶胞中的位置不同反映到衍射結(jié)果上，表現(xiàn)為反射線的有無或到衍射結(jié)果上，表現(xiàn)為反射線的有無或強(qiáng)度的大小，這就是我們必須把握的第強(qiáng)度的大小，這就是我們必須把握的第二類信息，即二類信息，即衍射強(qiáng)度衍射強(qiáng)度。幾何理論只是一個(gè)抽象的物理模型，而未涉幾何理論只是一個(gè)抽象的物理模型，而未涉及到實(shí)質(zhì)。及到實(shí)質(zhì)。 引言實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)驗(yàn)證明： 強(qiáng)度極大值的方向，就是衍強(qiáng)度極大值的方向，就是衍射線束的方向，射線束的方向， 即：衍射線強(qiáng)度與方向有關(guān)，即：衍射線強(qiáng)度與方向有關(guān)，但前述四種形式都不能說明但前述四種形式都不能說明強(qiáng)度。強(qiáng)度。引言

3、 強(qiáng)度在空間的分布情況表征衍射強(qiáng)度在空間的分布情況表征衍射線的形狀。線的形狀。 前面將某方向的衍射線看作一條前面將某方向的衍射線看作一條線，但實(shí)際為一束，所以，通過線，但實(shí)際為一束，所以，通過強(qiáng)度的討論將引出強(qiáng)度的討論將引出衍射線束的方衍射線束的方向和形狀向和形狀。 實(shí)際強(qiáng)度比理論計(jì)算大得多。實(shí)際強(qiáng)度比理論計(jì)算大得多。引言我們知道我們知道一個(gè)晶體一個(gè)晶體晶胞晶胞原子原子電子電子原子核原子核引言影響衍射強(qiáng)度的因素影響衍射強(qiáng)度的因素晶胞大小晶胞大小原子數(shù)目、原子數(shù)目、種類、坐標(biāo)種類、坐標(biāo)晶體大小晶體大小溫度溫度,吸收吸收,方位方位引言4-14-1 一個(gè)電子對(duì)一個(gè)電子對(duì)X射線的散射射線的散射 討論對(duì)

4、象及結(jié)論：討論對(duì)象及結(jié)論： 一束一束X射線沿射線沿OX方向傳播，方向傳播，O點(diǎn)碰到點(diǎn)碰到電子發(fā)生散射，那么距電子發(fā)生散射，那么距O點(diǎn)距離點(diǎn)距離OPR、OX與與OP夾夾2 角的角的P點(diǎn)的散射強(qiáng)度點(diǎn)的散射強(qiáng)度為：為：22cos1244240RCmeIIp公式討論公式討論推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程圖圖4-1 單個(gè)電子對(duì)單個(gè)電子對(duì)X射線的散射射線的散射meEa0EyEzE02yxzopsinsin2022RmcEeRceaEe原原X射線的電場(chǎng)射線的電場(chǎng)E0,電子在電子在E0作用作用下所獲得的加速度為下所獲得的加速度為P點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)為點(diǎn)的電磁波場(chǎng)強(qiáng)為由于由于輻射強(qiáng)度與電場(chǎng)的平方成正比輻射強(qiáng)度與電場(chǎng)的平方成正比,

5、因此因此P點(diǎn)的輻射強(qiáng)度點(diǎn)的輻射強(qiáng)度IP與原與原X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度I0之比為之比為:0IIp202EEe22424sinRcme224240sinRcmeIIp見圖由于由于E0在各方向上的幾率相等在各方向上的幾率相等,故故:Ey=Ez22222022zyzyEEEEE或,I0=Iy+Iz=2Iy=2Iz在在P點(diǎn)的散射強(qiáng)度點(diǎn)的散射強(qiáng)度Ip=Ipy+Ipz,其中其中見圖yypyRcmeII22424sinzzpzRcmeII22424sin2y見圖22z將將值代入得到值代入得到:2424021RcmeIIpy2cos21224240RcmeIIpz22cos1224240RcmeIIp湯姆遜公式湯姆

6、遜公式 可見一束射線經(jīng)電子散射后，其可見一束射線經(jīng)電子散射后，其散射強(qiáng)度在各個(gè)方向上是不同的散射強(qiáng)度在各個(gè)方向上是不同的：沿：沿原原X射線方向上散射強(qiáng)度（射線方向上散射強(qiáng)度（2 0或或2 時(shí)）比垂直原入射方向的強(qiáng)度時(shí)）比垂直原入射方向的強(qiáng)度（2 /2時(shí)）大一倍。時(shí)）大一倍。這說明這說明,一束非偏振化的一束非偏振化的X射線經(jīng)電子射線經(jīng)電子散射后散射后,散射線被偏振化了散射線被偏振化了.偏振化的偏振化的程度取決于散射角程度取決于散射角2的大小的大小,所以把所以把 稱為稱為偏振因子偏振因子.公式討論：公式討論：22cos12當(dāng)電子散射強(qiáng)度作為衍射強(qiáng)度的自然單當(dāng)電子散射強(qiáng)度作為衍射強(qiáng)度的自然單位時(shí)位時(shí)

7、,主要是考慮電子本身的散射本領(lǐng)，主要是考慮電子本身的散射本領(lǐng)，即單位立體角所對(duì)應(yīng)的散射能量，即單位立體角所對(duì)應(yīng)的散射能量，OPR1， 則有公式：則有公式：22cos124240CmeIIp結(jié)論結(jié)論(由由公式公式)： 一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量為一個(gè)電子質(zhì)量的一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量為一個(gè)電子質(zhì)量的1836倍倍 原子核的散射強(qiáng)度比電子散射強(qiáng)度原子核的散射強(qiáng)度比電子散射強(qiáng)度小得多而可略去小得多而可略去 21RIe21mIeIe與2關(guān)系： 0和180 時(shí)，Ie最大 90時(shí)，Ie最小 一束非偏振的一束非偏振的X射線被電子散射后的射線被電子散射后的偏振化程度取決于偏振化程度取決于2 公式公式 Ie=I相相+I不相不相 除相干

