編輯推薦
《多晶X射綫衍射技術與應用》是北京大學江超華教授50餘年多晶X射綫衍射技術與儀器研發和應用經驗的總結,此書簡明實用,對化學、化工、材料、礦冶等領域中從事固體物質材料分析鑒定的研究人員和工作於粉末衍射分析工作一綫的操作技術人員調試儀器、提高技能很有幫助,推薦作為從業者的入門和工作指導,也可作為儀器製造廠傢和有關機構的培訓教材。
內容簡介
《多晶X射綫衍射技術與應用》係統地介紹瞭多晶X射綫衍射技術的原理、儀器、方法和應用。全書內容循序漸進,在介紹X射綫的物理基礎、射綫強度檢測技術及其發展、晶體和晶體衍射的理論知識基礎上,著重闡述瞭X射綫衍射儀器和多晶衍射儀的原理,詳細論述瞭如何獲得正確的衍射數據、如何評估衍射實驗數據的可信度以及儀器的工作狀態等實驗技術問題。之後,又在物相分析、晶麵間距或晶胞參數精測、峰形分析三方麵深入介紹瞭多晶衍射數據在各方麵的實際應用,列舉瞭一些實例和已發布的應用多晶衍射的測試方法標準。
《多晶X射綫衍射技術與應用》凝結瞭作者50餘年的X射綫儀器研發和應用經驗,具有很強的實用性,可供化學、化工、材料、礦冶等領域中從事固體物質材料分析鑒定的研究人員和X射綫衍射儀器操作的技術人員參考。
目錄
1緒論1
0.1X射綫衍射分析法是研究物質微觀結構的基本實驗方法1
0.2物質的性質性能都是由它的結構決定的2
0.3多晶(粉末)X射綫衍射分析法的應用2
參考文獻6
第1章X射綫基礎7
1.1X射綫性質概述7
1.2X射綫的産生10
1.3X射綫譜11
1.3.1連續光譜12
1.3.2特徵光譜13
1.3.3X射綫管的工作條件16
1.4物質對X射綫的衰減17
1.4.1衰減公式17
1.4.2質量吸收係數18
1.4.3X射綫的光電效應20
1.4.4吸收性質在X射綫實驗技術中的應用21
1.5X射綫的散射22
1.5.1相乾散射22
1.5.2非相乾散射23
1.6X射綫強度的檢測技術24
1.6.1熒光闆24
1.6.2照相方法25
1.6.3單點檢測器25
1.6.4固體陣列檢測器29
1.6.5位敏正比計數器30
1.6.6成像闆30
1.6.7數字化X射綫成像技術31
1.7X射綫的防護32
參考文獻33
第2章晶體學基礎34
2.1晶體與晶體結構的基本知識34
2.1.1晶體的基本特徵34
2.1.2點陣結構36
2.1.3晶體的對稱性和晶係40
2.1.4晶胞43
2.1.5晶體學空間群和點群46
2.1.6晶體的外形47
2.1.7實際晶體與晶格缺陷48
2.2晶體對X射綫的衍射54
2.2.1衍射方嚮55
2.2.2衍射強度58
2.2.3衍射綫的峰形61
2.3準晶體的衍射64
2.3.1準晶體64
2.3.2準晶體的衍射65
參考文獻65
第3章多晶X射綫衍射儀66
3.1X射綫衍射儀器設備概述66
3.1.1兩種多晶衍射幾何67
3.1.2X射綫多晶衍射的記錄方法69
3.1.3X射綫源75
3.1.4單色化方法79
3.1.5X射綫光學元件82
3.2X射綫多晶衍射儀83
3.2.1X射綫多晶衍射儀的構成83
3.2.2X射綫發生器83
3.2.3測角儀84
3.2.4X射綫強度測量記錄係統90
3.2.5衍射儀控製及衍射數據采集分析係統93
3.2.6樣品颱附件95
3.3多晶粉末衍射數據庫和軟件95
參考文獻96
第4章粉末X射綫衍射圖的獲取98
4.1樣品準備與製片98
4.1.1對樣品粉末粒度的要求99
4.1.2樣品試片平麵的準備100
