X射線衍射晶體結構分析實驗報告

浙江師范大學實驗報告X射線衍射晶體結構分析摘要：本實驗中學生將了解到X射線的產(chǎn)生、特點和應用；理解X射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線譜和特征X射線譜的基本原理；用三種個方法研究X射線在NaCl單晶上的衍射，并通過測量X射線特征譜線的衍射角測定X射線的波長和晶體的晶格常數(shù)。關鍵詞：布拉格公式晶體結構波長引言：1895年德國科學家倫琴（W.C.R?ntgen）在用克魯克斯管研究陰極射線時，發(fā)現(xiàn)了一種人眼不能看到，但可以使鉑氰化鋇屏發(fā)出熒光的射線，稱為X射線。X射線具有很強的穿透物質的本領。X射線在電場磁場中不偏轉，說明X射線是不帶電的粒子流。1912年勞厄（M.VonLaue）等人發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，才證實了X射線本質上是一種波長很短的電磁輻射，其波長約為10nm到10–2nm之間。

X射線是一種波長很短的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。由于X射線波長與晶體中原子間的距離為同一數(shù)量級，至今它仍然是研究晶體結構的有力工具。正文：一、實驗原理：連續(xù)光譜特征光譜2468連續(xù)光譜特征光譜246810αβWMoCr0.50.90.7波長（?）強度37.215.2圖4—1X射線管產(chǎn)生的X射線的波長譜實驗中通常使用X光管來產(chǎn)生X射線。在抽成真空的X光管內，當由熱陰極發(fā)出的電子經(jīng)高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發(fā)射X射線。發(fā)射出的X射線分為兩類：（1）如果被靶阻擋的電子的能量不越過一定限度時，發(fā)射的是連續(xù)光譜的輻射。這種輻射叫做軔致輻射；（2）當電子的能量超過一定的限度時，可以發(fā)射一種不連續(xù)的、只有幾條特殊的譜線組成的線狀光譜，這種發(fā)射線狀光譜的輻射叫做特征輻射。連續(xù)光譜的性質和靶材料無關，而特征光譜和靶材料有關，不同的材料有不同的特征光譜，這就是為什么稱之為“特征”的原因。圖4—2圖4—2元素特征X射線的激發(fā)機理高速電子原子核M殼層L殼層K殼層K殼層電子L殼層電子Lα1Kα1Kα2KβWKWLWMWN0Kα2Kα1LIIIIIIK態(tài)(K電子去除)L態(tài)(L電子去除)M態(tài)(M電子去除)N態(tài)(N電子去除)價電子去除中性原子Kβ輻射Kα原子能量K激發(fā)L激發(fā)MNMαLα(a)(b)連續(xù)光譜又稱為“白色”X射線，包含了從短波限λm開始的全部波長，其強度隨波長變化連續(xù)地改變。從短波限開始隨著波長的增加強度迅速達到一個極大值，之后逐漸減弱，趨向于零（圖4—1）。連續(xù)光譜的短波限λm只決定于X射線管的工作高壓。（2）特征光譜陰極射線的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內一些原子的內層電子會被轟出，使原子處于能級較高的激發(fā)態(tài)。圖4—2b表示的是原子的基態(tài)和K、L、M、N等激發(fā)態(tài)的能級圖，K層電子被轟出稱為K激發(fā)態(tài)，L層電子被轟出稱為L激發(fā)態(tài)，…，依次類推。原子的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，內層軌道上的空位將被離核更遠的軌道上的電子所補充，從而使原子能級降低，多余的能量便以光量子的形式輻射出來。圖4—2a描述了上述激發(fā)機理。處于K激發(fā)態(tài)的原子，當不同外層（L、M、N…層）的電子向K層躍遷時放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為K系輻射。同樣，L層電子被轟出后，原子處于L激發(fā)態(tài)，所產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為L系輻射，依次類推?；谏鲜鰴C制產(chǎn)生的X射線，其波長只與原子處于不同能級時發(fā)生電子躍遷的能級差有關，而原子的能級是由原子結構決定的。圖圖4―3NaCl晶體中氯離子與鈉離子的排列結構a0d2、X射線在晶體中的衍射光波經(jīng)過狹縫將產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。狹縫的大小必須與光波的波長同數(shù)量級或更小。對X射線，由于它的波長在0.2nm的數(shù)量級，要造出相應大小的狹縫觀察X射線的衍射，就相當困難。馮·勞厄首先建議用晶體這個天然的光柵來研究X射線的衍射，因為晶體的晶格正好與X射線的波長屬于同數(shù)量級。圖4—3顯示的是NaCl晶體中氯離子與鈉離子的排列結構。下面討論X射線打在這樣的晶格上所產(chǎn)生的結果。ADADCθθθθd12dsinθdsinθdd'd''圖4—4布拉格公式的推導（b）（a）由圖4—4a可知，當入射X射線與晶面相交θ角時，假定晶面就是鏡面（即布拉格面，入射角與出射角相等），那末容易看出，圖中兩條射線1和2的光程差是，即。當它為波長的整數(shù)倍時（假定入射光為單色的，只有一種波長）布拉格（Bragg）公式在θ方向射出的X射線即得到衍射加強。根據(jù)布拉格公式，即可以利用已知的晶體（d已知）通過測θ角來研究未知X射線的波長；也可以利用已知X射線（λ已知）來測量未知晶體的晶面間距。二、實驗儀器和使用說明本實驗使用的是德國萊寶教具公司生產(chǎn)的X射線實驗儀。12345圖412345圖4—6X光管B1B2B4B5B3A0A1A2A3A4監(jiān)控區(qū)X光管實驗區(qū)圖4—5X射線實驗儀X光管的結構如圖4—6所示。它是一個抽成高真空的石英管，其下面（1）是接地的電子發(fā)射極，通電加熱后可發(fā)射電子；上面（2）是鉬靶，工作時加以幾萬伏的高壓。電子在高壓作用下轟擊鉬原子而產(chǎn)生X射線，鉬靶受電子轟擊的面呈斜面，以利于X射線向水平方向射出。（3）是銅塊，（4）是螺旋狀熱沉，用以散熱。（5）是管腳。右邊的實驗區(qū)可安排各種實驗。A1是X光的出口。A2是安放晶體樣品的靶臺。A3是裝有G—M計數(shù)管的傳感器，它用來探測X光的強度。2θθ1232θθ123圖4—7COUPLED模式下靶臺和傳感器的角位置左邊的監(jiān)控區(qū)包括電源和各種控制裝置。B1是液晶顯示區(qū)。B2是個大轉盤，各參數(shù)都由它來調節(jié)和設置。B3有五個設置按鍵，由它確定B2所調節(jié)和設置的對象。B4有掃描模式選擇按鍵和一個歸零按鍵。SENSOR—傳感器掃描模式；COUPLED—耦合掃描模式，按下此鍵時，傳感器的轉角自動保持為靶臺轉角的2倍（如圖4—7）B5有五個操作鍵，它們是：RESET；REPLAY；SCAN（ON/OFF）；是聲脈沖開關；HV（ON/OFF）鍵是X光管上的高壓開關。軟件“X-rayApparatus”的界面如圖4—9所示。圖4—9一個典型的測量結果畫面數(shù)據(jù)采集是自動的，當在X射線裝置中按下“SCAN”鍵進行自動掃描時，軟件將自動采集數(shù)據(jù)和顯示結果。工作區(qū)域左邊顯靶臺的角位置和傳感器中接收到的X光光強R的數(shù)據(jù)；而右邊則將此數(shù)據(jù)作圖，其縱坐標為X光光強R（單位是1/s），橫坐標為靶臺的轉角（單位是o）。三、實驗數(shù)據(jù)與處理1、X射線的衰減與吸收體厚度的關系如下表厚度d/mmR/s-1（無Zr）R/s-1（Zr）T=R/RO（無Zr）T=R/RO（Zr）04.666.06110.52.412.620.5170.4321.01.381.320.2960.2171.50.880.870.1890.1432.00.680.570.1460.0952.50.510.390.1090.0643.00.370.330.0790.054

