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矿物材料现代测试技术 讲义.doc

矿物材料现代测试技术 讲义.doc

上传者: cn95566 2012-07-19 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《矿物材料现代测试技术 讲义doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含矿物材料现代测试技术讲义ModernTestingTechnique(Mainlyinmineralmaterialanalysis)资源与环境工程符等。

矿物材料现代测试技术讲义ModernTestingTechnique(Mainlyinmineralmaterialanalysis)资源与环境工程学院矿物加工系管俊芳编本课程的教学目的:.了解现代测试技术的主要研究内容.了解主要分析仪器的基本理论、基本概念、主要技术原理及应用特征.通过本课程的系统学习能根据一定的研究方向和课题提出合理的测试项目设计Learnhowtomeasureordetermine()thechemicalcomposition,()thestructure,()thesurfacemorphology,andthephysicalandchemicalpropertiesofthematerialMainReferencesX射线结构分析祁景玉主编同济大学出版社材料分析测试技术哈工大出版社X射线分析简明教程地质出版社彭志忠主编无机非金属材料测试方法杨南如主编武汉理工大学出版社X射线衍射与电子显微分析漆雍、戎咏华编上海交通大学材料分析测试方法上海交通大学出版社王成果表面分析方法国防工业出版社美AW赞德纳《ContemporaryInstrumentalAnalysis》:Rubinson,KennethA  Rubinson,JudithF主编科学出版社,Inthiscourse,wewilllearnabout()XRD(X射线衍射分析)()EPMA(电子探针显微分析)()SEM(扫描电子显微镜分析)和TEM(透射电子显微镜)()IR(红外光谱分析)()RAMAN(拉曼光谱分析)()XRF(X射线荧光分析)()Thermalanalysis(热分析),etc前言现代测试技术有别于传统的化学分析及光学显微镜鉴定方法它是在世纪末世纪初物理学多项重大发现(电子、X射线、放射性等)及相关应用研究的基础上发展起来的世界各主要国家的分析仪器行业于世纪年代末、年代初逐步形成(日本、美国、德国等)。年代以后由于真空技术、计算机信息处理技术、自动化控制技术等的飞速发展及新能源、新材料、新元器件的不断引入一些基础理论问题的突破生产和应用研究范围的不断扩大使得各种测试分析仪器逐渐完善新的测试仪器不断涌现从而极大地推动了各学科研究及生产技术的发展。现代测试技术具有如下六大特征:以“三微”技术为主流:“三微”指微量、微束、微区。微量:指极少的分析样品用量及对微量元素的较低检测极限()微束:指极细的激发束(如电子束、离子束、激光束等)通常<nm。微区:指极小的分析区域如微米纳米范围以电子探针为例其检测极限为ppm分析区域为几个nm所以其绝对感应量为~g这比以往任何分析手段的灵敏度都高。以高度自动化控制为主要趋势:自动化程度的提高可以最大程度地减少人为分析的误差如X射线结构分析中衍射强度数据的获得最早是采用多重胶片照相方法对衍射点强度进行目估而现在则采用计数器直接自动探测极大地提高了精度及效率。 分析数据处理的高度计算机化计算机对大批量数据的复杂运算具有绝对的优势。分析手段综合化如电子探针配合扫描电镜、电子能谱、图形分析系统等不但可以进行微区成分分析还可进行微形貌及元素分布等的综合研究扫描电镜和透射电镜中也不仅可分析物质的微观形貌同时也可进行对观察对象的实时成分测定。分析功能多样化在常规分析设备中增加其它附件可以进行特殊条件下的测试分析。如在四园单晶衍射仪中增加高压附件就可进行高压物相研究在透射电镜中装上冷热台则可进行生物或无机相变研究扫描电镜与一动态拉伸系统连接便可观察到材料在应力作用过程中的结构变化。测试分析网络化许多大型测试分析仪器由于造价高昂为达到资源共享的目的将分析过程网络化已成为必然的趋势。如美国国防部MMC项目(材料显微表征中心)把分布在美国各地的多个实验室的数台电镜进行联网从而实现异地操作。序论(Preface)OutlineChemicalcompositionanalysisStructuralanalysisMorphologicalpropertiesAnalysisofphysicalandchemicalpropertiesAnalyzingMethodsChemicalCompositionWetchemicalanalysisAdsorptionspectroscopeRadiatingspectroscopeOthermethodsOutlineChemicalcompositionanalysis:TodeterminethekindsandthecontentsoftheelementsinamaterialQualitativeandQuantitativeAnalysisDescribingthechemicalcomposition:Weightconcentration:forsolid,liquidGeneralelementwtMicroElement:ugg(gt)(standsforppm)Supermicro:ngg(ppb)HintElement:pgg(ppt)Volumeconcentration:forliquid,gasGeneral:molLMicro:mmolLTwokindsofcompositionexpression:a)Formetal,singleelementmaterial,sulfide,andsomeothermaterialsthattheirionsarenotoxygenExpressingasElementcontentForexample:Iron(钢材):Fe:wt,C:wtPyrrhotite(磁黄铁矿)(FexS):Fe:wtS:wtNi:wtb)Foroxide(氧化物),Silicate(硅酸盐),andsomeothermaterialsthattheirionisoxygen(carbonate碳酸盐,sulfate硫酸盐…)Whenexpressingtheircompositions,generallyasoxidetypesForexample:Orthoclass钾长石(KAlSiO):KOwtSiOwtAlOwtNaOwtCaOwtFeOwtCalcite方解石(CaCO):CaOwtFeOwtMgOwtCOwtvalidatingdigitsandtheirround…validatingdigitsafterpoint:digits:no,yes,oddyesevennodigits:structuralAnalysis:Todeterminethearrangementoftheelementsinamaterial:Crystalsystem,Cellparameters,atomcoordinatesintheunitcell,andalsotodeterminethemineralphase(s)C(Carbon):canbegraphite(石墨)orbediamond(金刚石),becausetheyhavedifferentstructure(atomarrangementisdifferent)SiO:αQuartz,βquartz,……AlSiOO:Andalusite(红柱石)Kyanite(蓝晶石)Describingthecrystal:Crystalsystem:cubic,tetragonal,orthorhombic,monoclinic,triclinic,hexagonal,triogonal,Symmetry:plane(m),Center(c),Axles(,,,,,,),CellParameters:a,b,c,α,β(Atomiccoordinates:halite(NaCl)(石盐):Cl:,,,,,,,,Na:,,,,,,,Morphologicalproperties(Surfaceobservation)ToobservethesurfacecharacteristicofthematerialMacro–Micro–SuperMicro:MacrobynakedeyesMicrobymicroscope,electronmicroscope…SuperMicroScanningtunnelingmicroscopyAtomicforcemicroscopy(AFM)Toobservetheshapeoftheparticles,theirboundarycharacteristic,insomecases,toobserveatomarrangementdirectlyGenerally,themorphologicalanalysisiscombinedwithchemicalanalysisItiscalledmicroregionanalysis(bothchemicalandmorphologicalanalysis)AnalysisofphysicalandchemicalpropertiesIncludingThermal,Light,electricity,mechanics,etcAnalyzingMethodsChemicalCompositionWetChemicalAnalysis:(solid,liquid,gas)liquidchemicalreactioncalculatingchemicalanalyzingresultSilicateanalysis(includingoxides)usedformostofthematerial:(Itiscalleditemsanalysis)SiO,AlO,MgO,FeO,FeO,CaO,KO,NaO,MnO,TiO,PO,(HO),(HO)percent(wt),Bulksample(>g),longperiod(weeks)GenerallyvalidatingdigitsafterpointAdsorptionspectroscope(Instrumentanalysis)(solid,liquid,gas)liquidAdsorptionspectroscopymeasuring(differentcationadsorbsdifferentwavelengthoflight)Generalconcentration(wt)tomicro(ugg)andalsotohintconcentration(ngg) AADS(AtomAdsorptionSpectroscope)Mainlyusedtodeterminemicroelements(aboutallelementsintheElementTable)Fromgeneralconcentrationtomicroconcentration(wttougg) ICP(Plasma)Mainlyusedtodeterminemicrotohintelements(mostoftheelementsintheTablecanbedetermined)(uggngg)RadiatingSpectroscopeLightsourcesolidsamplesecondlight(thewavelengthofthendlightchangesaccordingtothekindoftheelementsinthesolidsample)measuringthendlightwavelength,sothekindsandthecontentsoftheelementsinthematerialcanbedetermined xrayFluorescenceSpectroscope(XRF)X射线荧光光谱仪Generaltomicroconcentration(wtugg)Lightsource:xraywithcontinueswavelengthSample:solidtheelementsfromNaUbutcannotdistinguishthedifferentchargesofthesameelement:FeandFe…  XrayPhotoelectronSpectroscope(XPS)X射线光电子(能)谱仪Mainlytoidentifytheelements(qualitative)ItcandistinguishdifferentenvironmentsofthesameelementOinCOandinSiOandinHOSample:solidIsotopeAnalysis:TodeterminetheratioofthedifferentisotopesofthesameelementMainlyusetodeterminetheageofthesampleSourcelight:ProtonH<yC<,Si<*,Cl<*,,I<*,,KAr<*,,RbSr,SmNd,UPb<*,,Othermethods ElectronProbeMicroscopicanalysis(电子探针(显微分析仪))EPMASimilartoXRFButthelightsourceiselectronbeam,andtheanalysisonlybeinaverysmallregionSoitiscalledmicroregionchemicalanalyzingmethod)Twokindsofresult:WavedisperseSpectroscopyEnergyDisperseSpectroscopyElementrange:NaUConcentrationrange:wt–ugg(Italsocannotdistinguishthedifferentchargesofthesameelement,forexample:FeandFe) AES(Augerelectronspectroscopy)俄歇电子谱仪Llightsource:electronbeamCondition:vacuumSimilartoEPMAUsingspecialdetectordeterminetheenergyoftheAugerelectronItcanonlydeterminethechemicalcompositionoftheverysurfacelayer(A)ElementAnalyzer:(元素分析仪)OrganicanalysisFiveelementsQuantitativeanalysis:C,H,O,N,S:Chromatogram(色谱分析)Twokinds:gas,liquid:(气相色谱仪、液相色谱仪)C,H,O,N,SQualitativeMainlytodeterminethestructureoftheorganicForexample,thelengthofthecarbonchain MossbuareSpectroscope(穆氏保尔谱仪(穆谱))TodeterminetheratioofthedifferentchargesofthesameelementForexample,FeFe… BackscatteringSpectroscope(背散射电子谱仪)TodeterminethedepthoftheelementsintheplatesampleCompositionanalysis:Bulkanalysis,microregionanalysis,surfaceanalysis,Isotoperatioanalysis,organicanalysisgeneral–micro–hintanalysisChargeanalysiscircumstanceofelementsanalysisStructureAnalysisXraydiffraction(XRD)X射线衍射singlecrystalmethod:singlecrystal:ummmLightsource:characteristicXrayinstrument:fourcirclesinglecrystalxraydiffractmeter四园单晶x射线衍射仪MainlytodeterminethestructureofthenewmaterialInsomecases,todeterminethecrystalparameters