第五章 X射线衍射定律和衍射几何
? 第一节 X射线特征谱
? 第二节 Laue方程
? 第三节 Bragg方程
? 第四节倒易点阵
? 第五节 衍射的 Ewald作图与衍射方法
? 第六节 衍射系统消光与衍射强度
第一节 X射线特征谱
K? = (2K?1 + K?2)/3
以 Cu靶为例,K?1=0.15405nm,K?2=0.1544nm,得
K?=0.15418nm。
第二节 Laue方程
晶体是三维空间上原子具有周期性排列的点阵结构,
研究晶体的衍射条件时可以把它当作三维空间点阵处理。
首先考虑一维点阵的情况:
光程差 ? = OA – PB
= OP ? s – OP ? s0
= OP (s – s0)
= ma (s – s0)
X射线产生干涉加强(衍射)的条件是各散射光相位相同,则
有,?=N?,即 ma (s – s0)= N?
对于任意的 m,都需要满足衍射条件,因此有
a (s – s0)= N?/m = H?
或 a (cos? - cos?0) = H?
a (cos? - cos?0) = H?
b (cos? - cos ?0) = K?
c (cos? – cos ?0) = L?
?,?,?,?0,?0,?0分别为散射光和入射光与三个点阵轴矢的夹角。
对于三维情形,衍射条件为:
a (s – s0) = H?
b (s – s0) = K?
c (s – s0) = L?
该方程组即为 Laue方程。 H,K,L称为衍射指数。
平面点阵的衍射 空间点阵的衍射
第三节 Bragg方程
光程差 ? = AC – BD = 0
光程差 ? = AB + BC = dsin? + dsin? = 2dsin?
满足衍射的条件为,2dsin? = n?
d为面间距,?为 Bragg角。这即为 Bragg方程。
Bragg方程反映了 X射线在反射方向上产生衍射的条
件,借用了光学中的反射概念来描述衍射现象。与可见
光的反射比较,X射线衍射有着根本的区别:
1、单色射线只能在满足 Bragg方程的特殊入射角下有衍
射。
2、衍射线来自晶体表面以下整个受照区域中所有原子
的散射贡献。
3、衍射线强度通常比入射强度低。
4、衍射强度与晶体结构有关,有系统消光现象。
? Laue方程与 Bragg方程的等价关系
|H | = 2sin?
产生衍射时,光程差 ? = OP ? (s – s0) = OP ? H = n?
OP ? H = d ? H = d ? 2sin? 即,2dsin? = n?
?衍射指数与晶面指数或点阵面指数的关系
如某一平行点阵面族的面指数为 (hkl),则离原点最近
的点阵面在三个轴矢的截距分别为 a/h,b/k,c/l。
H 垂直于 ABC面,于是有:
(a/h– b/k) ? H = 0
(b/k– c/l) ? H = 0
(c/l– a/h) ? H =0
H = (s – s0)
令,a/h ? H = b/k ? H = c/l ? H
= n?
则,a ? H = nh?
b ? H = nk?
c ? H = nl?
衍射指数,H = nh
K = nk
L = nl
?面间距公式
三角锥 OABC的体积为:
V = 1/6 ? (a/h) ? (b/k) ? (c/l) 或
V = 1/6 ? dhkl ? |(a/h – b/k) ? (b/k – c/l)|
= 1/6 ? dhkl ? | (a?b)/hk + (b?c)/kl
+ (c?a)/lh |
dhkl = [(a/h) ? (b/k) ? (c/l) ] / | (a?b)/hk + (b?c)/kl+ (c?a)/lh |
第四节倒易点阵
Bragg方程,2dhkl sin? = n?。 (1)
dhkl是面指数为 (hkl)的平行点阵面族的面间距。 n为衍射级
数,即当光程差为 n倍波长 ?时,(hkl)面族的第 n级衍射。
(1) 式可化为,2(dhkl /n)sin? = ?
令, dhkl /n = dHKL,根据面间距公式,有 H = nh,K = nk,L = nl
Bragg方程可化为,2dHKLsin? = ? 或 2dsin? = ?
即 (hkl)面族的 n级衍射可以处理为 (HKL)面族的一级衍射,
(HKL)平行面族的面间距为 (hkl)平行面族的 1/n倍。
通常衍射指数 (HKL)也用晶面指数符号 (hkl)表示。
dhk0矢量表示的( hk0)面族
在 X射线衍射晶体学中,引入倒易点阵的概念,以描述晶体
的衍射几何。
对于一族平行的点阵面 (h00),其面间距 d ?1/h,从点阵原点
对 (h00)面作法线,从原点为起点截出法线的一段长度 ? = 1/d
作为倒易矢量,则 ? ? h,取不同的 h值得到一直线倒易点阵。
(hk0)为一族平行于带轴的点阵面。从原点对这些点阵面作
法线,所有法线都在同一平面。从坐标原点为起点截出法线
一段长度为 ? = 1/d,得到一平面倒易点阵。
对于 (hkl)点阵面,从原点对点阵面作法线,得到的将是一空
间倒易点阵。
( hk0)面族的
倒易点阵
由面间距公式:
V = (a/h) ? (b/k) ? (c/l) = S ? d = S ? dhkl
S = (a?b)/hk + (b?c)/kl + (c?a)/lh
?hkl = n / dhkl = S / V
= ha* + kb* + lc*
其中,a* = (b?c)/[a ? (b?c)]
b* = (c?a)/[a? (b?c)]
c* = (a?b)/[a? (b?c)]
倒易点阵矢量,?hkl = ha* + kb* + lc*
?正点阵与倒易点阵的关系
一、单位倒易点阵的长度可表示如下:
|a*| = 1/d100,|b*| = 1/d010,|c*| = 1/d001
倒易点阵的 3个单位矢量 a*,b*,c*的方向分别为 (100),
(010),(001)面的法线方向,它们的模为相应的面间距的倒
数。由这三个倒易矢量得到与晶体点阵相对应的倒易点阵。
二、正点阵与倒易点阵的单位矢量有以下关系:
a?a* = b?b* = c?c* =1
a?b* = a?c* = b?a* = b?c* = c ?a* = c?b* = 0
三、倒易点阵的倒易点阵是正点阵。
第五节 衍射的 Ewald作图与衍射方法
Bragg方程,2dhklsin? = ? 可转变为:
sin? = (1/dhkl) / (2/?)
即,2/?,1/dhkl和 ?呈正弦关系。对于固定的 ?,改变 ?,
满足衍射条件的直角三角形的直角顶点将落在以 2/?为直径
的球面上。
Bragg方程 也可转换为,1/dhkl = 2sin?/?
用矢量式可表示为,?hkl = (s – s0)/?
? Ewald反射球作图:令 入射线方向 s0通过倒易点阵原点 O,以
LO(1/?)为半径,并以 L为圆心得到一个唯一的球,称为 Ewald
反射球。当 (hkl)面相应的倒易点 P(矢量为 ?hkl)落在反射球上时,
满足衍射条件,衍射方向为 LP(s/?),入射方向为 LO (s0/?) 。
?hkl = (s – s0)/?
sin? = (1/dhkl) / (2/?)
极限球,以 O为球心,2/?为半径得到一大圆球。当晶体绕 O
以任何轴旋转时,大球内所有倒易阵点均有可能与 Ewald球相
遇而产生衍射,球外的倒易阵点不可能与 Ewald球相遇,因而
不可能被激发。
一、回转晶体
法:
平行单色
光入射,单晶
样品。晶体转
动,倒易点阵
旋转,使得倒
易阵点与
Ewald球面相
遇产生衍射。
?倒易点阵,Ewald反射球与常用衍射方法
二、劳埃法:
平行“白色”
光入射,单晶样
品。由于使用连
续波长,得到一
系列不同直径的
Ewald球,使得
Ewald球面与许
多倒易阵点相交
而产生衍射。
三、粉末法:
平行单色光入射,粉末或多晶块状样品。晶粒随机取向,
每种取向导致倒易点阵的轴矢发生变化,倒易阵点的位置随
之变化,使得倒易阵点与 Ewald球面相交产生衍射。
1、粉末照相法
入射光方向
底片
粉末样品
2L = R ? 4?? ?/180
? = (2L/4R) ? 180/?
= (L/2R) ? 57.3
令,2R = 57.3mm
则,? = L
2、衍射仪法
X光

样品台
单色

探测

K?双线分离现象
CuK?1 = 1.5405?,K?2 = 1.544?,K? = 1.5418?
由 Bragg方程,2dsin? =?
2d cos? ? ?? = ??
??= tg? ? ?/??(弧度 ) = tg? ? ?/??? 180/?(度 )
? = 15o ?? = 0.035o
?= 35o ?? = 0.09o
? = 80o ?? = 0.74o
第六节 衍射系统消光与衍射强度
? Bragg衍射实验:
2d100 (0.126) = n1?
2d110 (0.178) = n2?
2d111(0.109) = n3?