2、X射線的衰減和吸收體物質的關系U=30KV,d=0.5mm,準直器前沒安裝皓濾片（Zr）原子序數(shù)(Z)R（無Zr）T=R/R（無Zr）μ=-lnT/dcm-1(無Zr)16.2301.0000615.3300.9451.131407139.9000.6109.885926262.4730.15237.6775290.5300.33022.17325402.1330.13140.65116472.1830.13440.19830U=30KV,d=0.5mm,準直器前安裝皓濾片（Zr）原子序數(shù)(Z)R（無Zr）T=R/R（無Zr）U=-lnT/dcm-1(無Zr)4.501.000065.3701.193-3.52942133.3300.7415.995093260.9630.21430.83559290.3600.08050.51457401.0102.224-15.9861470.6900.15337.546353、已知晶體的晶格常數(shù)（a0=564.02pm），測定X射線的波長X射線衍射圖有圖得nθ（Kα）θ（Kβ）λ（Kα）λ（Kβ）17.16.369.7161.89214.512.970.6162.96322.119.570.7362.76平均70.3562.53667由上表得λ（Kα）/pmλ（Kβ）/pm經(jīng)驗值71.0763.08測量值70.3562.54則它們的相對誤差分別為：▽1=（71.07-70.35）/71.07=1.013%▽2=(63.08-62.54)/63.08=0.86%4、已知X射線的波長，測定晶體的晶格晶格常數(shù)由X射線衍射圖得θsinθ線系nnλa06.30.1097Kβ163.08575.02287.10.1236Kα171.0757512.90.2232Kβ2126.16565.23314.50.2504Kα2142.14567.651819.50.3338Kβ3189.24566.926322.10.3762Kα3213.21566.7464平