X射线衍射物相分析及物质结构分析
一、实验目的
（1） 熟悉Philips射线衍射仪的基本结构和工作原理 （2）基本学会样品测试过程
（3）掌握利用衍射图进行物相分析的方法
（4）基本掌握利用衍射图进行物质结构分析的方法
二、实验原理
晶体的X射线衍射图谱是对晶体微观结构精细的形象变换，每种晶体结构与其X射线衍射图之间有着一一对应的关系，任何一种晶态物质都有自己独特的X射线衍射图，而且不会因为与其它物质混合在一起而发生变化，这就是X射线衍射法进行物相分析的依据.规模最庞大的多晶衍射数据库是由JCPDS（Joint Committee on Powder Diffraction Standards）编篡的《粉末衍射卡片集》（PDF）。
三、仪器和试剂
飞利浦Xpert Pro 粉末X射线衍射仪；无机盐
四、实验步骤
1．样品制备
（1）粉末样品制备：任何一种粉末衍射技术都要求样品是十分细小的粉末颗粒，使试样在受光照的体积中有足够多数目的晶粒。因为只有这样，才能满足获得正确的粉末衍射图谱数据的条件：即试样受光照体积中晶粒的取向是完全机遇的。粉末衍射仪要求样品试片的表面是十分平整的平面。
（2）将被测样品在研钵中研至200-300目。
（3）将中间有浅槽的样品板擦干净，粉末样品放入浅槽中，用另一个样品板压一下， 样品压平且和样品板相平。 2. 块状样品制备
X光线照射面一定要磨平，大小能放入样品板孔，样品抛光面朝向毛玻璃面，用橡皮泥从后面把样品粘牢，注意勿让橡皮泥暴露在X射线下，以免引起不必要干扰。 3. 样品扫描
在new program中编好测试程序?open program ?measure?program开始采集数据?在HighScore中处理谱图。
五、实验结果 1.物相分析
实验得到的衍射图各衍射峰d值如表1： 表1 衍射峰d值 3.5094 3.2429 2.4845 2.4294 2.2944 2.1852 2.0523 1.8904 1.6645 1.6232 1.4921 1.4790 2.3764 1.6996 1.4517 2.3315 1.6963 1.3634 1.3591 1.3456 1.3368 1.2640 1.2498 用HighScore软件处理谱图，与PDF标准卡片对照，得到样品为TiO2锐钛矿和TiO2金红石。 2.定量分析
利用全谱拟合方法（WPPF)对谱图进行处理后，得到TiO2锐钛矿的含量是50.1％，TiO2金红石的含量是49.9％。 3.晶体结构分析
利用软件处理谱图后得到两种TiO2晶体的晶体结构数据，并根据晶格常数判断出晶胞的晶系，结果如表2：
表2 晶体结构数据 组别 晶体尺 晶格常数 寸/nm a/? b/? c/? α/° β/° γ/° 1（本锐钛矿 87.9 3.7842 3.7842 9.518 90 90 90 组） 金红石 112.9 4.5943 4.5943 2.9598 90 90 90 2 锐钛矿 100.0 3.7841 3.7841 9.520 90 90 90 金红石 107.2 4.5940 4.5940 2.9596 90 90 90 利用晶格常数计算出密度：
1R： ρ=○
晶系 四方 四方 四方 四方 (g/m3)=4.275 (g/cm3)
2A：ρ=○
(g/m3)=3.894 (g/cm3)
4.结果分析
1对于样品的物相分析是准确的，所有的峰都与PDF标准卡片中TiO2锐钛矿和○
TiO2金红石的峰相重叠，虽然在强度上略微有所不同，但考虑到仪器和操作填料的差异，这是在误差允许范围内的。 2对于样品的定量分析，○同一天的两组同学测得的结果如表3所示，从表3中我们可以看出，对于同一份样品，两组同学的测量结果略微有些差异。这些差异主要来自于研磨的程度不同、装填样品的凹凸程度和平滑程度不同，但差异是在误差允许范围的。
表3 样品中各组分含量 组别 TiO2锐钛矿含量 TiO2金红石含量 1（本组） 50.1% 49.9％ 2 49.9％ 50.1% 3对于晶体结构的测定，○两组同学的数据的差别都只是在小数点后第四位，认为是在误差允许范围的；但两组同学的晶体尺寸都较大，超过100nm，从仪器测量的角度来说以及谢乐公式来说，测量误差都是较大的，这表明我们对样品的研磨并不充分；利用晶格常数计算出的密度与查阅资料得到的密度相符合。（文献中：
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锐钛矿：3.82-3.97 g/cm,金红石：4.2-4.3 g/cm） 六、思考题
（1）X射线在晶体中衍射的二要素是什么？
答：衍射方向和衍射强度是衍射的二要素。通过衍射强度与衍射方向可以确定晶体的物相组成和晶格参数等信息。
（2）晶面指数是否等于衍射指数，它们之间的关系是什么？
，
答：不等于。晶面指数与衍射指数有如下关系：h=nh*，k=nk*，l=nl*，其中n为衍射级数，
，
h，k，l为晶面参数，h*，k*，l*为衍射指数。
（3）劳埃方程与布拉格方程解决什么问题？它们本质是否相同？
答：解决X射线波长和衍射方向关系的问题从而得出晶胞信息。相对来说，布拉格方程比劳埃方程更加简单，而二者的物理本质是一样的，从劳埃方程可以推导出布拉格方程。 （4）如何从一种晶体的多晶X射线衍射图上判别是立方还是四方？ 答：晶体尺寸在100nm以下时，可以通过谢乐公式近似计算晶粒尺寸：
DC?k?，其中k为仪器参数，λ为X射线的波长，B为衍射峰的半高宽度，θ为衍
Bcos?射角。借助谢乐公式可以计算出晶体的尺寸从而判断晶胞的结构式立方还是四方。 （5）衍射线宽化是由那些因素引起的？
答：样品粉末的颗粒细化；化学计量式不唯一；存在晶格畸变；点阵缺陷；晶体结构对称性 下降；仪器自身原因导致的衍射峰宽化等等。