Powdercrystalmethod:Sample:powder(<mesh)Lightsource:characteristicxrayInstrument:powderxraydiffractmeterMainlytodeterminethemineralphase,qualitativeorquantitativeInsomecases,todeterminethestructureofthenewmaterialOnlyvalidtothecrystalTransmissionElectronMicroscope(TEM)Lightsource:electronbeamSample:veryverythin(nm)Todeterminethestructureofthesampleinaverysmallregion(nmregion)ItcandirectlyobservethedistributionofthecrystallatticeInfraredSpectroscope(IR):Lightsource:InfraredlightSample:solid(powder),liquid,gasChecktheadsorptionofthesampletothelightfromlightsourceDifferentchemicalbondscanadsorbdifferentwavelengthofthelightTodeterminetheexistenceofthechemicalbondsinthesample(material),alsocanbeusedtodeterminethemineralphase(differentmineralhasdifferentchemicalbonds:theirkindsandstrength)AdsorptionspectroscopeLaserRamanSpectroscope(RAMAN):Lightsource:laserwithacertainwavelengthSample:solid,liquid,gasWhenexcitedbylaser,thechemicalbondsinthematerialcanradiateacertainwavelengthoflightsimilarwithIRButIRisakindofadsorptionspectroscopeRadiationspectroscopeTodeterminetheexistenceofthechemicalbondsinthesample(material)SurfaceMorphologicalObservationNakedeyes:*Microscope:,(,max)ScanningElectronMicroscope(SEM)<,sampleshouldbeconductiveorbemadetobeconductiveEnvironmentSEM(ESEM):similarwithSEMButthesamplecanbeconductiveornotFieldEmittedSEM(FSEM):<,,conductiveTransmissionElectronMicroscope(TEM):<,,similarwithFSEM,butTEMcanalsodostructuralanalysisScanningtunnelingmicroscopy(STM):toobservethearrangementoftheatoms(surfacelayer)directlySampleshouldbeconductiveAtomicforcemicroscopy(AFM):similarwithASM,butthesamplemayconductiveornot(SEM)(ESEM)(FSEM)Lightsource:electronbeamSample:solidwhenexcitedbyelectronbeam,thesamplecanproducethesecondaryelectronBydetectingthesecondaryelectron,themicroregionmorphologicalcharacteristiccanbeobtained(TEM):similarwithSEM,buttheelectronbeamtransmitthesample(STM):(AFM):Usingtheprincipleoftheelectroncurrent(veryverysmall)(ASM)andtheforce(AFM)betweenatomswhentheatomsareverynearphysicalandchemicalpropertiesThermalAnalysis:todeterminethechangesofsampleweightorthermalproperties(adsorbheatorradiateheat)underdifferenttemperatureThermogravimetry(TG)DerivativeThermogravimetry(DTG)DifferentialThermalAnalysis(DTA)Homework试论述学习分析测试技术的意义及在矿物材料中可能的应用。