8、散射外，對(duì)除相干散射外，對(duì)束縛較小的電子將產(chǎn)生非相干散束縛較小的電子將產(chǎn)生非相干散射，然而在晶體衍射射，然而在晶體衍射X射線條件射線條件下大量的散射是相干的，下大量的散射是相干的， 不不考慮非相干散射。考慮非相干散射。 1mol體積電子散射總體積電子散射總Ie10-27I0 總總IeI0推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程：1. 強(qiáng)度為強(qiáng)度為I0且偏振化了的且偏振化了的X射線作用于一射線作用于一個(gè)電荷為個(gè)電荷為e、質(zhì)量為質(zhì)量為m的自由電子上，的自由電子上，那么在與偏振方向夾角為那么在與偏振方向夾角為、距電子距電子R遠(yuǎn)處，散射強(qiáng)度遠(yuǎn)處，散射強(qiáng)度Ie為：為：222020sin4mRCeIIe2.而事實(shí)上，射到電子上的

9、而事實(shí)上，射到電子上的X射線是射線是非偏振的，非偏振的，E0隨時(shí)在隨時(shí)在yoz面內(nèi)改變面內(nèi)改變方向，引入偏振因子，則有：方向，引入偏振因子，則有：220204eeIImRC21 cos 22偏振化因子偏振化因子此式稱此式稱湯姆遜公式湯姆遜公式 （ 表示強(qiáng)度分布的方向性）表示強(qiáng)度分布的方向性）21 cos 22 討論對(duì)象及結(jié)論：討論對(duì)象及結(jié)論： 一個(gè)電子對(duì)一個(gè)電子對(duì)X射線散射后空間某點(diǎn)強(qiáng)射線散射后空間某點(diǎn)強(qiáng)度可用度可用Ie表示，那么一個(gè)原子對(duì)表示，那么一個(gè)原子對(duì)X射線散射線散射后該點(diǎn)的強(qiáng)度：射后該點(diǎn)的強(qiáng)度：4-24-2 一個(gè)原子對(duì)一個(gè)原子對(duì)X射線的散射射線的散射eaIfI2這里引入了這里引入了f

10、原子散射因子原子散射因子推導(dǎo)過程推導(dǎo)過程關(guān)于關(guān)于f：1）f表示原子散射能力（以表示原子散射能力（以Ae為單位表示）為單位表示）2）f與原子內(nèi)電子數(shù)、電子分布有關(guān)與原子內(nèi)電子數(shù)、電子分布有關(guān)3）f是變量，與原子性質(zhì)有關(guān)是變量，與原子性質(zhì)有關(guān)(Z), Z f 與波長(zhǎng)與波長(zhǎng)、散射方向散射方向有關(guān)（圖有關(guān)（圖4-4f曲線）曲線）eaAAf幅一個(gè)電子相干散射波振幅一個(gè)原子相干散射波振推導(dǎo)過程：推導(dǎo)過程： 一個(gè)原子包含一個(gè)原子包含Z個(gè)電子，那么可看成個(gè)電子，那么可看成Z個(gè)電子散射的疊加。個(gè)電子散射的疊加。 （1）如果）如果X-ray原子直徑，認(rèn)為原子直徑，認(rèn)為所有電子集中在一點(diǎn)同時(shí)振動(dòng)，對(duì)原子所有電子集中

11、在一點(diǎn)同時(shí)振動(dòng)，對(duì)原子序數(shù)為序數(shù)為Z的原子有：的原子有： eaIZcRZmZeII224224022cos1 （2）一般所用）一般所用X-ray波長(zhǎng)與原子直徑同波長(zhǎng)與原子直徑同一數(shù)量級(jí)，一數(shù)量級(jí)，不能認(rèn)為所有電子集中在不能認(rèn)為所有電子集中在一點(diǎn)，它們的散射波之間存在一位相差一點(diǎn)，它們的散射波之間存在一位相差(如圖如圖)， 2=0時(shí)時(shí),各電子散射波的位相相同各電子散射波的位相相同,Ia=Z2Ie 隨隨2增大增大,增大增大,Ia減小減小,散射強(qiáng)度由于受散射強(qiáng)度由于受干涉作用的影響而減弱干涉作用的影響而減弱即即Aaf Ae 。 其中其中f與與 有關(guān)、與有關(guān)、與有關(guān)有關(guān)。且且 fZ, 只有只有2=0時(shí)

12、時(shí), f=Z位置差位置差程差程差相位差相位差假定假定: Ia=f2Ief稱原子散射因子稱原子散射因子強(qiáng)度強(qiáng)度振幅振幅2eaAAf幅一個(gè)電子相干散射波振幅一個(gè)原子相干散射波振原子系統(tǒng)中電子的相干散射原子系統(tǒng)中電子的相干散射 假定：原子內(nèi)包含假定：原子內(nèi)包含Z個(gè)電子，在空間瞬時(shí)個(gè)電子，在空間瞬時(shí)分布情況用矢量分布情況用矢量 表示。表示。jr如圖如圖:原子中某電子原子中某電子在某瞬時(shí)與坐標(biāo)原在某瞬時(shí)與坐標(biāo)原點(diǎn)處的電子之間的點(diǎn)處的電子之間的相干散射相干散射OWPrjS0Sjmn220ss0ssN0ssmn光程差:j=om-an=jroa0srsrjj0ssrjcos0ssrj0ss=2sinj=2rj