得,n1 = n2 = 2
n3 = 1
体心立方格子的 (100)面的一
级衍射消光,(111)面消光,
(110)不消光。
可以判断 NaCl为面心立方格
子。
对于 P格子的 (100)一级衍射,1和
2的位相差为 2?。
在面心格子中,对于 (100)的一级
衍射,(200)同时产生作用,3和 1
的位相差为 ?,引起干涉相消。
对于面心立方格子,(100)面的一
级衍射消光,(110)面消光,而 (111)
不消光。
(111)的一级衍射弱,二级
衍射强,说明 Na+和 Cl-在
[111]方向上交替排列。
?结构因子
原子散射因子 f = 一个原子的相干散射振幅 /一个电子的相干
散射振幅
结构因子 F = 一个晶胞的 所有原子的相干散射合振幅 / 一个
电子的相干散射振幅
对于晶胞中的某个原子 (x,y,z),相对于晶胞原点的原子,其
散射因子可表示为, f ei?,其中 ei?为对原点原子的位相因子。
原子 (x,y,z)与原点的光程差为:
?=R?(s0-s)=R??hkl??= (xa+yb+zc)?(ha*+kb*+lc*)??
= (hx+ky+lz) ??
Fhkl = ? f ei? = ? f ei2? ?/? = ? f ei2?(hx+ky+lz)
| Fhkl | 称为结构振幅。 I ? | Fhkl |2
?结构因子与系统消光
具有 NaCl型结构的晶体,结构因子为:
hkl全奇时,F = 4(f+ - f-)
hkl全偶时,F = 4(f+ + f-)
对于散射因子相同的正负离子,衍射产生的条件是 h,k,l
=2n。
具有 ZnS型结构的晶体,结构因子为:
hkl全奇时,F = 4(f+ + if-)
hkl全偶时,且 h + k + l = 4n,F = 4(f+ + f-)
hkl全偶时,且 h + k + l = 4n + 2,F = 4(f+ - f-)
对于散射因子相同的正负离子,衍射产生的条件 hkl全奇,
或 hkl全偶,且 h + k + l = 4n。
以 41螺旋轴为例,设螺旋轴通过原点,坐标为 (x,y,z)的
原子,经过螺旋轴的变换,得到等效位置的原子,坐标为
(-x,y,z+1/4),(-x,-y,z+1/2),(x,-y,z+3/4)。考虑 (00l),它们的结
构因子:
F = f ei2?lz + f ei2?(lz+l/4) + f ei2?(lz+l/2) + f ei2?(lz+3l/4)
= f ei2?lz(1 + ei?l/2 + ei?l + ei3?l/2)
当 l = 4n,F ? 0,反之 F = 0
即对于 41螺旋轴,(00l)产生衍射的条件为 l = 4n。 l ? 4n 衍
射消光。
金刚石结构沿 [001]方向的投影
以垂直于 a的 n滑移面为例,假设滑移面通过原点,对于
坐标为 (x,y,z)的原子,经过滑移面作用,在 (-x,y+1/2,z+1/2)
有一相应的原子。考虑它们的结构因子:
F = f (ei2?(hx+ky+lz) + ei2?(-hx+ky+k/2+lz+l/2)
当 h = 0,F = f (ei2?(ky+lz) + ei2?(ky+k/2+lz+l/2)
= f ei2?(ky+lz) (1 + ei?(k+l))
当 k + l = 2n,F ? 0
即对于 n?a,对于 (0kl),衍射产生的条件为 k + l = 2n,
k + l ? 2n 衍射消光。
立方 Cu2O沿 c方向投影
O 0
O c/2
Cu 3c/4
Cu c/4
a
b
?多重性因子(倍数因子)
多重性因子与相应晶系的全对称类型的相应等效晶面数
相同。由于相同晶系具有不同的对称性,不同晶系的多重性
因子表现不同的衍射效应。
以四方晶系的 C4和 D4h点群为例,对于 {210},C4为四
个等效晶面,(210)和 (120)是不等效的。 D4h为八个等效晶
面,(210)和 (120)是等效的。
在粉末衍射效应上,(210)和 (120)产生衍射的位置 (?或
2?)相同,即衍射峰位置重合。但对于衍射强度,C4 的 (210)
和 (120)的结构因子不相同,为两组衍射的叠加。 D4h (210)
和 (120)的结构因子相同,表现为一组衍射。
?吸收因子
晶体的 X射线吸收因子取决于所含元素种类和 X射线波
长,以及晶体的尺寸和形状。
?温度因子
晶体的中原子的热振动,衍射强度受温度影响,温度
因子表示为 e-2M。
?偏振因子
?劳仑兹因子
1、实际衍射条件对衍射强度的影响。
2、衍射线强度与晶粒数目的关系。
3、衍射弧长的衍射线强度。