导图社区 X射线衍射法
介绍了X射线的产生原理、与物质的相互作用方式、X射线衍射原理、设备及其应用，适合X射线方法的学习和复习。
汇总了高聚物的常见力学性能指标及测试方法，提供了关于材料力学性能的详细概述和分类。首先，介绍了材料在受到外力作用时的不同响应，包括弹性、塑性、屈服、应变软化、硬化等现象，并给出了相关的定义和公式。详细列出了与材料力学相关的各种术语和定义，如弹性模量、比例极限、弹性极限、塑性形变、拉伸强度等，并对它们进行了分类和解释。
详细介绍了透射电镜的基本原理及其仪器构造、制样等，一张图带你完全了解相关内容，内容实用，收藏学习吧！
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第14章DNA的生物合成读书笔记
X射线衍射法
概述
X射线的发现
德国物理学家伦琴首次发现X射线(1895),获得首届诺贝尔物理学奖(1901年)
发现后几个月就用来为病人服务,李鸿章成为检查枪伤的第一个中国人
X射线衍射
劳厄首次发现，X射线具有波动属性，诺贝尔物理学奖(1914年)
测定了晶体的结构,提出了Bragg方程(1913-1914),诺贝尔物理学奖(1915年)
DNA双螺旋结构(1953年)，1962年诺贝尔医学奖
Ziegler-Natta催化剂的发明(1953年),1962年诺贝尔化学奖
X射线的产生
原理
高速运动电子流或辐射流（中子、γ、X射线）突然减速均产生X射线。
约1%动能转化为X射线
99%能量转化为热能
产生条件
①产生自由电子——阴极
②电子做高速运动——高压电场
③在电子运动的路径上设置一个使其突然减速或停止的装置——阳极靶
④高真空，促使加速电子无阻挡地撞击到阳极靶上
装置：X射线管
阴极——电子枪
产生电子并将电子束聚焦
组成
灯丝
灯丝电流一定，管电流随管电压增加而增大并达到最大值
管电压一定，管电流随灯丝电流增加而增大
聚焦罩
调节电流束斑大小和电子发射方向的聚焦电极
阳极——金属靶又称对阴极
发射X射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等
类型
固定阳极
旋转阳极
有能力在很短的时间内产生高强度的X射线束
功能
接受电子
机械支撑
热辐射体
X射线管的效率很低，大量的能量用于发热
靶材料需要高熔点及水冷
可拆卸管
不同元素靶可随时更换，灯丝损坏后也可更换
密封管
常用，靶和灯丝不能更换，功率可达2.5kW
转靶式管
阳极靶会旋转，最实用的高强度X射线发生装置，适合大功率场合使用，可达90kW
X射线的一般性质
电磁波，具有波粒二象性
波动性
横波，波长很短10^-3~10nm，λ=c/ν
硬X射线
0.25~0.05nm 晶体结构分析
0.1~0.005nm金属探伤
软X射线
5~0.4nm光刻
5~0.1nm医学透视
能发生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象
通常条件很难观察到反射
折射率接近1，几乎不发生折射，无法聚焦
粒子性
子主题
物理效应
穿透、荧光、电离作用
化学效应
感光、着色作用
生物效应
细胞发生电离作用，对生物细胞造成抑制，损坏，甚至坏死
坏处：脱发，白血球减少，组织发红、发炎
好处：用于临床治疗，常用于放射治疗，如X刀
X射线光谱
X射线的强度随波长变化的关系曲线
连续（白色、多色）X射线
是由电子多次碰撞耗尽能量所产生的X射线，包含从λ0开始的全部波长
在短波方向有一个波长极限（若一次碰撞耗尽能量，该光子获得最高能量=eV，V为管电压），称为短波限λmin或λ0=hc/(eV)=1240/V nm
与靶材料无关，只与管电压有关
电压V不变，电流i ↑：λ0和λmax不变，强度I ↑
电流i不变，电压V ↑：λ0和λmax ↓，强度I ↑
电流i不变，电压V不变，靶材原子序数Z ↑：λ0和λmax不变，强度I ↑
特征（标识、单色）X射线
由于阳极靶物质原子核外层 K电子被高能电子撞出，形成空位后高能级电子进行补充，剩余能量以 X射线形式释放，最终形成特征 X射线，具有单一分布的波长。
入射电子动能＞靶原子某一壳层电子结合能
波长只与靶材料有关，与管压和电流都无关，称为该靶材料的特征X射线。
强度很高，波长范围很窄