4.1.3樣品試片的厚度101
4.1.4製樣技巧102
4.1.5製樣小結104
4.2數據收集105
4.2.1實驗波長的選擇105
4.2.2掃描條件的選擇106
4.2.3關於實驗條件選擇的小結與示例110
4.3粉末衍射圖的初步檢查112
參考文獻114
第5章粉末X射綫衍射數據115
5.1粉末X射綫衍射圖的特徵數據115
5.1.1粉末X射綫衍射數據115
5.1.2衍射峰位置的確定116
5.1.3衍射峰強度的錶示118
5.1.4衍射綫的峰形數據119
5.2粉末衍射峰位與峰強度數據的提取120
5.2.1圖譜的平滑121
5.2.2背景的扣除和弱峰的辨認123
5.2.3Kα2衍射的分離125
5.2.4平滑二階導數法自動讀齣峰位,同時確定峰高和峰寬128
5.2.5峰處理程序的流程130
參考文獻131
第6章粉末X射綫衍射數據的不確定度132
6.1測量的不確定度132
6.1.1測量結果評價方法的沿革132
6.1.2測量不確定度與測量誤差134
6.2衍射角測量的係統誤差及其修正137
6.2.1幾何因素引入的衍射角測量誤差137
6.2.2測角儀的測角機械誤差140
6.2.3物理因素引入的衍射角測量誤差141
6.2.4粉末衍射角實驗值的修正143
6.3粉末衍射儀衍射角的測量不確定度147
6.3.1衍射儀的衍射角測量不確定度來源的分析147
6.3.2衍射儀的衍射角標準測量不確定度各分量的評定148
6.3.3衍射儀測定的衍射角閤成標準測量不確定度的評定150
6.4衍射儀衍射強度的測量誤差及其測量不確定度150
6.4.1概述150
6.4.2計數損失及其修正151
6.4.3X射綫強度測值不確定度的統計漲落分量152
6.4.4粉末衍射強度實驗測值不確定的強度評定155
6.4.5粉末衍射強度數據運算中標準不確定度的傳遞156
6.5粉末X射綫衍射圖譜數據的品質指數157
6.6多晶衍射儀的驗收、性能的評估與常規檢查158
6.6.1問題的提齣158
6.6.2衍射角校準用標準物質159
6.6.3衍射強度校準用標準物質161
6.6.4衍射儀性能指標的評估163
6.6.5衍射儀運行狀態的質量控製165
參考文獻166
第7章X射綫衍射物相定性分析168
7.1何謂“物相”168
7.2何謂“物相分析”169
7.3方法的依據170
7.3.1原理170
7.3.2粉末衍射圖數據庫171
7.3.3PDF��2粉末衍射卡的內容173
7.4參考衍射圖的檢索與匹配177
7.4.1參考衍射圖的檢索、匹配177
7.4.2圖、卡比對的方法178
7.4.3判定為“匹配”的要領183
7.5《MDI Jade》XRD圖譜處理的檢索�財ヅ�188
7.5.1基於峰形的S/M的一般步驟188
7.5.2物相檢索的輸齣192
7.6檢索�財ヅ浣崧鄣牟蝗範ㄐ�195
7.7物相檢索�財ヅ涫道�197
7.8未知物相的鑒定201
7.8.1兩種情況201
7.8.2物相結構測定的一般步驟202
7.8.3粉末衍射圖指標化203
7.8.4未知相晶體結構類型或空間群的確定205
7.8.5新標準衍射數據卡的建立206
7.9異常衍射圖例206
參考文獻208
第8章X射綫衍射物相定量分析209
8.1衍射強度與物相組成的關係209
8.2比強度法211
8.2.1內標方程、比強度(K值)與內標法211
8.2.2外標方程與外標法213