13、sincoscossin42jjjrksin4cosjjkrzjiiiieaeeeeAA21zjikrezjiejjeAeA1cos1相位差相位差令令則則整個(gè)原子散射波振幅的瞬時(shí)值為整個(gè)原子散射波振幅的瞬時(shí)值為: 在實(shí)際工作中所測(cè)量的并不是散射強(qiáng)度在實(shí)際工作中所測(cè)量的并不是散射強(qiáng)度的瞬時(shí)值的瞬時(shí)值,而是它的平均值而是它的平均值,所以必須描述所以必須描述原子散射的平均狀態(tài)。原子散射的平均狀態(tài)。 為此為此,將原子中的電子看成為連續(xù)分布的將原子中的電子看成為連續(xù)分布的電子云電子云,從中取一個(gè)小的微分體元從中取一個(gè)小的微分體元dv。在。在dv中的電子數(shù)目中的電子數(shù)目dn=dv,為原子中的電為原子中的電

14、子密度。子密度。 則微分體元內(nèi)所有電子的散射振幅為：則微分體元內(nèi)所有電子的散射振幅為：dveAdneAdAjjieiea為了使問題簡(jiǎn)化，假定電子云分布是球形為了使問題簡(jiǎn)化，假定電子云分布是球形對(duì)稱的。其徑向分布函數(shù)為：對(duì)稱的。其徑向分布函數(shù)為：而球面坐標(biāo)中微分體元（而球面坐標(biāo)中微分體元（如圖如圖）為：）為：vieadveAAj rrrU24drddrdvsin2 drdderUAAikreasin41cos0200 將上式對(duì)將上式對(duì)和和積分后得：積分后得： drkrkrrUAAeasin0所以所以 drkrkrrUAAfeasin0從上式可以看出：從上式可以看出： f是的函數(shù)，是的函數(shù)， 即即

15、f 是的函數(shù)是的函數(shù) 當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，sin4ksin1sin, 0sinkrkr所以 ZdrrUf0 圖微分體元圖微分體元dv的球面坐標(biāo)的球面坐標(biāo)4-3 4-3 一個(gè)單胞對(duì)一個(gè)單胞對(duì)X射線的散射射線的散射 1. 討論對(duì)象及主要結(jié)論：討論對(duì)象及主要結(jié)論：2bHKLeIFI這里引入了這里引入了FHKL 結(jié)構(gòu)因子結(jié)構(gòu)因子 2. 公式推導(dǎo)過程公式推導(dǎo)過程3. 結(jié)構(gòu)因子結(jié)構(gòu)因子FHKL的討論的討論1122aaa122133123213AAACCCDDEEFFBBB圖4-2 （001）晶面的衍射簡(jiǎn)單點(diǎn)陣圖4-30SSoABCjrjrjjjx ay bz c=j=OB-AC=00jjjrsrsrss 022s

16、srjjj假設(shè)該晶胞由假設(shè)該晶胞由n種原子組成種原子組成各原子的散射因子為：各原子的散射因子為：f1 、f2 、f3 .fn； 那么各原子散射振幅為：那么各原子散射振幅為：f1 Ae 、f2 Ae 、f3 Ae .fn Ae ； 各原子與各原子與O原子之間的散射波的位相差為：原子之間的散射波的位相差為：1 、2 、3 . n ； 則則n個(gè)原子散射的合成振幅也即晶胞的散個(gè)原子散射的合成振幅也即晶胞的散射振幅射振幅 ：njineijeieiebefAefAefAefAA2121jjrssinjjeinjjeefAefA0211)(21jjjLzKyHxinjjeefA令)(21jjjLzKyHxi

17、njjef=FHKLAb=FAe 強(qiáng)度振幅2 Ib=F2IeF2由歐拉公式： sincosiei FHKL=)(2sin)(2cos1jjjjjjnjjLzKyHxiLzKyHxf結(jié)構(gòu)因子FHKL 的討論1. 關(guān)于結(jié)構(gòu)因子2. 產(chǎn)生衍射的充分條件及系統(tǒng)消光3. 結(jié)構(gòu)消光 4. 結(jié)構(gòu)因子與倒易點(diǎn)陣的權(quán)重關(guān)于結(jié)構(gòu)因子：關(guān)于結(jié)構(gòu)因子： 因?yàn)橐驗(yàn)? 其中：其中：Xj、Yj、Zj是是j原子的陣點(diǎn)坐標(biāo)；原子的陣點(diǎn)坐標(biāo)； H K L是發(fā)生衍射的晶面。是發(fā)生衍射的晶面。 所以有：所以有：jjjjLZKYHX221212sin2cos2njjjjjnjjjjjHKLLXKYHXfLZKYHXfF結(jié)構(gòu)因子與哪些因

18、素有關(guān)？結(jié)構(gòu)因子與哪些因素有關(guān)？4-12 反射面HKL不同，結(jié)構(gòu)因子不同 晶胞的衍射構(gòu)成晶體的衍射，Ib=F2IeF2 某個(gè)晶面的結(jié)構(gòu)因子為零，則衍射強(qiáng)度為零 即對(duì)于某（HKL），雖對(duì)于某一，滿足2dsin=，即滿足布拉格方程，衍射的必要條件，但因其結(jié)構(gòu)因子FHKL=0，使衍射線強(qiáng)度為零，同樣觀察不到衍射。關(guān)于F： 2）FHKL：與原子種類有關(guān)；與原子坐標(biāo)有關(guān)；與原子數(shù)目有關(guān)，不受晶胞形狀和大小影響 稱結(jié)構(gòu)因子 3）FHKL與實(shí)驗(yàn)條件的關(guān)系：體現(xiàn)在與波長(zhǎng)有關(guān)。射振幅一個(gè)電子散射的相干散射的相干散射振幅一個(gè)晶胞內(nèi)所有原子散ebAA1）FHKL=產(chǎn)生衍射的充分必要條件：產(chǎn)生衍射的充分必要條件： 滿

