X射线粉末衍射结构分析培训班-课件-刘泉林优质PPT.ppt
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X射线晶体衍射基础射线晶体衍射基础理论与理论与实验实验技术技术刘刘泉泉林林北京科技大学材料科学与工程学院北京科技大学材料科学与工程学院Email:
@#@第十一届全国第十一届全国X-射线衍射学术大会射线衍射学术大会X-射线粉末衍射结构分析培训班射线粉末衍射结构分析培训班20120727长春长春引言1.X-射线晶体衍射基础理论2.X-射线粉末衍射实验技术引言是X-射线衍射理论与技术把人们对物质的认识从宏观带进了微观(原子水平上)。
@#@晶体结构的测定和物相鉴定主要依赖X-射线衍射。
@#@Ca2+F-与X射线和晶体学有关的诺贝尔奖1901190119011901伦琴伦琴伦琴伦琴(W.C.Roentgen)(W.C.Roentgen)(W.C.Roentgen)(W.C.Roentgen)发发发发现现现现XXXX射射射射线线线线(1895)(1895)(1895)(1895)物理物理物理物理1914191419141914劳厄(劳厄(劳厄(劳厄(M.VonM.VonM.VonM.VonLaueLaueLaueLaue)晶晶晶晶体体体体的的的的XXXX射射射射线线线线衍衍衍衍射射射射物理物理物理物理1915191519151915布拉格父子布拉格父子布拉格父子布拉格父子(W.H.BraggW.H.BraggW.H.BraggW.H.BraggW.L.BraggW.L.BraggW.L.BraggW.L.Bragg分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构物理物理物理物理1917191719171917巴克拉巴克拉巴克拉巴克拉(C.G.(C.G.(C.G.(C.G.BarklaBarklaBarklaBarkla)元素的标识元素的标识元素的标识元素的标识XXXX射线射线射线射线物理物理物理物理1924192419241924塞塞塞塞格格格格巴巴巴巴恩恩恩恩(K.M.G.SiegbahnK.M.G.SiegbahnK.M.G.SiegbahnK.M.G.Siegbahn)XXXX射射射射线线线线光光光光谱谱谱谱学学学学物理物理物理物理1927192719271927康普顿康普顿康普顿康普顿(A.H.Compton)(A.H.Compton)(A.H.Compton)(A.H.Compton)康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应物理物理物理物理1936193619361936德拜德拜德拜德拜(P.J.W.(P.J.W.(P.J.W.(P.J.W.DebyeDebyeDebyeDebye)粉末衍射粉末衍射粉末衍射粉末衍射化学化学化学化学1937193719371937戴维森戴维森戴维森戴维森(C.J.(C.J.(C.J.(C.J.DavissonDavissonDavissonDavisson)汤姆逊汤姆逊汤姆逊汤姆逊(G.P.Thomson)(G.P.Thomson)(G.P.Thomson)(G.P.Thomson)电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射物理物理物理物理1946194619461946缪勒缪勒缪勒缪勒(H.J.Muller)(H.J.Muller)(H.J.Muller)(H.J.Muller)XXXX射射射射线线线线诱诱诱诱发发发发遗遗遗遗传传传传突突突突变变变变医学医学医学医学1954195419541954鲍林鲍林鲍林鲍林(L.C.Pauling)(L.C.Pauling)(L.C.Pauling)(L.C.Pauling)物质结构物质结构物质结构物质结构化学键化学键化学键化学键化学化学化学化学1962196219621962沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯DNADNADNADNA双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构生理医学生理医学生理医学生理医学1962196219621962佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁蛋白质晶体结构蛋白质晶体结构蛋白质晶体结构蛋白质晶体结构化学化学化学化学1964196419641964霍奇金霍奇金霍奇金霍奇金(Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)青霉素青霉素青霉素青霉素B12B12B12B12结构结构结构结构化学化学化学化学1969196919691969哈塞尔哈塞尔哈塞尔哈塞尔巴顿巴顿巴顿巴顿复杂分子结构复杂分子结构复杂分子结构复杂分子结构化学化学化学化学1973197319731973威尔金森威尔金森威尔金森威尔金森费歇尔费歇尔费歇尔费歇尔有机金属化学有机金属化学有机金属化学有机金属化学化学化学化学化学1976197619761976普斯科姆普斯科姆普斯科姆普斯科姆硼化合物结构硼化合物结构硼化合物结构硼化合物结构化学化学化学化学1979197919791979豪森菲尔德豪森菲尔德豪森菲尔德豪森菲尔德柯马克柯马克柯马克柯马克XXXX射线断层照相射线断层照相射线断层照相射线断层照相生理医生理医生理医生理医学学学学1980198019801980桑格桑格桑格桑格吉尔伯特吉尔伯特吉尔伯特吉尔伯特伯格伯格伯格伯格胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构DNADNADNADNA核苷酸顺序核苷酸顺序核苷酸顺序核苷酸顺序化学化学化学化学1981198119811981塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩XXXX射线光电子能谱射线光电子能谱射线光电子能谱射线光电子能谱物理物理物理物理1982198219821982克卢格克卢格克卢格克卢格生物物质的结构生物物质的结构生物物质的结构生物物质的结构化学化学化学化学1985198519851985豪普特曼豪普特曼豪普特曼豪普特曼卡尔勒卡尔勒卡尔勒卡尔勒直接法直接法直接法直接法化学化学化学化学1988198819881988胡伯尔胡伯尔胡伯尔胡伯尔戴森霍弗戴森霍弗戴森霍弗戴森霍弗米歇尔米歇尔米歇尔米歇尔中心复合物的立体结构中心复合物的立体结构中心复合物的立体结构中心复合物的立体结构化学化学化学化学1994199419941994布罗克豪斯布罗克豪斯布罗克豪斯布罗克豪斯沙尔沙尔沙尔沙尔中子衍射中子衍射中子衍射中子衍射中子谱学中子谱学中子谱学中子谱学物理物理物理物理1997199719971997斯科斯科斯科斯科博耶博耶博耶博耶沃克沃克沃克沃克人体细胞内的离子传输酶人体细胞内的离子传输酶人体细胞内的离子传输酶人体细胞内的离子传输酶化学化学化学化学2002200220022002贾科尼贾科尼贾科尼贾科尼XXXX射线天文学射线天文学射线天文学射线天文学物理物理物理物理2003200320032003阿格雷阿格雷阿格雷阿格雷麦金农麦金农麦金农麦金农细胞膜水通道细胞膜水通道细胞膜水通道细胞膜水通道化学化学化学化学2006200620062006科恩伯格科恩伯格科恩伯格科恩伯格真核转录的分子基础真核转录的分子基础真核转录的分子基础真核转录的分子基础化学化学化学化学?
@#@如何测定晶体结构(原子的空间排列方式)?
@#@如何测定晶体结构晶体结构Crystalstructure衍射图谱DiffractionSpectrumX-射线衍射(222222)CC(111111)CCCuKCuK布拉格:
@#@衍射峰一组平行原子排列面建立结构与衍射峰之间的联系遇到的困难:
@#@X射线衍射中的相角问题X探测器2探测强度10=5+54+612-2?