8.2.3參考比強度數據庫的建立和標準參考物質214
8.2.4應用實例217
8.3無標樣法219
8.3.1方法的基本原理219
8.3.2樣間同相消約的無標樣法220
8.3.3內標消約的無標樣法223
8.3.4樣內異相消約的無標樣法224
8.4外標消約無標樣定量法226
8.4.1外標消約無標樣法原理226
8.4.2定量參數(Ksj、μ*js)的測定229
8.4.3樣品含量分析231
8.4.4外標消約增量法234
8.5特彆方法234
8.5.1吸收�慚萇渲苯傭�量分析法234
8.5.2微量直接定量分析方法235
8.5.3Compton散射校正法237
8.6衍射全譜擬閤物相分析法237
8.6.1衍射全譜擬閤物相分析法的理論依據237
8.6.2衍射全譜擬閤的技術要點238
8.6.3需要已知晶體結構數據之全譜擬閤定量分析法240
8.6.4需要物相純態的標準譜之衍射全譜擬閤定量分析法241
8.7分析策略與衍射定量方法的構建242
8.7.1分析策略的概念242
8.7.2內標消約法244
8.7.3外標消約法244
8.7.4樣內異相消約法245
8.7.5樣間同相消約法245
8.7.6樣間異相消約法246
8.7.7歸並c值法246
8.7.8理論計算K值法247
8.8衍射定量實驗技術要點247
8.8.1一般注意事項248
8.8.2製樣249
8.8.3實驗條件的選擇250
8.8.4衍射峰“淨”強度的求得250
8.8.5全譜擬閤方法對實驗的基本要求251
8.9衍射定量分析結果的不確定度與方法的檢齣限254
8.9.1衍射物相定量分析結果的不確定度254
8.9.2物相的檢齣限257
8.10非晶質相的定量259
8.10.1非晶質物相含量的估算259
8.10.2差值法測定非晶質物相含量260
8.10.3結晶度的測定261
參考文獻264
第9章晶胞參數的精測及其應用266
9.1一般考慮266
9.1.1選用高角度的衍射峰266
9.1.2測定峰位的方法268
9.1.3獲得衍射圖方法的選擇268
9.2係統誤差的消除269
9.2.1圖解外推法269
9.2.2柯亨最小二乘法270
9.2.3綫對法273
9.2.4內標法273
9.3精確晶胞參數的實際測量273
9.3.1儀器及其調整和校驗274
9.3.2製樣274
9.3.3測量274
9.3.4結果計算275
9.4精確晶胞參數或晶麵間距數據的應用275
9.4.1固溶體類型的研究275
9.4.2固溶體、類質同象礦物成分的測定277
9.4.3X型、Y型分子篩SiO2/Al2O3比的測定280
9.4.4固溶度的測定282
9.4.5晶體有序�參扌蚪峁棺刺�的錶徵283
9.4.6測定有關的晶體性質數據285
9.4.7金屬材料中宏觀應力的測量285
參考文獻287
第10章峰形分析及其應用288
10.1概述288
10.2衍射綫的實測峰形與“真實”峰形289
10.2.1捲積的概念289
10.2.2衍射綫實測峰形的數學錶示291
10.2.3影響實測峰形的其他因素及其修正291
10.3衍射綫真實峰形的提取292
10.3.1用Fourier變換法解捲積292
10.3.2用迭代法解捲積294
10.4峰形寬化分析294
10.4.1真實峰形的積分寬294
10.4.2兩種寬化效應的關係295
10.4.3峰形寬化分析的幾種方法296
10.5峰形寬化分析的近似函數法297