当K层的电子被激发出去后，对于从L，M，N… 壳层中的电子跃入K壳层空位时所释放的X射线，分别称之为Kα、 Kβ、Kγ…谱线，共同构成K系特征X射线。
莫塞莱定律：
回填的几率(L→K)＞(M→K)＞(N→K)：
影响X射线发射谱的因素
①靶自身吸收；②固有滤过；③附加滤过
X射线与物质的相互作用
散射
相干散射
弹性碰撞：散射线的波长等于入射线的波长，又称汤姆逊散射
引起晶体产生衍射线的根源
是X射线光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程
振动方向相同
振动频率相同
相位或相位差保持恒定[相位差：两束光到达某点的光程差=（2π/λ）×光程差]
光程差为波长的整数倍时，各散射X射线之间有最大程度的相互加强，称作衍射
发生最大程度加强的方向称为衍射方向
测定衍射的方向可以确定晶胞的形状和大小
沿衍射方向前进的波称之为衍射波
X射线衍射学
非相干散射
反冲电子
物质原子中受核束缚较小的电子或自由电子
康普顿效应
描述当X射线或伽马射线与物质中的电子发生非弹性碰撞时，光子的能量降低，波长变长的现象。
作用位置：原子内一个轨道电子
产生条件：光子能量远远大于电子结合能
影响产生效率的因素：电子截面
在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响
诊断放射学中的康普顿效应
利：降低受检体吸收剂量
害：散射线
增加受检者的吸收剂量
对医护人员造成辐射
增加照片的灰雾，降低影响对比度
透射
X射线透射学
吸收
俄歇电子
外层电子回填内层空位后,原子所释放的能量被同层电子吸收,并挣脱了核的束缚成为自由电子,在同层中发生了两次电离,这种第二次电离的电子称为俄歇电子,该现象称俄歇效应
能量很低，平均自由程短，表层2~3个原子层发出，用于材料表面分析
光电子 (被击出成为自由电子)
X射线荧光 (二次特征X射线)
光电效应
作用位置：内层电子
不同于反冲电子(外层或自由电子)
产生条件：入射光子能量＞某一壳层电子结合能
作用规律
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加
随能量增加，光电效应发生的概率迅速减小
原子序数的4次方，波长的3次方
诊断放射学中的光电效应
利：影像质量好
不产生散射线，大大减少了照片的灰雾
增加吸收差别，获得高对比度的照片
害：增加受检者的吸收剂量
X射线光谱学
与入射X射线能量无关，具有特征性，用于材料成分分析。
荧光效应与俄歇效应均能发生，两者发生概率不同，主要取决于原子序数Z的大小。
热能
X射线的衰减
当X射线作用于物质时,产生散射、光电效应等物理效应,其强度降低的现象。强度按指数规律下降。
物质中
为物质的线吸收系数，反映了单位体积的物质对X射线的衰减程度。
是光子能量和物质原子序数的函数，与入射光子数无关。
规律
原子序数一定，能量越大，μ越小，能量越小，μ越大。
能量一定，原子序数越大，μ越大。
为物质的质量吸收系数，反映了单位质量的物质对X射线的衰减程度。
对一定波长的X射线和物质来说是定值
吸收限
与λ并非完全呈单调的变化关系，λ减小至不同的值时，μm会突然增加，将曲线分成若干段，每段呈单调的变化关系，突跃点处对应的λ称为吸收限。
突变是由于X射线的波长减小至一特定值时,其能量达到了能激发内层电子的值,发生了内层电子的跃迁,从而使X射线被大量吸收所致。
与K层电子对应的波长为K吸收限，表示为λK，L层为L吸收限，以此类推
作用
选靶材
靶材的λKa在Ⅰ位时：Z靶=Z试样+1 靶材的λKa在Ⅱ位时：Z靶＞＞Z试样
选滤片
Z滤片=Z靶-（1~2）
Z＜40时，Z滤片=Z靶-1 Z＞40时，Z滤片=Z靶-2
人体中：骨骼＞肌肉＞脂肪＞空气
X射线的安全防护
电震
辐射损伤
X射线衍射原理
当X 射线以特定方向入射某晶体结构时，在其背面底片上产生有规律分布的衍射斑点，称该现象为X射线衍射。
衍射方向
方向取决于晶体微观结构类型（晶胞类型）及其基本尺寸（晶面间距、晶胞参数）
劳厄方程
基于直线点阵
当相邻原子的散射X射线光程差等于零或入射X射线波长整数倍时发生衍射。
光程差为0时，干涉最强，此时入射角等于出射角，称零级衍射
h、k、l均为整数，称为衍射指标
一组hkl规定了一个衍射方向
布拉格方程
基于平面点阵
当光程差等于波长的整数倍时，相邻原子面散射波干涉加强，即干涉加强条件（布拉格方程）为