19、足布拉格方程且滿足布拉格方程且FHKL0。四種基本點(diǎn)陣的消光規(guī)律四種基本點(diǎn)陣的消光規(guī)律 （圖表（圖表）它分為：它分為：點(diǎn)陣消光點(diǎn)陣消光結(jié)構(gòu)消光結(jié)構(gòu)消光 由于由于FHKL0而使衍射線消失而使衍射線消失的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為系統(tǒng)消光系統(tǒng)消光，由于面心或體心上有附加陣由于面心或體心上有附加陣點(diǎn)而引起的點(diǎn)而引起的FHKL=0稱為稱為點(diǎn)陣點(diǎn)陣消光消光.通過結(jié)構(gòu)因子計(jì)算可以總結(jié)通過結(jié)構(gòu)因子計(jì)算可以總結(jié)出四種布拉菲點(diǎn)陣類型的點(diǎn)出四種布拉菲點(diǎn)陣類型的點(diǎn)陣消光規(guī)律陣消光規(guī)律.(1)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光簡(jiǎn)單點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光l在簡(jiǎn)單點(diǎn)陣中，每個(gè)陣胞中只包含一個(gè)原子，其坐標(biāo)為000，原子散射因子為fal根據(jù)(4-12)式得

20、：結(jié)論：(2)底心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光底心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光 每個(gè)晶胞中有每個(gè)晶胞中有2個(gè)同類原子，其坐標(biāo)個(gè)同類原子，其坐標(biāo)分別為分別為000和和1/2 1/2 0，原子散射因子相，原子散射因子相同，都為同，都為fa 當(dāng)H+K為偶數(shù)時(shí)，即H，K全為奇數(shù)或全為偶數(shù)：結(jié)論結(jié)論在底心點(diǎn)陣中，在底心點(diǎn)陣中，F(xiàn)HKL不受不受L的影響，只的影響，只有當(dāng)有當(dāng)H、K全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射生衍射分析：221cosHKLaFfHK當(dāng)H+K為奇數(shù)時(shí)，即H、K中有一個(gè)奇 數(shù)和一個(gè)偶數(shù)：(3)體心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光體心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光l每個(gè)晶胞中有每個(gè)晶胞中有2個(gè)同類原子，其坐標(biāo)個(gè)同類原子，其坐標(biāo)為

21、為000和和1/2 1/2 1/2 ，其原子散射因子，其原子散射因子相同相同分析結(jié)論：結(jié)論：在體心點(diǎn)陣中，只有當(dāng)在體心點(diǎn)陣中，只有當(dāng)H+K+L為偶數(shù)為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射時(shí)才能產(chǎn)生衍射2221 cosHKLaFfHKL當(dāng)H+K+L為偶數(shù)時(shí)，當(dāng)H+K+L為奇數(shù)時(shí)，(4)面心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光面心點(diǎn)陣的系統(tǒng)消光l每個(gè)晶胞中有每個(gè)晶胞中有4個(gè)同類原子個(gè)同類原子分析分析 當(dāng)當(dāng)H、K、L全為奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)，則（全為奇數(shù)或偶數(shù)時(shí)，則（H+K）、（）、（H+K）、（）、（K+L）均為偶數(shù)，這時(shí)：）均為偶數(shù)，這時(shí)： 當(dāng)當(dāng)H、K、L中有中有2個(gè)奇數(shù)一個(gè)偶數(shù)或個(gè)奇數(shù)一個(gè)偶數(shù)或2個(gè)偶個(gè)偶數(shù)數(shù)1個(gè)奇數(shù)時(shí)，則（個(gè)奇數(shù)時(shí)，則（H

22、+K）、（）、（H+L）、）、（K+L）中總有兩項(xiàng)為奇數(shù)一項(xiàng)為偶數(shù)，此時(shí)：）中總有兩項(xiàng)為奇數(shù)一項(xiàng)為偶數(shù)，此時(shí)：2221 coscoscosHKLaFfHKHLKL22221 1 1 116HKLaaFff F FHKLHKL=4f=4fa a2221 1 1 10HKLaFf FHKL=0結(jié)論結(jié)論 在面心立方中，在面心立方中，只有當(dāng)只有當(dāng)H、K、L全為奇數(shù)或全全為奇數(shù)或全為偶數(shù)時(shí)才能為偶數(shù)時(shí)才能產(chǎn)生衍射產(chǎn)生衍射。如。如Al的衍射數(shù)據(jù)：的衍射數(shù)據(jù)：ualitydAInt.hkl2.3381001112.024472001.431222201.221243111.16972221.01242400

23、0.928983310.905584200.82668422消光規(guī)律與晶體點(diǎn)陣消光規(guī)律與晶體點(diǎn)陣l結(jié)構(gòu)因子中不包含點(diǎn)陣常數(shù)。因結(jié)構(gòu)因子中不包含點(diǎn)陣常數(shù)。因此，結(jié)構(gòu)因子只與原子品種和晶此，結(jié)構(gòu)因子只與原子品種和晶胞的位置有關(guān)，而不受晶胞形狀胞的位置有關(guān)，而不受晶胞形狀和大小的影響和大小的影響l例如：只要是體心晶胞，則體心例如：只要是體心晶胞，則體心立方、體心正方、體心斜方，系立方、體心正方、體心斜方，系統(tǒng)消光規(guī)律是相同的統(tǒng)消光規(guī)律是相同的四種基本點(diǎn)陣的消光規(guī)律布拉菲點(diǎn)陣出現(xiàn)的反射消失的反射簡(jiǎn)單點(diǎn)陣全部無底心點(diǎn)陣H、K全為奇數(shù)或全為偶數(shù)H、K奇偶混雜體心點(diǎn)陣H+K+L為偶數(shù)H+K+L為奇數(shù)面心點(diǎn)陣