第一部分X射线衍射分析第一章X射线的性质概述X射线的性质X射线的产生X射线与物质的相互作用物质对X射线的吸收概述年伦琴(WCRoentgen)研究阴极射线管时发现阴极射线管能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个“未知数”故称之为X射线。这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用X射线透视技术。年劳埃(MVonLaue)以晶体为光栅发现了晶体的X射线衍射现象确定了X射线的电磁波性质。此后X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。由于X射线的重大意义和价值所以人们又以它的发现者的名字为其命名称之为伦琴射线。X射线和可见光一样属于电磁辐射但其波长比可见光短得多介于紫外线与γ射线之间约为到Å的范围(图-)。X射线的频率大约是可见光的倍所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多表现明显的粒子性。用于晶体结构分析的X射线波长一般为-nm由于波长较短习惯上称为“硬X线”。用于医学透视的X射线的波长很长故称为“软X线”。X射线波长短、光子能量大由于这两个基本特性所以X射线光学(几何光学和物理光学)虽然具有和普通光学一样的理论基础但两者的性质却有很大的区别X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同。图-X射线的频率可见光光谱:(单位nm)--------------紫青兰绿黄橙红X射线的性质()一般性质X射线和其它电磁波一样能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。但是在通常实验条件下很难观察到X射线的反射。对于所有的介质X射线的折射率n都很接近于(但小于)所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度不可能像可见光那样用透镜成像。因为n所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响。X射线能产生全反射但是其掠射角极小一般不会超过'~'。()衍射性质在物质的微观结构中原子和分子的距离(Å左右)正好落在X射线的波长范围内所以物质(特别是晶体)对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。可以说大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上尤其是衍射方面。X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法。()穿透性质X射线穿透物质时都会被部分吸收,其强度将被衰减变弱吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。在此过程中X射线与物质的相互作用是很复杂的会引起多种效应产生多种物理、化学过程。例如它可以使气体电离使一些物质发出可见的荧光能破坏物质的化学键引起化学分解也能促使新键的形成促进物质的合成作用于生物细胞组织还会导致生理效应使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。然而就X射线与物质之间的物理作用而言可以分为两类:入射线被电子散射的过程以及入射线能量被原子吸收的过程。()散射性质X射线散射的过程又可分为两种一种是只引起X射线方向的改变不引起能量变化的散射称为相干散射这是X射线衍射的物理基础另一种是既引起X射线光子方向改变也引起其能量的改变的散射称为不相干散射或康普顿散射(或康普顿效应)此过程同时产生反冲电子(光电子)。()吸收性质物质吸收X射线的过程主要是光电效应和热效应。物质中原子被入射X射线激发受激原子产生二次辐射和光电子入射线的能量因此被转化从而导致衰减。二次辐射又称为荧光X射线荧光是受激原子的特征射线与入射线波长无关。辐射是X射线光谱分析的依据。如果入射光子的能量被吸收却没有激发出光电子那么其能量只是转变为物质中分子的热振动能以热的形式成为物质的内能。综上所述X射线的主要物理性质及其穿过物质时的物理作用可以概括地用图-表示:图-X射线的性质X射线的产生现在人们已经发现了许多的X射线产生机制其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法用阴极射线(高速电子束)轰击对阴极(靶)的表面。各种各样专门用来产生X射线的X射线管工作原理可用图-表示:图-X射线管工作原理()图-X射线管剖面示意图()当灯丝被通电加热至高温时(达)大量的热电子产生在正负极之间的高电压作用下被加速高速轰击到阳极靶(target)面上。高速电子到达靶面运动突然受阻其动能部分转变为辐射能以X射线的形式放出这种形式产生的辐射称为轫致辐射。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能。