10.5.1應用近似函數法的分析步驟297
10.5.2近似函數法求真實峰形的積分寬度297
10.5.3峰形近似函數的選擇299
10.6衍射綫真實峰形數據的應用300
10.6.1再論Scherrer公式301
10.6.2微觀應力的測定302
10.6.3兩種寬化效應同時存在的情況303
10.6.4《MDI Jade》的“由峰寬化估算晶粒大小和應變”選項304
10.6.5“球鎳”307
10.6.6黏土礦物結構缺陷的錶徵313
參考文獻321
附錄323
附錄1μt=1和衍射強度衰減為10%時試樣的厚度(計算值)323
附錄2常見礦物的質量吸收係數μ*(CuKα)324
附錄3晶麵間距與點陣參數的關係325
附錄4多晶(粉末)的衍射強度326
附錄5X射綫衍射分析用X射綫管的特徵波長及有關數據330
附錄6立方晶係的衍射指標331
附錄7Si粉末試樣衍射儀衍射角測值2θ的係統誤差332
附錄8衍射分析常用參考物質的衍射數據333
附錄9常見礦物的RIR(K值)343
附錄10黏土礦物結構分類錶344
附錄11測量不確定度報告及錶示,測量結果及不確定度的有效位數345
附錄12X射綫晶體學資料及數據庫資源簡介347
前言/序言
現代材料分析的基石:先進光譜技術與數據解析 本書內容簡介 在材料科學、化學、物理學以及工程技術等多個領域的前沿探索中,對物質微觀結構的精確錶徵是推動技術進步的關鍵。本書《現代材料分析的基石:先進光譜技術與數據解析》聚焦於一係列在當代科研和工業質量控製中占據核心地位的先進光譜分析方法及其背後的數據處理哲學。 本書並非聚焦於單一的晶體學衍射技術,而是係統性地梳理瞭從基礎原理到復雜應用中,用於揭示材料化學成分、分子結構、電子態和錶麵形貌的多種互補性光譜技術。全書內容旨在為讀者構建一個全麵的“材料結構探查工具箱”,強調如何根據特定的分析需求,選擇並組閤使用最閤適的分析手段,並對所得數據進行深入、可靠的解釋。 --- 第一部分:光譜分析基礎與理論框架 本部分首先為讀者奠定堅實的理論基礎,闡述電磁波與物質相互作用的基本規律,這是所有光學和光譜技術的核心。 第一章:電磁波譜與物質的相互作用 本章詳細介紹瞭電磁波的性質,包括光子的能量、波長與頻率的關係,以及物質吸收、發射、散射和透射電磁輻射的量子力學基礎。重點分析瞭不同能量區域(如紫外-可見光、紅外、X射綫和伽馬射綫)的輻射與物質內部電子能級、分子振動、原子轉動以及核能級之間的能級躍遷機製。理解這些基本相互作用是正確解讀後續所有光譜數據的先決條件。 第二章:數據采集的儀器原理與優化 本章深入探討現代光譜儀器的通用組件,包括光源的穩定性、樣品的製備與耦閤技術(如透射、反射、衰減全反射ATR)、分光元件(如棱鏡、光柵)的選擇與設計,以及高靈敏度探測器的原理(如光電倍增管、CCD、CMOS)。特彆強調瞭如何通過優化儀器參數(如掃描速度、分辨率、信號平均次數)來平衡信噪比與時間分辨率,以滿足不同實驗場景的需求。 --- 第二部分:核心分子與化學結構錶徵技術 這一部分集中討論用於確定分子組成、官能團和化學鍵閤環境的分子光譜學方法。 第三章:傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)與拉曼散射光譜 本章對比分析瞭紅外吸收光譜和拉曼散射光譜這兩種互補的分子振動分析技術。 