1、1,第一篇 材料X射线衍射分析,第一章 X射线物理学基础第二章 X射线衍射方向第三章 X射线衍射强度第四章 多晶体分析方法第五章 物相分析及点阵参数精确测定第六章 宏观残余应力的测定第七章 多晶体织构的测定,2,第二章 X射线衍射方向,本章主要内容第一节 晶体几何学简介第二节 布拉格方程第三节 X射线衍射法,3,第一节 晶体几何学简介,一、14种布喇菲点阵晶体中原子在三维空间规则排列的抽象图形称空间点阵。空间点阵中的阵点不限于原子由基本矢量a、b、c 构成的平行六面体称为单位晶胞，如图2-1所示布喇菲晶胞的选择原则： 最能反映点阵对称性； a、b、c 相等数目最多； 、 尽可能是直角布喇菲晶胞
2、的特点是几何关系和计算公式最简单,图2-1 单位晶胞,4,一、14种布喇菲点阵自然界的晶体可划分为 7个晶系，每个晶系中最多有 4种点阵，在 7 大晶系中只有 14 种布喇菲点阵1.立方晶系 a = b = c， = = = 90,图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单立方,体心立方,面心立方,第一节 晶体几何学简介,5,一、14种布喇菲点阵2.正方晶系 a = b c， = = = 90,续图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单正方,体心正方,第一节 晶体几何学简介,6,一、14种布喇菲点阵3.正交晶系 a b c， = = = 90,续图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交
3、,第一节 晶体几何学简介,7,一、14种布喇菲点阵4.菱方晶系 5.六方晶系 a=b=c，= 90 a=bc， = =90， =120,续图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单六方,简单菱方,第一节 晶体几何学简介,8,一、14种布喇菲点阵6.单斜晶系 a b c， = = 90 ,续图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单单斜,底心单斜,第一节 晶体几何学简介,9,一、14种布喇菲点阵7.三斜晶系 a b c， 90,续图2-2 晶系及布喇菲点阵,简单三斜,第一节 晶体几何学简介,10,二、晶体学指数1.晶向指数 晶体点阵中的阵点按一定周期排列，可将点阵分解为任意方向上的、且相互平行的结点直线簇，阵点等距
4、分布在这些直线上。用晶向指数 uvw 表示一簇直线， 其确定方法如图2-3所示。若已知直线上任意两点坐标分别为， (X1Y1Z1)和(X2Y2Z2)则有,图2-3 晶向指数的确定,第一节 晶体几何学简介,11,二、晶体学指数2.晶面指数 可将点阵分解为任意取向的、相互平行的结点平面簇，不同取向的平面簇具有不同特征。 用晶面指数(hkl)表示一簇平面， h k l为其在 3个坐标轴上截距倒数比(见图 2-4)，即,图2-4 晶面指数的确定,第一节 晶体几何学简介,12,二、晶体学指数3.六方晶系指数 用三指数表示六方晶系的晶面和晶向时，其缺点是不能直观地显示等同晶面和等同晶向关系。如(1 0 0
5、)、 (0 1 0)和( 1 0) 是等同三个柱面，1 0 0、0 1 0、 1 1 0实际上是等同晶向 上述晶面和晶向若用四指数可分别表示为，(1 0 0)、 (0 1 0)、 ( 1 0 0)，和2 0、 2 0、1 1 0，它们则具有明显的等同性，可分别归属为1 0 0晶面族和1 1 0晶向族，见图2-5,第一节 晶体几何学简介,13,二、晶体学指数3.六方晶系指数 若晶面用三指数表示时为 ( hkl )， 则相应的四数指 为( hkil )， 四指数中前三 个指数只有两个是独立的， 它们之间的关系为 i = - ( h + k ) 有时将i 略去，表示为 ( hkl ),图2-5 六方
6、晶系的晶体学指数,第一节 晶体几何学简介,14,二、晶体学指数3.六方晶系指数 四轴晶向指数确定方法见图2-6。三指数 UVW 和四指 数 uvtw 之间的按以下关 系互换 U = u t, V = v t, W = w u = ( 2U V )/3 v = ( 2V U )/3 t = - ( u + v ) w = W,图2-6 六方晶系的晶向指数,第一节 晶体几何学简介,15,三、简单点阵的晶面间距公式1.正交晶系 (2-3)2.正方晶系 (2-4)3.立方晶系 (2-5)4六方晶系 (2-6),第一节 晶体几何学简介,16,第二节 布拉格方程,X 射线与原子内受束缚较紧的电子相遇时产生