电子的动能转化为X射线的物理解释:()连续谱的产生电子与阳极靶的原子碰撞时电子失去动能以光子形式辐射这个光子流就是X射线。设电子的动能为eV若一个电子转化成一个光子(若不考虑效率问题)那么这个X光子将获得最大能量hνm=eVλs=Cνm该光子将具有最短的波长λs。实际上电子的数量是极其巨大的碰撞时的角度千差万别损耗越大频率越小相应地波长越长从而构成从λs开始到λm的连续谱。连续光谱又称为“白色”X射线包含了从短波限λm开始的全部波长其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值之后逐渐减弱趋向于零(图-)。连续光谱的短波限λs只决定于X射线管的工作高压。hνm=hc/λs=eVλs=/VV的单位为kV,h普朗克常数=-JscX射线的速度=msλs的单位为ÅÅ=cm(angstrum)图-X射线连续光谱的特征()特征谱的产生从原子物理学知道原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上(电子轨道)用记号K、L、M、N……表示。K层最靠近原子核能量最低稳定性最强。当外来电子将K层的一个电子击出后这时原子就处于高能的不稳定状态(激发态)必然自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能量的L层电子可以跃迁到K层。在跃迁的过程中前后存在能量差异其差异即等于K层与L层的能级差ΔE=ELEK=hν该差值能量将以X射线的形式放射出去。放射出的X射线的波长λ=hΔE必然是仅取决于原子序数的常数。这种由LK的跃迁产生的X射线称为Kα辐射同理还有Kβ辐射Kγ辐射。不过离开原子核越远的轨道产生跃迁的几率越小所以高次辐射的强度也很小。把这种Kα、Kβ、及Kγ等辐射称之为特征谱。图-特征谱的产生()图-特征谱的产生()通常情况下在特征谱中Kα、Kα、Kβ的强度分布如下(图-):Iα:Iα:Iβ:=::而且Kα、Kα的波长很接近所以在很多情况下都是按二者的加权平均作为Kα射线的波长计算方法如下:λKα=(λKαλKα)/至于Kβ射线因其波长差异较大必须设法去掉和消弱其强度。典型的X射线谱(含连续谱和特征谱)图-Kα、Kα、Kβ的强度分布几种常用阳极靶材料的特征谱参数(表-)表-阳极靶材料的特征谱参数X射线管的种类)可拆式管这种X射线管在动真空下工作配有真空系统。不同元素的靶可以随时更换灯丝损坏后也可以更换这种管的寿命可以说是无限的。)密封式管这是最常使用的X射线管它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。)转靶式管这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却即所谓旋转阳极X射线管是目前最实用的高功率X射线发生装置。X射线与物质的相互作用(X射线散射)物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光子的相互作用。当入射光子碰撞电子后若电子能牢固地保持在原来位置上(原子对电子的束缚力很强)则光子将产生刚性碰撞其作用效果是辐射出电磁波散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同新的散射波之间将有可能发生相互干涉相干散射。X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的当物质中的电子与原子之间的束缚力较小(如原子的外层电子)时电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量使得光子能量减少从而使随后的散射波波长发生改变。由于波长不一致入射波与散射波将不再具有相干能力成为非相干散射。物质对X射线的吸收除了被散射和透射掉一部分外X射线将被物质吸收吸收的实质是发生能量转换。这种能量转换主要包括光电效应和俄歇效应。光电效应当入射X光子的能量足够大时还可以将原子内层电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电子的受激原子将产生如前所述的外层电子向内层跃迁的过程同时辐射出波长严格一定的特征X射线。为区别于电子击靶时产生的特征辐射由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射也称为荧光辐射(散射)若能得此时的辐射波长就应该能推测出相应的物质组成这个过程叫做X荧光光谱分析这是光电效应的具体应用。俄歇效应如果原子K层电子被击出L层电子向K层跃迁其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放而是被邻近电子所吸收使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子俄歇电子。这种现象叫做俄歇效应(俄歇电子谱仪专门分析这种电子的能量从而分析物质的成分)。除此之外X射线穿透物质时还有热效应产生热能。我们将光电效应俄歇效应和热效应所消耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的真吸收。可见由于散射和真吸收过程的存在(主要是真吸收)与物质作用后入射X射线的能量强度将被衰减。