多晶X射线衍射技术与应用.pdf

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书籍描述

内容简介
本书系统地介绍了多晶X射线衍射技术的原理、仪器、方法和应用。全书内容循序渐进,在介绍X射线的物理基础、射线强度检测技术及其发展、晶体和晶体衍射的理论知识基础上,着重阐述了X射线衍射仪器和多晶衍射仪的原理,详细论述了如何获得正确的衍射数据、如何评估衍射实验数据的可信度以及仪器的工作状态等实验技术问题。之后,又在物相分析、晶面间距或晶胞参数精测、峰形分析三方面深入介绍了多晶衍射数据在各方面的实际应用,列举了一些实例和已发布的应用多晶衍射的测试方法标准。
本书凝结了作者50余年的X射线仪器研发和应用经验,具有很强的实用性,可供化学、化工、材料、矿冶等领域中从事固体物质材料分析鉴定的研究人员和X射线衍射仪器操作的技术人员参考。

编辑推荐
《多晶X射线衍射技术与应用》是北京大学江超华教授50余年多晶X射线衍射技术与仪器研发和应用经验的总结,此书简明实用,对化学、化工、材料、矿冶等领域中从事固体物质材料分析鉴定的研究人员和工作于粉末衍射分析工作一线的操作技术人员调试仪器、提高技能很有帮助,推荐作为从业者的入门和工作指导,也可作为仪器制造厂家和有关机构的培训教材。。

