X射线衍射技术的原理与物相分析

由琪

摘  要：现代多晶体X光线衍射解析法最通常使用的基础仪器设备是X光线粉状衍射仪,它也是许多研究所、试验室、高等院校和国家质量监督检查机关的必要设施,本篇主要阐述了X光线粉状衍射仪的基础原理,及其采用此仪器设备的现代多晶体X光线衍射物相稳定性解析法和定量分析。

关键词：X光线;布拉格衍射方程;物相解析;粉末衍射卡片集

1 基本原理

1.1 X射线衍射介绍

多晶X射线衍射解析法也被叫做粉状X射线衍射解析法,在使用本法时要首先将试样做成非常细小的粉状,然后再对粉状进行压块制样。它有许多好处,比如粉状X射线衍射解析法就是一个非破坏性的实验分析,尤其有利于:可以做物相研究;也能够计算一些晶态化合物的分子结构参数和晶体结构;同样也能够计算非晶体物,所以,它是化学物理学中一个十分重要的实验法。使用的衍射性仪为BDX系统半自动粉末式X射线衍射仪,它是把传统衍射仪技术与计算机二者融合起来的一个先进的智能化和自动化的实验仪器设备,能够借助应用程序,直接在计算机上操控衍射仪,进行数据的收集、处理与分析,缩短了操作者与仪器设备之间的接触时间,也因而降低了X辐射对人体的损伤。

1.2 X射线衍射仪的基本原理

X射线衍射分析方法是指运用晶格中形成的X光线衍射现象,对物体实现内部分子在空间分布状态下的结构解析。当形成于特定波段的X辐射光照在结晶性物体上时,X辐射会因在晶体内出现规律顺序的原子或电离而形成散射,发散的X辐射光在特定方向上相位受到了强化。

该方法的主要优点,就是能够掌握元素中存在的物质态、以及原子间相互作用组合的方法,从而可开展价态分析,并进行对环境固体污染物质的物相鉴别,如大气颗粒物中的风沙和泥土成分、工业生产废气的金属及其物质(粉尘)、工业车辆排放中卤化铅的成分、土壤和水域沉积物,以及海洋悬浮液中金属存在的状况等。因为X射线波长短,以及光子能力大的这二种特点,当X光线照射到物体上产生的效果,与当可见光照射到物体上所产生的效果,是完全不同的。X辐射同时还是一类电磁性波,能够形成反光、折射、发散、干扰、衍射、偏振和吸引等特征.而X光线的反光现象在一般实验条件下是观测不了的。

2 物相分析方法

2.1 物相分析

物相定性分析在绕射仪中获取的各种数据图形都是最原始的物体形态,若直接利用此数据结果进行物相分类,则很难得出物体的基本组成成分。所以,一定要使用图像分析软件系统对数据分析,去除干扰数据,进而找到与衍射峰所相应的硬度和角将已处理好的数据分析和《粉末衍射卡片集》(PDF)对照,以便判断出样本中和哪些化学物质"相关",各个衍射峰的相对强度与对应顺序也必须是相同的。所以,在进行对物质的定性分析的同时,对于试剂的成分、来源、处理过程和试剂的物理、化学性质,都对分析结果的判断非常关键;同时,也应该充分利用其他的试验方法进行配合。但有时,由于存在固溶现象、类质同象、化学成分偏差、分子结构畸变等这些情形,结果有时会出现。

2.2 物性定量分析

定性分析也可以表示试样是由哪些化合物所构成的,但如果是多相试样的话,要测定试样各相的组成比,就得采用物性定量分析的方式比强度法,是目前较为普遍的物相定性分析技术。该法有二种最基础方程式,即内标方程和外标方程。比强度法的外标方程.用内标方式完成物相定量分析时,并不需要在试样内再添加一个参照物,而只是要计算试样内各组成物相对于该参照物的比强度即可。

内标方程与外标方程中,可以看出确定一个标准化的比强数据库是十分必要的,这就可以随时随地使用X射线衍射仪的比强度数据分析实现物相定量分析方法。虽然目前收录的RIR数量还没有那么的充足,但RIR数据库系统的形成就有这十分关键的含义了,它能够让人们更便捷地、更深入地运用X射线多晶体衍射进行物相定量分析。在X光线衍射物相定性方法中,以有关的内标方程或外标方程式为基本的方式,均属于比强度法。

所以,要通过这一类方式对物相作定量分析,就必须要有相对比的强度数据了,也即必须要有与被测量物相对的纯样品(也就是标准样品).但是因为纯样品通常很难得到,所以这种要求有时是很难达到的。X射线物相定性分析的方法范围很广,可对样品中各部分物相进行直接检测.但是也有一定弊端:例如,因为样品中的少量物相的衍射强度比较弱,所以对这些物相不方便捡出,也就灵敏度不能太高,这样,对于部分吸收频率相对较大的试样中的物相,就更难以检出.而目前使用较为普遍的衍射用X射线发生器的功率下进行测定,检出限不会少于百分之一。

3 应用范围

晶格的特性X光线衍射图象,实质上是对晶格微观结构的一次精密复杂性的转变,每个晶格的结构与其特性X光线衍射图象相互之间都具有着一一相应的关联,而特性X光线衍射图象并没有由于它种成分的混聚在一起而产生影响,这也正是特性X光线衍射物相分析方法的基础。

研究各类标准单相物的衍射花式并将其正规化后,把待析物的衍射花样与之比较,以便于判断物的组成相,就形成了物相定性分析的基本方式。识别出不同相后,再按照各相花样的光强度正比于改组分产生的数量(必须做吸收校正检查者除外),就可以对不同组分作出定性分析方法。

4 发展方向

X射线分析的重新发展,并且各种金属X射线分析由于仪器设备和技术手段的发展,已逐渐变成金属材料研究和有机合成物料,包括纳米材料测试的常见方式。同时,还进行了动态测定。早期多用照相法,该种方法费时较长,强度测定的准确性较低。

五十年代初期问世的计量器衍射仪法由于具备快速、硬度测量准确,且能配合电子计算机操控等优势,因此开始获得了普遍的应用。但利用单色器的摄影法在微量试样和研究未知新相的分析方法中,仍有自身的特点。自七十年代开始,由于高浓度X光线源(包含超高浓度的旋转太阳极X光线产生器、电子同步加速辐射技术,高压脉动X光线源)和高敏感度检测器的问世和计算机分析技术的广泛应用,使金属X光线学研究得到了新的推动力。这种新兴科技的结合,不但提高分析速率,提升准确度,同时能够实现瞬时的动态观测和对更为微小或精确效应的深入研究。

5 结语

X光线衍射试验在物料成份解析领域方面具有十分关键的意义,应该算是目前对晶态物质开展物相解析的较为专业权威的方式.而由于多晶X光线衍射物相解析原理单一简便,易于掌握,它同时又是一项非破坏性分析技术,不耗费样品,因此在材料工程与实验教学上都有着很广阔的应用。

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