物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述:μρ=KλZ式中K为常数λ为X射线的波长Z为物质的原子序数μ为吸收系数ρ为物质的密度μρ为称质量吸收系数记为μm。由公式可知μm随原子序数及X射线的波长急剧增大但其增大的过程很有意义,见图-:图-μm与原子序数及X射线的波长的关系μm出现台阶状跳跃的原因:用光电效应来解释:()波长恒定μm随原子序数的变化()元素恒定μm随波长的变化吸收系数的应用--滤波片:对原始X射线进行过滤目的是滤掉β射线(图-)。图-滤波片的作用例如对Cu靶产生的X射线原始的特征线强度分布为Iα:Iα:Iβ=::用Ni滤波片“过滤”后强度分布为:Iα:Iβ=:思考题以Cu靶为例简述Kα、Kα、Kβ的产生原理及其强度在经过Ni过滤前后的比较。相干散射、荧光散射的产生原理及其应用。第二章晶体结构概述(与X射线分析相关的)晶体结构基本特点空间格子面网及面网的表示面网间距晶胞中的原子个数及晶胞体积晶体结构描述晶体结构化学式的计算晶体结构基本特点)空间格子(spacelattice)三维空间内成周期性重复排列。表示其规律性重复的几何图案即为空间格子。)单位晶胞(unitcell)空间格子中的最小重复单元(平行六面体)即为单位晶胞单位晶胞在三维空间的无限重复排列即构成晶体。单位晶胞用平行六面体的三个轴长abc和三个轴角。αβ(表示这六个参数即称为晶胞参数。)晶体的对称及单位晶胞的形状(symmetryofcrystalandtheshapeoftheunitecell)(表-表-)表-晶体的对称及代表性矿物空间格子在空间格子中分布有对应于晶体中原子的点称之为结点。结点可以分布在格子中的角顶、晶棱、晶面、及晶胞内部。对各个不同晶系的空间格子按结点的分布可以抽象出不同类型的空间格子(表-图-):原始格子(Primitive)(P)体心格子(BodyCentered)(I)底心格子(EndCentered)(A,B,orC)面心格子(FaceCentered)(F)每一个晶系都应该有四种类型的空间格子但由于有的格子类型不符合所在晶系的对称要求有的格子类型可以转化成另一种类型因此总共只有种空间格子称之为种布拉维空间格子(BravaisLattices)表-晶体的对称及空间群表-空间格子图-十四种空间格子四方C心格子转化为原始格子图-示。图-四方C心格子转化为原始格子六方格子(H)和三方格子(R)在描述的时候可以互相转化但并非完全意义上的等同。一般情况下在结构描述的时候都按六方格子来描述。但三方格子在转化成六方格子时其六方晶胞的形状虽然完全等同于六方格子但其中结点的分布与真正的六方有一定差异。比如方解石(Calcite)其对称应该是RC,晶胞参数为:a=Åα=度转化成六方晶胞后a=Åc=Å自然界的物质分晶体和非晶体两大类只要属于晶体则必然可以归为种Bravais空间格子中的一种。关于准晶体(semi-crystal):介于晶体和非晶体之间具有短程有序而无长程有序。超导材料(superconductor)即具有准晶体结构。面网及面网的表示)定义:表示在晶体结构中分布在一个平面上的结点。如图-示:图-立方体的典型面网但实际上要把面网理解为一组互相平行的并且等间距的一组平面(其中有一个平面通过原点)。之所以在晶体结构中存在这些等间距的面网组这是由晶体的特性决定的(三维周期性等间距的无限重复)。这些等间距的面网是物质结构解析的基础无论是X射线衍射、电子衍射、中子衍射、质子衍射等等都是直接地和这些等间距的面网相联系起来的。)面网的表示:描述一组互相平行的、等间距的面网用这一组面网中最靠近原点、但由不通过原点的平面的米氏符号来表示即该面在三个结晶轴分数截距的倒数。如右图-所示的面截距:倒数:面网符号()即()代表互相平行、并且等间距的一组面网。图-面网的表示表示面网的通用符号为(hkl)。以下为几例特殊面网:图-()()()图-特殊面网)面网符号与晶面符号的差异:a)晶面符号总是化为最简单的整数而面网符号不是b)平行的晶面符号相同而平行的面网符号则不一定相同c)面网符合代表的是一组互相平行的并且等间距的一组平面。面网间距(distanceofnets))定义:指一组面网之间的垂直距离。实际上根据面网符号的定义可知面网间距等一用来描述面网符号的那个平面到原点之间的垂直距离。对于符号为(hkl)的面网其面网间距记为dhkl。如对于()为d。)计算:面网间距与晶胞参数之间有一定的对应关系。如很显然地当α=β=(=度时d=bd=bd=b。下面根据晶系的不同分别列出其面网间距的计算公式。a)等轴晶系a=b=cα=β=(=b)四方晶系a=bcα=β=(=c)斜方晶系abcα=β=(=SHAPE*MERGEFORMAT每一种晶体物质其内部都具有无数多组面网间距不同的面网没有那两种不同的物质具体完全一样的所有面网间距因此面网间距可以看作结晶质物质的指纹特征。反之如果通过一定的测试方法获得了物质的面网间距则可以确定出该种物质的物质相(物相定性分析)更进一步地还可以求解未知物质的晶体结构(原子的具体排列)(物质结构解析)。整个X射线衍射就是针对面网间距进行的。)最大和最小面网间距前述每一种晶体物质都具有无数多组面网间距不同的面网但在实际测试中我们只能测得有限的一部分即介于最大和最小面网间距之间的面网间距。a)最大面网间距:不能超出晶胞的大小和尺寸b)最小面网间距:等于我们所使用的光源的单色光波长的一半具体原因后面章节要

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