FTIR分析: 詳細闡述瞭分子振動模式(伸縮振動、彎麯振動)與紅外吸收峰的對應關係,重點講解瞭不同化學鍵(C=O, O-H, C-H等)的特徵吸收峰區域。此外,深入討論瞭樣品製備(如KBr壓片法、薄膜製備)對吸收譜綫的影響。 拉曼光譜: 聚焦於拉曼效應的理論基礎(極化率變化),闡釋瞭其在檢測非極性分子和晶格振動方麵的優勢。結閤實例分析瞭錶麵增強拉曼散射(SERS)技術,展示瞭其在痕量分析中的巨大潛力。 第四章:紫外-可見光(UV-Vis)吸收與熒光光譜 本章聚焦於電子能級躍遷: UV-Vis光譜: 講解瞭生色團和助色團如何影響吸收波長和摩爾消光係數。內容涵蓋瞭朗伯-比爾定律的應用、溶液濃度測定、配位化閤物的電子結構分析,以及利用光譜動力學研究反應速率。 熒光光譜技術: 深入探討瞭激發態與基態的能量差異、斯托剋斯位移、量子産率的測量方法,以及時間分辨熒光技術在研究分子環境和生物大分子構象變化中的應用。 --- 第三部分:元素分析與電子態結構探測 本部分轉嚮對材料的元素組成、價態信息以及近程原子環境的探測。 第五章:電子能譜學(XPS與UPS) 本章詳細解析瞭X射綫光電子能譜(XPS)和紫外光電子能譜(UPS)作為錶麵敏感技術的核心地位。 XPS: 重點講解瞭光電效應的物理模型,如何通過精確測量光電子的動能來確定元素的種類和化學態(化學位移)。內容涵蓋瞭俄歇電子譜(AES)的原理,以及在半導體、催化劑錶麵氧化還原態分析中的關鍵應用。 UPS: 闡述瞭其在確定材料功函數、價帶結構和高能級電子分布方麵的獨特價值,尤其是在有機電子學和界麵物理中的重要性。 第六章:原子發射與吸收光譜技術(OES與AAS/ICP-MS) 本章側重於元素的定性和定量分析。 原子發射光譜(OES): 探討瞭等離子體激發源的原理,如何通過譜綫強度與元素濃度建立定量關係,適用於快速、多元素分析。 原子吸收光譜(AAS)與等離子體質譜(ICP-MS): 詳細對比瞭這兩種高靈敏度技術。AAS的基綫吸收原理和火焰/石墨爐技術;ICP-MS對多元素分析的卓越能力、同位素稀釋法以及碰撞/反應池技術在高復雜基體樣品前處理中的應用。 --- 第四部分:高級數據解析與多維分析 本部分是全書的精髓所在,強調如何從復雜的原始數據中提取有意義的物理和化學信息,實現綜閤判斷。 第七章:光譜數據處理與校正技術 本章是技術整閤的關鍵。詳細介紹瞭光譜數據的預處理步驟,包括:基綫漂移校正、噪聲消除(如Savitzky-Golay平滑)、峰麵積與峰高的計算、歸一化方法。深入討論瞭光譜的去捲積技術(如最小二乘法擬閤、非負矩陣分解NMF),用於分離重疊的特徵峰,精確確定各組分的貢獻。 第八章:化學計量學與多變量數據分析 麵對現代高通量光譜實驗産生的大量數據,本章介紹瞭必要的化學計量學工具: 主成分分析(PCA): 用於數據降維和識彆主要變化趨勢。 偏最小二乘迴歸(PLS): 用於建立可靠的定量預測模型。 聚類分析(Clustering): 用於對光譜特徵進行分類和分組。 多維校正: 探討如何利用二維相關分析(2D-COS)來確定譜峰之間的相互依賴關係,揭示分子或原子環境變化的順序性。 --- 總結與展望 本書的最終目標是培養讀者將光譜技術視為一個整體係統進行思考的能力。通過對上述多種先進技術的係統學習和數據解析方法的掌握,讀者將能夠跨越單一技術的局限性,設計齣更全麵、更具洞察力的材料錶徵方案,從而在材料發現、過程控製和失效分析等領域取得突破。全書側重於實際操作中的難點與解決方案,輔以豐富的案例分析,確保理論與實踐的緊密結閤。