X射线从原子面的反射和可见光的镜面反射不同，是有选择地反射
波长为λ的X射线照射晶体时，晶体中只有面间距d > λ/2的晶面才能产生衍射
当晶面间距d一定时，只有λ≤2d才能发生衍射
但λ不能太小，常用0.05-0.2nm
应用
λ一定，不同晶系或同一晶系而晶胞大小不同的晶体，其衍射线束的方向不相同
确定晶体类型和晶胞参数——结构分析
用一种已知面间距的晶体来反射从试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得X射线的波长
确定试样的组成元素——成分分析
矢量方程
厄瓦尔德图解
衍射强度
指积分强度
是被照射区所有物质原子核外电子散射波在衍射方向的干涉加强，是一种集合效应
取决于晶体中各组成原子的元素种类及其分布排列的坐标（原子种类及位置）
为单位截面积上入射的单色X射线功率
K为一综合因子，与实验时的衍射几何条件，试样的形状、吸收性质，温度以及一些物理常数有关
为结构因子,取决于晶体的结构以及晶体所含原子的性质
系统消光
原子在晶体中位置不同或原子种类不同而引起的某些方向上衍射线消失的现象。
由于F=0而使衍射线消失的现象称为系统消光
点阵消光
结构消光
产生衍射线的必要条件是同时满足布拉格方程和F≠0
衍射谱图
某特定样品的衍射强度随衍射角度的变化关系曲线称为X射线衍射谱
X射线衍射仪
X射线反生器
X射线管
样品台
衍射测角仪
样品台固定于测角仪内圆，通过圆周转动改变入射线的入射角
计数器固定于外圆，与样品转动同步测定对应角度上的衍射强度
辐射探测器
荧光板
ZnS、CdS等
照相法
最早使用的方法，现仍常用
正比计数管（PC）
光电效应，产生类似电子雪崩现象
闪烁计数管（SC）
通用性最好的检测器
固体探测器（SSD）
需液氮，价高
位敏（多丝）正比计数管、成像屏、X射线电视……
测量电路及记录分析系统
X射线衍射实验方法
常用实验方法
单晶衍射法
劳厄法
转晶法
魏森堡法
四圆衍射仪法
多晶衍射法
粉末衍射仪法
粉晶衍射法
所有衍射方法中最方便的方法，可以提供晶体结构的大部分信息
发展历史：平板照相→德拜照相→衍射仪
采用感光底片来检测衍射线的方向和强度；只要满足衍射条件都将形成各自的反射圆锥
优点：设备简单、试样量少
缺点：摄照时间长、准确度不高
平板照相法
软片做平面式安放，垂直于入射线
背射式：软片位于样品与射线源之间
透射式：软片位于入射线穿透样品之后的光路上
记录底片与反射圆锥的交线
无规取向：在底片上形成连续的衍射同心圆环
单轴取向：连续对称的衍射圆环在平面底片上将退化为弧，直至成为斑点
德拜照相法
软片作圆柱面状安放，样品处于柱面的轴上，X射线垂直柱面轴线射到样品上
底片有四种安装方式：对称式、不对称式、倒置式和半分式
圆圈底片与所有反射圆锥相交形成一个个弧线对（称德拜环）
线数与λ立方成反比
线数也取决于晶系；晶系越低，则线数越多，强度越低
都属于平行光束型
聚焦光束型相机
Guinier相机
衍射仪法
最常用最方便的设备
光路采用聚焦光束型的衍射几何
优点：测量精确、信息量大、速度快、操作简便
缺点：设备昂贵、要求试样量大
测角仪是最核心的部件之一
立式：扫描圆垂直于水平面
卧式：扫描圆平行于水平面
扫描方式
连续扫描:常用于物相定性分析或全谱测量. (定性,速度快)
步进扫描(阶梯):常用于精确测定衍射峰的积分强度,位置或提供线型分析所需的数据. (定量,准确)
样品制备
块状样品一般首先研磨成均匀粉末，然后在金属模框内挤压成片
板状或薄膜样品测试前切成小条直接固定于样品夹上
纤维状样品可缠绕或粘结于样品框架上进行测试
要确保采样的代表性和样品成分的可靠性
物相分析
定性
把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相
定量
是基于待测物相的衍射峰强度与其含量成正比。
结晶度的测定
由结晶相的衍射图谱面积和非晶相衍射图谱面积确定
聚合物微晶大小测定
根据衍射峰的增宽可以测定其晶粒尺寸
取向分析
宏观应力的测定
精密测定点阵参数
通过X射线衍射线的位置（θ ）的测定而获得
对晶体结构不完整性的研究
实验方法
"白色"X射线
单晶
对任一晶面总有一个可能的λ满足布拉格方程
单色X射线
转晶
旋转过程中各个取向的晶面都有机会通过满足布拉格方程的位置
粉晶
总有合适的角度满足布拉格方程