目录
1绪论1
0.1X射线衍射分析法是研究物质微观结构的基本实验方法1
0.2物质的性质性能都是由它的结构决定的2
0.3多晶(粉末)X射线衍射分析法的应用2
参考文献6
第1章X射线基础7
1.1X射线性质概述7
1.2X射线的产生10
1.3X射线谱11
1.3.1连续光谱12
1.3.2特征光谱13
1.3.3X射线管的工作条件16
1.4物质对X射线的衰减17
1.4.1衰减公式17
1.4.2质量吸收系数18
1.4.3X射线的光电效应20
1.4.4吸收性质在X射线实验技术中的应用21
1.5X射线的散射22
1.5.1相干散射22
1.5.2非相干散射23
1.6X射线强度的检测技术24
1.6.1荧光板24
1.6.2照相方法25
1.6.3单点检测器25
1.6.4固体阵列检测器29
1.6.5位敏正比计数器30
1.6.6成像板30
1.6.7数字化X射线成像技术31
1.7X射线的防护32
参考文献33
第2章晶体学基础34
2.1晶体与晶体结构的基本知识34
2.1.1晶体的基本特征34
2.1.2点阵结构36
2.1.3晶体的对称性和晶系40
2.1.4晶胞43
2.1.5晶体学空间群和点群46
2.1.6晶体的外形47
2.1.7实际晶体与晶格缺陷48
2.2晶体对X射线的衍射54
2.2.1衍射方向55
2.2.2衍射强度58
2.2.3衍射线的峰形61
2.3准晶体的衍射64
2.3.1准晶体64
2.3.2准晶体的衍射65
参考文献65
第3章多晶X射线衍射仪66
3.1X射线衍射仪器设备概述66
3.1.1两种多晶衍射几何67
3.1.2X射线多晶衍射的记录方法69
3.1.3X射线源75
3.1.4单色化方法79
3.1.5X射线光学元件82
3.2X射线多晶衍射仪83
3.2.1X射线多晶衍射仪的构成83
3.2.2X射线发生器83
3.2.3测角仪84
3.2.4X射线强度测量记录系统90
3.2.5衍射仪控制及衍射数据采集分析系统93
3.2.6样品台附件95
3.3多晶粉末衍射数据库和软件95
参考文献96
第4章粉末X射线衍射图的获取98
4.1样品准备与制片98
4.1.1对样品粉末粒度的要求99
4.1.2样品试片平面的准备100
4.1.3样品试片的厚度101
4.1.4制样技巧102
4.1.5制样小结104
4.2数据收集105
4.2.1实验波长的选择105
4.2.2扫描条件的选择106
4.2.3关于实验条件选择的小结与示例110
4.3粉末衍射图的初步检查112
参考文献114
第5章粉末X射线衍射数据115
5.1粉末X射线衍射图的特征数据115
5.1.1粉末X射线衍射数据115
5.1.2衍射峰位置的确定116
5.1.3衍射峰强度的表示118
5.1.4衍射线的峰形数据119
5.2粉末衍射峰位与峰强度数据的提取120
5.2.1图谱的平滑121
5.2.2背景的扣除和弱峰的辨认123
5.2.3Kα2衍射的分离125
5.2.4平滑二阶导数法自动读出峰位,同时确定峰高和峰宽128
5.2.5峰处理程序的流程130
参考文献131
第6章粉末X射线衍射数据的不确定度132
6.1测量的不确定度132
6.1.1测量结果评价方法的沿革132
6.1.2测量不确定度与测量误差134
6.2衍射角测量的系统误差及其修正137
6.2.1几何因素引入的衍射角测量误差137
6.2.2测角仪的测角机械误差140
6.2.3物理因素引入的衍射角测量误差141
6.2.4粉末衍射角实验值的修正143
6.3粉末衍射仪衍射角的测量不确定度147
6.3.1衍射仪的衍射角测量不确定度来源的分析147
6.3.2衍射仪的衍射角标准测量不确定度各分量的评定148
6.3.3衍射仪测定的衍射角合成标准测量不确定度的评定150
6.4衍射仪衍射强度的测量误差及其测量不确定度150
6.4.1概述150
6.4.2计数损失及其修正151
6.4.3X射线强度测值不确定度的统计涨落分量152
6.4.4粉末衍射强度实验测值不确定的强度评定155
6.4.5粉末衍射强度数据运算中标准不确定度的传递156
6.5粉末X射线衍射图谱数据的品质指数157
6.6多晶衍射仪的验收、性能的评估与常规检查158
6.6.1问题的提出158
6.6.2衍射角校准用标准物质159
6.6.3衍射强度校准用标准物质161
6.6.4衍射仪性能指标的评估163
6.6.5衍射仪运行状态的质量控制165
参考文献166
第7章X射线衍射物相定性分析168
7.1何谓“物相”168
7.2何谓“物相分析”169
7.3方法的依据170
7.3.1原理170
7.3.2粉末衍射图数据库171
7.3.3PDF2粉末衍射卡的内容173
7.4参考衍射图的检索与匹配177
7.4.1参考衍射图的检索、匹配177
7.4.2图、卡比对的方法178
7.4.3判定为“匹配”的要领183
7.5《MDI Jade》XRD图谱处理的检索匹配188
7.5.1基于峰形的S/M的一般步骤188
7.5.2物相检索的输出192
7.6检索匹配结论的不确定性195
7.7物相检索匹配实例197
7.8未知物相的鉴定201
7.8.1两种情况201
7.8.2物相结构测定的一般步骤202
7.8.3粉末衍射图指标化203
7.8.4未知相晶体结构类型或空间群的确定205
7.8.5新标准衍射数据卡的建立206
7.9异常衍射图例206
参考文献208
第8章X射线衍射物相定量分析209
8.1衍射强度与物相组成的关系209
8.2比强度法211
8.2.1内标方程、比强度(K值)与内标法211
8.2.2外标方程与外标法213
8.2.3参考比强度数据库的建立和标准参考物质214
8.2.4应用实例217
8.3无标样法219
8.3.1方法的基本原理219
8.3.2样间同相消约的无标样法220
8.3.3内标消约的无标样法223
8.3.4样内异相消约的无标样法224
8.4外标消约无标样定量法226
8.4.1外标消约无标样法原理226
8.4.2定量参数(Ksj、μ*js)的测定229
8.4.3样品含量分析231
8.4.4外标消约增量法234
8.5特别方法234
8.5.1吸收衍射直接定量分析法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衍射全谱拟合物相分析法237
8.6.1衍射全谱拟合物相分析法的理论依据237
8.6.2衍射全谱拟合的技术要点238
8.6.3需要已知晶体结构数据之全谱拟合定量分析法240
8.6.4需要物相纯态的标准谱之衍射全谱拟合定量分析法241
8.7分析策略与衍射定量方法的构建242
8.7.1分析策略的概念242
8.7.2内标消约法244
8.7.3外标消约法244
8.7.4样内异相消约法245
8.7.5样间同相消约法245
8.7.6样间异相消约法246
8.7.7归并c值法246
8.7.8理论计算K值法247
8.8衍射定量实验技术要点247
8.8.1一般注意事项248
8.8.2制样249
8.8.3实验条件的选择250
8.8.4衍射峰“净”强度的求得250
8.8.5全谱拟合方法对实验的基本要求251
8.9衍射定量分析结果的不确定度与方法的检出限254
8.9.1衍射物相定量分析结果的不确定度254
8.9.2物相的检出限257
8.10非晶质相的定量259
8.10.1非晶质物相含量的估算259
8.10.2差值法测定非晶质物相含量260
8.10.3结晶度的测定261
参考文献264
第9章晶胞参数的精测及其应用266
9.1一般考虑266
9.1.1选用高角度的衍射峰266
9.1.2测定峰位的方法268
9.1.3获得衍射图方法的选择268
9.2系统误差的消除269
9.2.1图解外推法269
9.2.2柯亨最小二乘法270
9.2.3线对法273
9.2.4内标法273
9.3精确晶胞参数的实际测量273
9.3.1仪器及其调整和校验274
9.3.2制样274
9.3.3测量274
9.3.4结果计算275
9.4精确晶胞参数或晶面间距数据的应用275
9.4.1固溶体类型的研究275
9.4.2固溶体、类质同象矿物成分的测定277
9.4.3X型、Y型分子筛SiO2/Al2O3比的测定280
9.4.4固溶度的测定282
9.4.5晶体有序无序结构状态的表征283
9.4.6测定有关的晶体性质数据285
9.4.7金属材料中宏观应力的测量285
参考文献287
第10章峰形分析及其应用288
10.1概述288
10.2衍射线的实测峰形与“真实”峰形289
10.2.1卷积的概念289
10.2.2衍射线实测峰形的数学表示291
10.2.3影响实测峰形的其他因素及其修正291
10.3衍射线真实峰形的提取292
10.3.1用Fourier变换法解卷积292
10.3.2用迭代法解卷积294
10.4峰形宽化分析294
10.4.1真实峰形的积分宽294
10.4.2两种宽化效应的关系295
10.4.3峰形宽化分析的几种方法296
10.5峰形宽化分析的近似函数法297
10.5.1应用近似函数法的分析步骤297
10.5.2近似函数法求真实峰形的积分宽度297
10.5.3峰形近似函数的选择299
10.6衍射线真实峰形数据的应用300
10.6.1再论Scherrer公式301
10.6.2微观应力的测定302
10.6.3两种宽化效应同时存在的情况303
10.6.4《MDI Jade》的“由峰宽化估算晶粒大小和应变”选项304
10.6.5“球镍”307
10.6.6黏土矿物结构缺陷的表征313
参考文献321
附录323
附录1μt=1和衍射强度衰减为10%时试样的厚度(计算值)323
附录2常见矿物的质量吸收系数μ*(CuKα)324
附录3晶面间距与点阵参数的关系325
附录4多晶(粉末)的衍射强度326
附录5X射线衍射分析用X射线管的特征波长及有关数据330
附录6立方晶系的衍射指标331
附录7Si粉末试样衍射仪衍射角测值2θ的系统误差332
附录8衍射分析常用参考物质的衍射数据333
附录9常见矿物的RIR(K值)343
附录10黏土矿物结构分类表344
附录11测量不确定度报告及表示,测量结果及不确定度的有效位数345
附录12X射线晶体学资料及数据库资源简介347