24、 H、K、L全為奇數(shù)或全為偶數(shù)H、K、L奇偶混雜結(jié)構(gòu)消光結(jié)構(gòu)消光 對(duì)對(duì)由兩種以上等同點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)來由兩種以上等同點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)來說，一方面要遵循點(diǎn)陣消光規(guī)律，另一方說，一方面要遵循點(diǎn)陣消光規(guī)律，另一方面，因?yàn)橛懈郊釉拥拇嬖冢€有附加的面，因?yàn)橛懈郊釉拥拇嬖?，還有附加的消光，稱為消光，稱為結(jié)構(gòu)消光結(jié)構(gòu)消光金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 每個(gè)晶胞中有8個(gè)同類原子，坐標(biāo)為000、1/2 1/2 0，1/2 0 1/2，0 1/2 1/2，1/4 1/4 1/4，3/4 3/4 ，3/4 3/4 ，1/4 3/4 3/4金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 前4項(xiàng)為面心點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)因子，用FF表示，后4項(xiàng)可提出公因子。

25、得到：金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu) 用歐拉公式，寫成三角形式： 分析: 當(dāng)H、K、L為異性數(shù)（奇偶混雜)時(shí)，金剛石結(jié)構(gòu) 當(dāng)H、K、L全為偶數(shù)時(shí)，并且H+K+L=4n時(shí) 當(dāng)H、K、L全為偶數(shù)且H+K+L4n時(shí)結(jié)論結(jié)論金剛石結(jié)構(gòu)屬于面心立方點(diǎn)陣，凡是金剛石結(jié)構(gòu)屬于面心立方點(diǎn)陣，凡是H、K、L不為同性數(shù)的反射面都不能產(chǎn)生衍射不為同性數(shù)的反射面都不能產(chǎn)生衍射由于金剛石型結(jié)構(gòu)有附加原子存在，有另由于金剛石型結(jié)構(gòu)有附加原子存在，有另外的外的3種消光條件種消光條件密堆六方結(jié)構(gòu)密堆六方結(jié)構(gòu) 每個(gè)平行六面體晶胞中有每個(gè)平行六面體晶胞中有2個(gè)同類原個(gè)同類原子，其坐標(biāo)為子，其坐標(biāo)為000，1/3 2/3 1/2密堆六方結(jié)構(gòu)

26、密堆六方結(jié)構(gòu) 根據(jù)歐拉公式，將上式寫成三角函數(shù)形式：2212122cos2332HKLaFfHKL212121cos2332afHKL根據(jù)公式：cos2=2cos2-1，將上式改寫為：222121212cos1332HKLaFfHKL2224cos32aHKLf密堆六方結(jié)構(gòu)密堆六方結(jié)構(gòu)結(jié)論：密堆六方結(jié)構(gòu)的單位平行六面體晶胞中的兩個(gè)原子，分別屬于兩類等同點(diǎn)。所以，它屬于簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu)，沒有點(diǎn)陣消光。只有結(jié)構(gòu)消光密堆六方結(jié)構(gòu) 不能出現(xiàn)（(h+2k)/3為整數(shù)且l為奇數(shù)的晶面衍射Au-Cu3有序無序固溶體有序無序固溶體 395以上：為完全以上：為完全無序的面心立方點(diǎn)無序的面心立方點(diǎn)陣，每個(gè)結(jié)點(diǎn)上銅陣，

27、每個(gè)結(jié)點(diǎn)上銅金的幾率各自為原金的幾率各自為原子百分?jǐn)?shù)（子百分?jǐn)?shù)（0.25Au和和0.75Cu）。）。其原其原子散射因子：子散射因子：0.250.75aAuCufff圖4-4 AuCu3的無序和有序狀態(tài)的單胞（a)無序狀態(tài) 即完全無序時(shí)，衍射花樣與面心立方金屬相似，只出現(xiàn)全奇或全偶指數(shù)晶面的衍射。 每個(gè)晶胞有4個(gè)平均原子：坐標(biāo)000,1/2 0,1/2 0 , 0 1/21iHKiHLiKLHKLaFfeee4af0=H、K、L同性，不消光H、K、L異性，消光395以下：呈有序狀態(tài)。Au原子占據(jù)晶胞的角頂， Cu原子占據(jù)面心，（b)有序狀態(tài)CuAu 所以有序固溶體的所有HKL都能產(chǎn)生衍射，與簡(jiǎn)單

28、立方點(diǎn)陣相同。 Au原子坐標(biāo)為000；Cu原子坐標(biāo)為1/2 0，1/2 0 ，0 1/2, 0iiHKiHLiKLHKLAuCuFf efeee=3AuCuffAuCuff(H、K、L同性，不消光)(H、K、L異性，不消光)結(jié)構(gòu)因子與倒易空間構(gòu)造 就倒易點(diǎn)陣的幾何意義而言，倒易陣點(diǎn)是抽象的幾何點(diǎn)，任何倒易點(diǎn)陣為簡(jiǎn)單點(diǎn)陣。1VV倒晶胞從衍射的角度來看： 每個(gè)倒易陣點(diǎn)代表一組干涉面（HKL），它們的結(jié)構(gòu)因子各不相同，復(fù)雜點(diǎn)陣所對(duì)應(yīng)的倒易點(diǎn)陣中某些陣點(diǎn)的 這些倒易陣點(diǎn)失去了其存在的意義，可將它們除去。這樣，在倒易點(diǎn)陣中也會(huì)出現(xiàn)某些復(fù)雜的點(diǎn)陣類型。 如圖20HKLF圖4-5 倒易點(diǎn)陣陣胞(a)簡(jiǎn)單點(diǎn)陣