@#@引言1.X-射线晶体衍射基础理论2.X-射线粉末衍射实验技术光量子:
@#@一个原子散射的振幅相当于位于原子的原点处的f(s)个独立电子向同一个s方向所散射振幅(按汤姆逊公式计算)的和。
@#@原子散射因数决定于原子内电子总分布函数(r)原子散射因数是衍射矢量s的函数,s的绝对值等于4sin/,故f是sin/的函数1.1原子对X-射线的散射(原子散射因子)InternationalTablesforCrystallography1.1X射线原子散射因子InternationalTablesforCrystallography原子散射因子与下列因素相关电子分布(原子离子种类)散射方向(衍射角)入射线波长(X射线波长)X射线粉末衍射分析射线粉末衍射分析物质材料物相多晶单晶晶胞原子衍射图谱衍射波的叠加探测器2晶体结构空间点阵结构基元CrystalLattice+Basis1850年,布喇菲(Bravais)空间点阵Fm3ma=5.640Na4a(0,0,0)Cl4b(0.5,0.5,0.5)Z=4NaCl型结构KCl:
@#@a=6.2901CaF2Ca2+F-Fm3ma=5.450Ca4a(0,0,0)F8c(0.25,0.25,02.5)Z=4CaF2型结构单晶体:
@#@晶胞在三维空间的周期性重复X射线粉末衍射分析射线粉末衍射分析物质材料物相多晶单晶晶胞原子衍射图谱衍射波的叠加kOPk0MNr2/2-S1.21.21.21.2一个晶胞对一个晶胞对一个晶胞对一个晶胞对XXXX射线的衍射射线的衍射射线的衍射射线的衍射Double-SlitExperimentDouble-SlitExperimentDouble-SlitExperimentDouble-SlitExperimentThomasYoung(1773-1829)DiffractionX射线射线电子电子中子中子晶体晶体探测器探测器图谱图谱kOPk0MNr2/2-S1.21.21.21.2一个晶胞对一个晶胞对一个晶胞对一个晶胞对XXXX射线的衍射(相位)射线的衍射(相位)射线的衍射(相位)射线的衍射(相位)Ok0kS结构因数F(s)也有人称为结构振幅表征了晶胞内原子种类,各种原子的个数和晶胞内原子的排列对衍射的影响。
@#@它的物理意义是一个晶胞向有s规定的方向散射的振幅等于F(s)个电子处在晶胞原点向这一方向散射的总振幅。
@#@1.2一个晶胞对X射线的衍射强度X射线粉末衍射分析射线粉末衍射分析物质材料物相多晶单晶晶胞原子衍射图谱衍射波的叠加1.3一个单晶体内所有晶胞对X射线的散射干涉函数布拉格公式kOPk0MNr2/2-S干涉函数1.3一个单晶体衍射峰的位置,强度,宽度和数目位置:
@#@强度:
@#@宽度:
@#@不同温度下合成的不同温度下合成的不同温度下合成的不同温度下合成的GaNGaNGaNGaN粉末的粉末的粉末的粉末的X-rayX-rayX-rayX-ray衍射图衍射图衍射图衍射图F.S.Liu,Q.L.Liuetal.,J.Mater.Res.19(2004)3484数目1.3劳厄方程式与布拉格方程式劳厄方程式1.4劳厄方程式与布拉格方程式反射面,衍射指标布拉格把晶体对X射线的衍射看成晶体中一组组平行的面网对X射线的镜面反射。
@#@在点阵中任意三个不共线的点阵点可确定出一点阵平面在点阵中任意三个不共线的点阵点可确定出一点阵平面.通过通过全部点阵点的一族平行的平面全部点阵点的一族平行的平面,是一族等间距的相同的平面是一族等间距的相同的平面.(hkl)(hkl)称为这一族平面点阵的指标称为这一族平面点阵的指标(hkl)(hkl)是一族包含全部点阵点在内的平面点阵是一族包含全部点阵点在内的平面点阵(面网面网)的指的指标标,这组平面点阵通过点阵中所有的点阵点这组平面点阵通过点阵中所有的点阵点,相邻两个平面相邻两个平面点阵的距离为点阵的距离为ddhklhkl.(hkl).(hkl)值确定了值确定了,则这族平行平面的基则这族平行平面的基本特性本特性,即方向和间距就确定了即方向和间距就确定了.反射面,衍射指标反射面,衍射指标正空间中一组平行平面正空间
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