7、的相干散射波，在某些方向相互加强，而在某些方向相互减弱，称这种散射波干涉的总结果为衍射X 射线学以 X 射线在晶体中的衍射现象作为基础，衍射可归结为衍射方向和衍射强度两方面的问题衍射方向可由劳埃方程或布拉格方程的理论导出劳埃方程在本质上解决了X 射线衍射方向的问题，但难以直观地表达三维空间的衍射方向布拉格定律将晶体的衍射看成是晶面簇在特定方向对X射线的反射， 非常简单方便,17,一、布拉格方程的导出 如图2-7，在LL1处为同相位的一束单色平行X射线，以角照射到原子面AA上，在反射方向到达NN1处为同光程；入射线LM 照射到AA晶面的反射线为MN，入射线 L1M1 照射到相邻晶面BB的反射线为
8、 M2N2，它们到达NN2处的光程差 = PM2+QM2 = 2dsin 若X射线波长为，则相互加 强的条件为 2dsin = n (2-7) 此式即为著名的布拉格方程,图2-7 布拉格方程的导出,第二节 布拉格方程,18,二、布拉格方程的讨论布拉格方程 2dsin =n 中，入射线(或反射线)与晶面间的夹角 称为掠射角或布拉格角；入射线和衍射线之间的夹角2 称为衍射角；n 称为反射级数将衍射看成反射是布拉格方程的基础。X射线的晶面衍射和光的镜面反射有所不同，X射线只有在满足布拉格方程的 方向才能反射，因此称选择反射布拉格方程简单明确地指出获得X衍射的必要条件和衍射方向，给出了d、n和 之间的
9、关系,第二节 布拉格方程,19,二、布拉格方程的讨论1.反射级数 如图2-8，若X射线照射到晶体的(100)时，恰好能发生2级反射，则有2d100sin = 2 ；设想在(100)面中间均插入与其 完全相同的(200)面，可以把(100)的 2级反射看作是(200)的1级反射，则 布拉格方程为2d200sin = ；又可写 成，2(d100/2)sin = ，即 或 (2-10),图2-8 2级反射示意图,第二节 布拉格方程,20,二、布拉格方程的讨论2.干涉面指数把晶面(hkl)的n级反射面n(hkl)用符号(HKL)表示，称为反射面或干涉面(hkl)是晶体中实际存在的晶面， (HKL)只是
10、为了简化问题而引入的虚拟晶面干涉面指数称为干涉指数，H=nh，K=nk，L=nl，当n =1时，干涉面指数即为晶面指数在X射线结构分析中，一般使用干涉面的面间距,第二节 布拉格方程,21,二、布拉格方程的讨论3.掠射角掠射角 是入射线(或反射线)与晶面间夹角，一般用于表征衍射方向当 一定时，d 相同的晶面必然在 相同的方向才能获得反射。用单色X射线照射多晶体时，各晶粒d 相同的晶面，其反射方向( )相同当 一定时， 随d 值减小而增大，说明间距较小的晶面对应于较大的掠射角，否则其反射线就无法加强,第二节 布拉格方程,22,二、布拉格方程的讨论4.衍射极限条件掠射角 极限范围是090，但过大和过
11、小均会造成衍射观测的困难。由于sin 1，使得反射级数n或干涉面间距d 受到限制当d 一定时，n 随 较小而增大，采用短波长X射线照射，可获得较高级数的反射因dsin = / 2，故 d/2，说明只有间距大于或等于X射线半波长的干涉面才能参与反射，采用短波长的X射线照射时，参与反射的干涉面将会增多,第二节 布拉格方程,23,二、布拉格方程的讨论5.应用布拉格方程是X射线衍射分析中最重要的基础公式，能简单方便地说明衍射的基本关系用已知波长的X射线照射晶体，通过衍射角2的测量计算晶体中各晶面的面间距d，这就是 X 射线结构分析用已知面间距d的晶体反射样品激发的X射线，通过衍射角2 的测量计算X射线
12、的波长，这就是X射线光谱分析,第二节 布拉格方程,24,第二节 布拉格方程,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解 图2-9表明，入射线与衍射线的单位矢量与之差垂直于衍射面，且其绝对值为： ，代入布拉格方程得 (2-11) 即矢量 ghkl = k-k 垂直于衍射面 (hkl)， 且绝对值等于晶面间距 的倒数，这一结果把我们引入 一个解决衍射问题的矢量空间 倒易空间,图2-9 入射矢量k与衍射矢量k的关系,25,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一) 倒易点阵的定义和性质通常把晶体点阵（正点阵）所占据的空间称为正空间。所谓倒易点阵，是指在倒空间(量纲为L-1)内与某一正点阵相对应的另一个点阵
13、倒易点阵是爱瓦尔德在1924年建立的一种晶体学表达方法正点阵和倒易点阵是在正、倒两个空间内相互对应的统一体，它们互为倒易而共存 倒易点阵十分巧妙地、正确地反映晶体点阵周期性的物理本质，是解析晶体衍射的理论基础，是衍射分析工作不可缺少的工具,第二节 布拉格方程,26,第二节 布拉格方程,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一) 倒易点阵的定义和性质1.倒易点阵的定义 设正点阵的基本矢量为a、b、c，定义相应的倒易点阵基本矢量为a*、b*、c*，则有 (2-12)式中，V是正点阵单胞的体积，,27,第二节 布拉格方程,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一) 倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的