29、V*=1/V001201101011021111121211221000100200010020110120210220002102202012022112212002202001201021111221000200020110220022112(b)底心點(diǎn)陣V*=4/V222面心點(diǎn)陣V*=8/V002202011101211121000200020110220022112222(d)體心點(diǎn)陣V*=8/V0022021110002000202200222224-4 4-4 一個(gè)小晶體對(duì)一個(gè)小晶體對(duì)X射線的衍射射線的衍射 公式推導(dǎo) IM=F2 G2Ie 一. 理想完整晶體二. 非理想完整晶體 干

30、涉函數(shù)圖象 晶體大小、選擇反射區(qū)形態(tài)、衍射花樣對(duì)應(yīng)關(guān)系 一個(gè)小晶體衍射的積分強(qiáng)度一. 理想完整晶體 一個(gè)理想完整小晶體可看成是由晶胞在三維空間周期重復(fù)排列而成。因此，求出一個(gè)晶胞的散射波之后，按位相對(duì)所有晶胞的散射波進(jìn)行疊加，就得到整個(gè)晶體的合成振幅。 為方便起見，假定小晶體為平行六面體，三棱邊為N1a、N2b、N3c，其中N1、N2、N3分別為晶軸a、b、c方向上的晶胞數(shù)。 N1N2N3=N 為晶胞總數(shù)（HKL）晶面平直如圖4-7 一束X射線沿S0方向照射晶體上，則位于坐標(biāo)原點(diǎn)o的晶胞和在任意A點(diǎn)的j晶胞在S方向散射的波程差j0SSBjrCoAj晶胞的位矢：jrmanbpcj晶胞的振幅：Ab

31、=FHKLAe0jjjOBACrsrs (m、n、p為整數(shù))022jmnpjjHKLssrr r 由 小晶體總振幅：0HKLssrHaKbLc 2jmanbpcHaKbLc=2(mH+nK+pL)1jNiMbjAA emnpieNFAe=2imHnKpLeNFAe=123222imHinKipLeeNNNFAeeeNFA強(qiáng)度振幅222meIN F I二. 非理想完整晶體 實(shí)際晶體和實(shí)際測(cè)量條件必存在下列兩種情況： （1）實(shí)際晶體是不完整的，它由許多方位相差很小（小于1）的亞晶塊所組成 （2）入射線束有一定的發(fā)散度。 所以在處理衍射線強(qiáng)度時(shí)，需給出更切合實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)模型，即晶體的嵌鑲塊結(jié)構(gòu)。

32、鑲嵌結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，晶體是由許多小的嵌鑲塊組成的，每個(gè)塊大約10-4cm，它們之間的取向角差一般為130分。每個(gè)塊內(nèi)晶體是完整的，塊間界造成晶體點(diǎn)陣的不連續(xù)性。TEM照片 （HKL）非平直，不同部位的方位不同，間距也不同。 在入射線照射的體積中可能包含多個(gè)嵌鑲塊。因此，不可能有貫穿整個(gè)晶體的完整晶面TEM照片X射線的相干作用只能在嵌鑲塊內(nèi)進(jìn)行，嵌鑲塊之間沒有嚴(yán)格的相位關(guān)系，不可能發(fā)生干涉作用整個(gè)晶體的反射強(qiáng)度是各個(gè)晶塊的衍射強(qiáng)度的機(jī)械疊加 圖4-8 鑲嵌塊結(jié)構(gòu)123456(HKL)O*p1p2p3p4p5p6如如圖圖4-8，引入倒空間流動(dòng)坐標(biāo)引入倒空間流動(dòng)坐標(biāo)、 ：j=2(m+n+p)將rabc

33、晶胞的坐標(biāo)矢量晶胞的坐標(biāo)矢量倒易點(diǎn)陣中的流動(dòng)矢量倒易點(diǎn)陣中的流動(dòng)矢量m、 n 、 p 晶胞坐標(biāo)，為整數(shù)晶胞坐標(biāo)，為整數(shù)、倒易點(diǎn)陣的流動(dòng)坐標(biāo)，可為任意連續(xù)變量倒易點(diǎn)陣的流動(dòng)坐標(biāo)，可為任意連續(xù)變量寫成(見前)102102102321NppiNnniNmmiHKLeMeeeFAAcLbKaHrHKLcpbnamr312sinsinsinsinsinsinMeeNNNAFAFAG令312123sinsinsinsinsinsinNNNGGG G強(qiáng)度振幅2 IM=F2G2IeG2稱干涉函數(shù)2222222312123222sinsinsinsinsinsinNNNGGGG干涉函數(shù)的圖象圖4-9 N1=5時(shí)

34、的G12的函數(shù)曲線22112sinsinNG以 作曲線由圖可見：由圖可見：N1越多，越多， G12越大，越大，峰越尖銳峰越尖銳由主峰和副峰組成，兩主峰由主峰和副峰組成，兩主峰間有（間有（N1-2）個(gè)副峰，（個(gè)副峰，（N1-1）個(gè)零值。個(gè)零值。副峰強(qiáng)度主峰弱得多。當(dāng)副峰強(qiáng)度主峰弱得多。當(dāng)N11000時(shí)，全部強(qiáng)度幾乎時(shí)，全部強(qiáng)度幾乎都集中在主峰，副峰強(qiáng)度可忽都集中在主峰，副峰強(qiáng)度可忽略不計(jì)。略不計(jì)。-/5 0 /5 2/5 3/5 4/5 6/5N1=2N1=3N1=4N1=5 當(dāng)取0，1， 2，等整數(shù)時(shí) 當(dāng) 時(shí)， 即主峰在 范圍內(nèi)均不為零， 主峰底寬為 主峰下面積=2N1111.2,1nnNN0

