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| X射線在粉體領域的應用（1） |
| 來源： 更新時間：2013-07-19 09:00:41 瀏覽次數： |
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一、X射線概述
X射線于1895年由倫琴(W.K.Rontgen)所發現，由于倫琴發現這種射線時無法確定其性質，故稱為X射線。后來為紀念它的發明者也稱為倫琴射線。
它具有如下特性：①肉眼不能觀察到，但可使照相底片感光、熒光板發光和使氣體電離；②有很高的穿透能力，能透過可見光不能透過的物體；③這種射線沿直線傳播，在電場與磁場中不偏轉，穿透物質時可以被偏振極化，被物質吸收而強度衰減，但不發生反射、折射現象，通過普通光柵亦不引起衍射；④能殺傷生物細胞。X射線由于具有以上特性，一經發現就引起了全世界科學家的注意。
1912年，勞埃（Max Von Laue）等發現了X射線的晶體衍射現象，證實了X射線是一種電磁波。它的波長與在晶體中發現的周期具有相同的數量級。勞埃實驗證明了晶體內部原子排列的周期型結構，使結晶學進入了一個新時代。
X射線的波長位于0.001-10nm之間，與物質的結構單元尺寸數量級相當。X射線衍射技術利用X射線在晶體、非晶體中衍射和散射效應，進行物相的定性和定量分析、結構類型和不完整性分析的技術。一般來講，當一束單色的X射線照射到試樣時，可觀察到兩種過程。
1、如果試樣具有周期性結構（晶區），則X射線被相干散射，入射光與散射光之間沒有波長的改變，這種過程成為X射線衍射效應，若在大角度上測定，則稱之為廣角X射線衍射（wide angle X-ray diffraction, WAXD）。
2、如果試樣是具有不同電子密度的非周期性結構（晶區和非晶區），則X射線被不相干散射，有波長的改變，這種過程稱為漫射X射線衍射效應（簡稱散射），若在小角度上測定，則稱之為小角X射線散射（small angle X-ray scattering, SAXS）。
二、X射線衍射分析
當一束X射線照射到晶體上時，首先被電子所散射，每個電子都是一個新的輻射波源，當空間輻射出與入射波相同頻率的電磁波。在一個原子系統中所有電子的散射波都可以近似地看作是由原子中心發出的。因此，可以把晶體中每個原子都看成是一個新的散射波源，它們各自向空間輻射與入射波想向頻率的電磁波。由于這些散射波之間的干涉作用使得空間某些方向上的波始終保持互相疊加，于是在這個方向上可以觀測到衍射線；而在另一些方向上的波則始終是互相抵消的，于是就沒有衍射線產生。所以，X射線在晶體中的衍射現象，實質上是大量的原子散射波互相干涉的結果。每種晶體所產生的衍射花樣都反映出晶體內部的原子分布規律。概括地講，一個衍射花樣的特征可以認為由兩個方面組成，一方面是衍射線在空間的分布規律（稱之為衍射幾何），另一方面是衍射線束的強度。衍射線的分布規律是由晶胞的大小、形狀和位向決定的，而衍射線的強度則取決于原子在晶胞中的位置、數量和種類。為了通過衍射現象來分析晶體內部結構的各種問題，必須掌握一定的晶體學知識；并在衍射現象與晶體結構之間建立起定性和定量的關系，這是X射線衍射理論所要解決的中心問題。
三、X射線衍射分析的樣品制備
X射線衍射分析的樣品主要有粉末樣品、塊狀樣品、薄膜樣品、纖維樣品等。樣品不同，分析目的不同（定性分析或定量分析），則樣品制備方法也不同。
1、粉末樣品 X射線衍射分析的粉末試樣必需滿足這樣兩個條件：晶粒要細小，試樣無擇優取向（取向排列混亂）。所以，通常將試樣研細后使用，可用瑪瑙研缽研細。定性分析時粒度應小于44mm（350目），定量分析時應將試樣研細至10mm左右。較方便地確定10mm粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾動，兩手指間沒有顆粒感覺的粒度大致為10mm。
常用的粉末樣品架為玻璃試樣架，在玻璃板上蝕刻出試樣填充區為20×18mm2。玻璃樣品架主要用于粉末試樣較少時（約少于500mm3）使用。充填時，將試樣粉末一點點地放進試樣填充區，重復這種操作，使粉末試樣在試樣架里均勻分布并用玻璃板壓平實，要求試樣面與玻璃表面齊平。如果試樣的量少到不能充分填滿試樣填充區，可在玻璃試樣架凹槽里先滴一薄層用醋酸戊酯稀釋的火棉膠溶液，然后將粉末試樣撒在上面，待干燥后測試。
2、塊狀樣品 先將塊狀樣品表面研磨拋光，大小不超過20×18mm2，然后用橡皮泥將樣品粘在鋁樣品支架上，要求樣品表面與鋁樣品支架表面平齊。
3、微量樣品 取微量樣品放入瑪瑙研缽中將其研細，然后將研細的樣品放在單晶硅樣品支架上（切割單晶硅樣品支架時使其表面不滿足衍射條件），滴數滴無水乙醇使微量樣品在單晶硅片上分散均勻，待乙醇完全揮發后即可測試。
4、薄膜樣品 將薄膜樣品剪成合適大小，用膠帶紙粘在玻璃樣品支架上即可。
X射線衍射儀
參考書目：《高分子材料分析測試與研究方法》，陳厚主編，化學工業出版社 |
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