14、性质1) 倒易点阵基本矢量 (2-13)正倒点阵异名基矢点乘积为0，由此可确定倒易点阵基本矢量的方向 (2-14)正倒点阵同名基矢点乘积为1，由可确定倒易点阵基本矢量的大小 ，即 (2-15),28,第二节 布拉格方程,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(一) 倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的性质2) 倒易点阵矢量在倒易空间内，由倒易原点O*指向坐标为hkl的阵点矢量称倒易矢量，记为ghkl (2-16)倒易矢量ghkl与正点阵中的(hkl)晶面之间的几何关系为 (2-17)倒易矢量ghkl可用以表征正点阵中的(hkl)晶面的特性(方位和晶面间距),29,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图
15、解(一) 倒易点阵的定义和性质2.倒易点阵的性质3) 倒易球(多晶体倒易点阵)单晶体的倒易点阵是由三维空间规则排列的阵点所构成，它与相应正点阵属于相同晶系多晶体由无数取向不同的晶粒组成，其倒易点阵是由一系列不同半径的同心球面而构成多晶体同族hkl晶面的倒易矢量在三维空间任意分布，其端点的倒易阵点将落在以O*为球心、以 1/d hkl (ghkl)为半径的球面上,第二节 布拉格方程,30,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(二) 爱瓦尔德图解 由(2-11)式可得， (2-18)此式即为倒易空间的衍射方程容易证明它与布拉格方程是等效的当(hkl)面发生衍射时，其倒易矢量ghkl的 倍等于入射线
16、与衍射线的单位矢量之差 k k 矢量式(2-18)的几何图形表达形式，即为爱瓦尔德图解,第二节 布拉格方程,31,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(二) 爱瓦尔德图解 如图2-10，入射矢量的端点指向倒易原点O*，以入射方向上的C点作为球心，半径为1/作球，球面过O*，此即为爱 瓦尔德(或反射球) 若某倒易点hkl落在反射球面上， 该晶面将发生衍射，衍射线的方 向由反射球心指向该倒易点 爱瓦尔德图解可直观地说明(hkl) 晶面能否发生衍射、以及衍射线 的方向,图2-10 爱瓦尔德图解,第二节 布拉格方程,32,三、倒易空间的衍射方程及爱瓦尔德图解(三) 晶体衍射花样的特点1) 单晶体衍射花
17、样 用垂直于入射线放置的感光底片记录，单晶体衍射花样由 规则排列的衍射斑点组成 2) 多晶体衍射花样 如图2-11，用垂直于入射线的 底片记录，为一系列同心的衍射 环；若用围绕试样的条形底片记 录，为一系列衍射弧段；用绕试 样扫描的计数管接收信号，则为 一系列衍射谱线,图2-11 多晶体衍射花样的形成,第二节 布拉格方程,33,一、劳埃法 劳埃法是最早的X射线衍射方法，采用连续X射线照射不动的单晶体，用垂直于入射线的平底板记录衍射线而得到劳埃斑点，见图2-12。连续谱的波长范围为 0m，其中波长满足布拉格条件晶面将发生衍射。 主要用于单晶取向测定及晶体对称性研究。,第三节 X射线衍射方法,图2
18、-12 劳埃法,劳埃法,34,原理：如右图（用连续谱照射单晶体，相应反射球半径为一连续变量，落在最大半径和最小半径球面之间的所有倒易点相应晶面都可能发生衍射。）,35,二、周转晶体法 周转晶体法采用单色X射线照射转动的单晶体，并用以晶体旋转轴为轴线的圆筒形底板记录衍射花样，见图2-13。 晶体转动时，某晶面与 X 射线间 夹角 将连续变化，而在某些特 定位置满足布拉格条件而产生衍 射斑点，衍射花样呈层线分布 主要用于单晶取向测定及晶体对 称性研究,图2-13 周转晶体法,第三节 X射线衍射方法,周转晶体法,36,原理：如图示。单晶体转动相当于其对应倒易点阵绕与入射线垂直轴线转动，使得原来与反射球不相交的倒易点在转动过程中与反射球有一次或两次相交机会，从而产生衍射。,37,38,三、粉末法 粉末法用单色X射线照射多晶试样，见图 2-14。粉末法是衍射分析中最常用的方法，可以用粉末试样或块状样品，其衍射花样能提供多种信息 可用于晶体结构测定、物相定性和 定量分析、精确测定点阵参数、以 及材料内应力、织构、晶粒尺寸等 测定 粉末法是各种多晶体X射线分析的 总称，其中德拜-谢乐最具典型性 目前最实用的方法是X射线衍射仪 法,图2-14 粉末法示意图,第三节 X射线衍射方法,39,粉末法,40,