35、21G11NH 12N 因此，對(duì)于一個(gè)非理想完整小晶體中的每個(gè)晶面，在其相應(yīng)的倒易點(diǎn)附近，均存在一個(gè)干涉函數(shù)不為零的區(qū)域，該區(qū)域即為擴(kuò)大了的倒易點(diǎn)在倒空間中占據(jù)的范圍即每個(gè)主峰是倒易空間中的一個(gè)選擇反射區(qū)（或稱衍射疇），其有值范圍：123111,HKLNNN圖4-10 選擇反射區(qū) 選擇反射區(qū)中心是嚴(yán)格滿足布拉格定律的倒易陣點(diǎn)，即=H,=K,=L，為主峰最大值的對(duì)應(yīng)位置。最大值 反射球與選擇反射區(qū)的任何部位相交都能產(chǎn)生衍射。2222123maxGN N NN晶體大小與選擇反射區(qū)形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：晶體大小與選擇反射區(qū)形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：（c）針狀一維晶體針狀一維晶體(a)三維尺寸很大的理想完三維尺寸很大

36、的理想完整晶體整晶體(b)片狀二維晶體片狀二維晶體(d)三維尺寸很小的小晶體三維尺寸很小的小晶體一個(gè)小晶體衍射的積分強(qiáng)度一個(gè)小晶體衍射的積分強(qiáng)度 IM=F2 G 2Ie 按上式的計(jì)算值按上式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值相差較與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值相差較大，這是因?yàn)樵撌絻H大，這是因?yàn)樵撌絻H代表干涉函數(shù)主峰最代表干涉函數(shù)主峰最大值的強(qiáng)度，而實(shí)驗(yàn)大值的強(qiáng)度，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得值則包含了整個(gè)測(cè)得值則包含了整個(gè)主峰對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度主峰對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度即即積分強(qiáng)度積分強(qiáng)度。42320024201 cos 22sin2HKLeIFVI Q Vm cV I積=實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí), 入射入射X射線不可能嚴(yán)格單色射線不可能嚴(yán)格單色,平行平行,必然有必然有一

37、組反射球一組反射球 晶體常具有鑲嵌結(jié)構(gòu)晶體常具有鑲嵌結(jié)構(gòu),倒易點(diǎn)變成有一定倒易點(diǎn)變成有一定大小的倒易體大小的倒易體 反射球與整個(gè)倒易體相交而產(chǎn)生衍射反射球與整個(gè)倒易體相交而產(chǎn)生衍射,此此衍射與整個(gè)干涉函數(shù)主峰相對(duì)應(yīng)衍射與整個(gè)干涉函數(shù)主峰相對(duì)應(yīng) 所以所以,求積分強(qiáng)度求積分強(qiáng)度,就是要對(duì)就是要對(duì)公式公式在整個(gè)倒在整個(gè)倒易體范圍內(nèi)進(jìn)行易體范圍內(nèi)進(jìn)行如圖如圖:當(dāng)某選擇反射當(dāng)某選擇反射區(qū)區(qū)與反與反射球相交時(shí)射球相交時(shí), ,在在角內(nèi)都是角內(nèi)都是強(qiáng)度有值范圍強(qiáng)度有值范圍, ,其積分強(qiáng)度為其積分強(qiáng)度為: :dGFIdIIHKLeM22dO* 當(dāng)晶體繞垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)當(dāng)晶體繞垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(見見圖圖),倒

38、易矢量倒易矢量 也繞過也繞過O*點(diǎn)點(diǎn)垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)垂直紙面的軸轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)整個(gè)選擇反當(dāng)整個(gè)選擇反射區(qū)掃過反射球面時(shí)射區(qū)掃過反射球面時(shí),倒易矢量的倒易矢量的角度變化范圍為角度變化范圍為,整個(gè)選擇反射區(qū)整個(gè)選擇反射區(qū)都參加衍射的積分強(qiáng)度為都參加衍射的積分強(qiáng)度為:rddGFIIHKLe22積將將dd改換為對(duì)改換為對(duì)的積分的積分 d角在反射球面上所截取的面積為角在反射球面上所截取的面積為2dds晶體轉(zhuǎn)動(dòng)晶體轉(zhuǎn)動(dòng)d時(shí)時(shí),ds移動(dòng)的軌跡形成體元移動(dòng)的軌跡形成體元dV*ds沿沿CP方向位移方向位移NP=PQcos得:VFVIIHKLe22032sin1積VQIVFVcmeIIHKL02203242402sin

39、22cos1積220324242sin22cos1HKLFVcmeQ為單位體積的反射本領(lǐng) 此公式不能作為實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算公此公式不能作為實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算公式式 因?yàn)樵诟鞣N具體的實(shí)驗(yàn)方法中還存因?yàn)樵诟鞣N具體的實(shí)驗(yàn)方法中還存在著一些與實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)的影響因在著一些與實(shí)驗(yàn)方法有關(guān)的影響因素需用考慮素需用考慮4-5 4-5 粉末多晶體衍射的積分強(qiáng)度粉末多晶體衍射的積分強(qiáng)度 粉末多晶體衍射的厄瓦爾德圖解 粉末多晶體衍射的積分強(qiáng)度 其它因素對(duì)衍射強(qiáng)度的影響 溫度的影響溫度因子 試樣本身對(duì)X射線的吸收吸收因子 相對(duì)積分強(qiáng)度粉末多晶體衍射的厄瓦爾德圖解 如圖所示如圖所示（HKL）晶面晶面對(duì)應(yīng)的倒易點(diǎn)均勻地布對(duì)應(yīng)的倒