序言
多晶衍射技术是对晶态物质的组成、结构和存在情况进行分析测试的重要方法。它具有下列特点:第一,样品用量少,制备容易,适用范围广泛;第二,它是一种非破坏性分析方法,在分析过程中一般不会使样品受到化学破坏,测试后的样品还可以用于其他测试工作;第三,实验仪器设备不断发展提高,分析方法容易掌握,对一般的应用不要求分析者必须具备专门的高深理论知识,容易普及应用。因此多晶衍射测试方法已广泛地应用于分析工业产品,化学制品、医药材料、电路线板、机械焊点、地质取样、水泥混凝土等,甚至一幅名画上颜料的组成和配比,犯罪现场取证等各个方面。在化学、物理学、矿物学、地质学、材料科学、生物学、医药学、考古学、……乃至刑侦、商品检验等现代技术和国民经济的各个领域,如能源、交通、通信、航空、航天、军工、环保、卫生健康等方面都有着重要的应用。
江超华教授在北京大学是一位教授级高工,长期从事多晶衍射技术的研究和教学工作,时间上超过半个世纪,涉及仪器制造、分析测试、人员培训、教材编写等各个方面,在这个领域堪称是一位行家里手。
在20世纪80年代,江教授曾写过《多晶X射线衍射仪实验技术基础》作为多晶衍射仪用户的培训教材。由于它简明实用、篇幅不大,广受读者欢迎。热心的读者还将它编辑转成PDF格式的文件,在网上广为传播。这次应化学工业出版社之约,江教授在上述基础上本着简明而不肤浅、实用而说理的原则,根据X射线衍射技术的发展和进步,增补了许多新的内容,写就了本书。
全书内容循序渐进,在介绍了X射线的物理基础、射线强度检测技术及其发展、晶体和晶体衍射的理论知识基础上,着重阐述了X射线衍射仪器和多晶衍射仪的原理,详细论述了如何获得正确的衍射数据、如何评估衍射实验数据的可信度以及仪器的工作状态等实验技术问题。之后,又在物相分析、晶面间距或晶胞参数精测和峰形分析三个方面较深入地介绍了多晶衍射数据在各方面的实际应用,列举了一些实例和已发布的应用多晶衍射的测试方法标准。
这是一本介绍多晶衍射实验技术的好书。全书既注重理论概念的清晰准确,更注重阐述如何通过仪器方法(包括相关软件)来实现、达到分析测试的目的。书中还隐含着这样一条主线:科学发现来源于可靠的实验数据,获得正确的实验数据的基础,在于对实验方法原理的正确理解与对实验条件的正确把握。例如,书中讲了一个关于物质自发单层分散现象发现的小故事(第8章关于衍射分析的检出限),很有启发意义。
我很高兴看到作者的这本书稿,觉得很适合于多晶衍射仪使用者的需要,也适合于期望应用这一实验工具的人士阅读参考,特予作序推荐。

周公度
2013年6月16日于北大中关园

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