40、易點(diǎn)均勻地布滿在半徑為滿在半徑為r*HKL的球面的球面上，通常把這個(gè)球面稱上，通常把這個(gè)球面稱為為倒易球倒易球。 倒易球與反射球的交線倒易球與反射球的交線是一個(gè)圓，從這個(gè)交線是一個(gè)圓，從這個(gè)交線圓向反射球心連線形成圓向反射球心連線形成衍射圓錐衍射圓錐。 交線圓向倒易球心連線交線圓向倒易球心連線形成形成反射面法線圓錐反射面法線圓錐。參加衍射晶面數(shù)的百分比等參加衍射晶面數(shù)的百分比等于參加衍射晶粒數(shù)的百分比于參加衍射晶粒數(shù)的百分比. 只有那些法線穿過環(huán)帶的晶面才能滿足衍射條件，其余方向上的晶面則不能參加衍射。所以，可以用環(huán)帶的面積S與倒易球的面積S之比來表示參加衍射的晶面數(shù)的百分比。而指數(shù)一定的晶面

41、數(shù)與晶粒數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的，即有一個(gè)晶面參加衍射，就意凍著有個(gè)晶粒參加衍射。 假如用假如用q代表參加衍射的晶粒數(shù)，用代表參加衍射的晶粒數(shù)，用q代代表試樣中被表試樣中被X射線照射體積中的晶?？倲?shù)射線照射體積中的晶?？倲?shù)ssqq drdrrssqq2cos490sin22dqq2cos每個(gè)衍射圓環(huán)中,實(shí)際參加衍射的晶粒總數(shù)應(yīng)為，由于dPqqPQ2cosddGPqFIIHKLe222cos環(huán)式中qV=V,被X射線照射的粉末試樣體積 在實(shí)際工作小所測(cè)量的并不是整個(gè)衍射圓壞的積分強(qiáng)度，而是衍射間環(huán)單位長(zhǎng)度上的積分強(qiáng)度。 如果衍射圓環(huán)上強(qiáng)度分布是均勻的，則單位長(zhǎng)度上的積分強(qiáng)度I應(yīng)等于I環(huán)被衍射圓環(huán)的周長(zhǎng)除。4

42、322024201 cos 28sinHKLeIFPVm c VI環(huán)=圖4-11 粉末度樣衍射幾何V V0 0晶胞的體積晶胞的體積P P多重因子多重因子V V被照射粉末試樣體積被照射粉末試樣體積432202422011 cos 232sincosHKLeIIVFPRm c V角因子 如圖，假定衍射如圖，假定衍射圓環(huán)到試樣的距離為圓環(huán)到試樣的距離為R，則衍射環(huán)單位長(zhǎng)則衍射環(huán)單位長(zhǎng)度上的積分強(qiáng)度：度上的積分強(qiáng)度：圖圖4-12 角因子與角因子與角的關(guān)系角的關(guān)系多重因子 在多晶體衍射中同一晶面族HKL各等同晶面的面間距相等，根據(jù)布拉格方程這些晶面的衍射角2 都相同，因此，等同晶面族的反射強(qiáng)度都重疊在一

43、個(gè)衍射圓環(huán)上。把同族晶面HKL的等同晶面數(shù)P稱為衍射強(qiáng)度的多重因子。 各晶系中的各晶面族的多重因子列于表4-2中。各晶面族的多重因子列表各晶面族的多重因子列表 晶系指數(shù)H000K000LHHHHH0HK00KLH0LHHLHKLP 立方6812242448菱方、六方6261224 正方4248816 斜方248 單斜2424 三斜222溫度的影響溫度的影響 由于原子熱振動(dòng)使點(diǎn)陣中原子排列的周由于原子熱振動(dòng)使點(diǎn)陣中原子排列的周期性受到部分破環(huán)，因此晶體的衍射條期性受到部分破環(huán)，因此晶體的衍射條件也常駐到部分破環(huán)，從而使衍射線強(qiáng)件也常駐到部分破環(huán)，從而使衍射線強(qiáng)度減弱。度減弱。 為了校正原子熱振動(dòng)

44、對(duì)衍射強(qiáng)度的影響，為了校正原子熱振動(dòng)對(duì)衍射強(qiáng)度的影響，通常是在積分強(qiáng)度公式中再乘上一個(gè)通常是在積分強(qiáng)度公式中再乘上一個(gè)溫溫度因子度因子。2MTIDeI式中式中 f。為絕對(duì)零度時(shí)的原子散射因子為絕對(duì)零度時(shí)的原子散射因子 當(dāng)溫度愈高時(shí)，當(dāng)溫度愈高時(shí)， f值愈小，值愈小，e-M為校正原子散射為校正原子散射因子的溫度因子。也稱為德拜因子，或德拜因子的溫度因子。也稱為德拜因子，或德拜瓦瓦洛因子。洛因子。M的表達(dá)式為：的表達(dá)式為： 從上式可以看出溫度因子從上式可以看出溫度因子e-2M與與T、 的關(guān)系，對(duì)一的關(guān)系，對(duì)一定的定的角，角，T愈高，愈高，M愈大，愈大，e-2M愈小，即原于熱振動(dòng)對(duì)愈小，即原于熱振動(dòng)對(duì)衍射強(qiáng)度影響愈大；當(dāng)衍射強(qiáng)度影響愈大；當(dāng)T一定時(shí)，一定時(shí)，