X射線對硅元素的測定和圖譜分析

李芳+王少飛

摘 要：用X射線對硅元素進(jìn)行測定，通過衍射①圖譜分析及數(shù)據(jù)處理，再根據(jù)峰值測出2θ值。計算出對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的理論值進(jìn)行對比。

關(guān)鍵詞：X射線衍射；硅元素；圖譜分析；2θ；d值

X射線是一種波長很短（約為0.06～0.1nm）的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)。用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生X射線，其中包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征X射線?？紤]到X射線的波長和晶體②內(nèi)部原子間的距離（10-8cm）相近。晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束X射線通過晶體時發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使衍射的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。本文運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出的2θ，通過布拉格方程：2*sinθ*d=nλ（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。

一、實驗方法

1.X射線的產(chǎn)生

在真空管（10-6～10-8mmHg）陰陽兩極之間加高壓，陽極選用不同的重金屬材料制成，電子打在陽極上便得到X射線。λ<0.1nm稱硬X射線，λ>0.1nm稱軟X射線。

2.X射線的性質(zhì)

（1）X射線本質(zhì)上是一種電磁波，它具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)；

（2）X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；

（3）X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離；

（4）X射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；

（5）X射線能使照相底片感光。

3.X射線實驗依據(jù)的理論原理

晶體的X射線衍射圖像實質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)形象的一種精細(xì)復(fù)雜的變換。由于每一種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點陣類型、晶胞大小、單胞中原子（離子或分子）數(shù)目及位置等，而晶體物質(zhì)的這些特定參數(shù)，反映在衍射圖上表現(xiàn)出的衍射線條的數(shù)目、位置及相對強度各不相同。因此，每種晶體物質(zhì)與其X射線衍射圖之間有著一一對應(yīng)的關(guān)系。運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出2θ，通過布拉格方程：nλ=2*sinθ*d（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。任何一種晶體態(tài)物質(zhì)都有自己獨特的X射線衍射圖，不會因為其他物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化。

4.實驗樣品的準(zhǔn)備

先把檢測含有硅元素的混合物搗成粉末，取適量的硅元素混合物粉末放在載玻片上，將其放入X射線衍射儀中準(zhǔn)備進(jìn)行檢測。

5.實驗裝置

X射線衍射儀是一種大型精密的機械、電子儀器，它由X射線發(fā)生器系統(tǒng)、測角儀系統(tǒng)、X射線衍射強度測量記錄系統(tǒng)、衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)四大部分組成。X射線發(fā)生器是衍射儀的X光源，它配用衍射分析專用的X光管，具有一套自動調(diào)節(jié)和自動穩(wěn)定X光管工作高壓、管電流的電路和各種保護(hù)電路等；測角儀系統(tǒng)是X射線衍射儀的核心，用來精確測量衍射角，它是由計算機控制的兩個相互獨立電機驅(qū)動樣品臺（θ軸）與檢測器轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸（2θ），依預(yù)定的程序進(jìn)行掃描工作的。X射線衍射強度記錄系統(tǒng)記下硅元素的衍射強度，而衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)采集分析是通過一個配有衍射儀操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)以在線方式完成的。

二、圖譜分析數(shù)據(jù)處理

對在X射線衍射儀中的硅元素樣品檢測，并對結(jié)果進(jìn)行圖譜分析，發(fā)現(xiàn)晶體具有原子排列周期性的特征，而我們所研究的硅元素也是一種晶體，并具有一定的周期性，硅元素結(jié)晶狀況和晶型是可以從峰值上看出來的。圖譜分析儀從左至右得到每一條衍射2θ及相應(yīng)θ值如表1。

任何物質(zhì)都具有反映該物質(zhì)的衍射圖譜，即衍射線條具有一定d值。樣品為多相混合物時，其中各種成分都會在衍射圖譜中貢獻(xiàn)自己所特有的峰值。樣品的各種相分都有自己的d值和相對強峰，并且必定有該相分所特有的一組d值與相對的強峰相符合。我們僅僅研究混合物中硅元素的衍射圖譜的相對強峰和d值。

根據(jù)硅元素的峰值測出2θ，運用布拉格方程計算出d值。將計算出的d值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比，研究得到結(jié)論：實驗值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)完全吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?zhí)靻矗袪?近代物理實驗[M].科學(xué)出版社，2004.

[2]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社，1979-06.

[3]王寵，徐順，張勇，等.X射線物相分析的微機模型[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)，2003（02）.

[4]楊傳錚，王保國，張建.二維X射線衍射及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展，2007（01）.

[5]吳健鵬，楊長安，賀海燕.X射線衍射物相定量分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2005（05）.

[6]朱靜，張樹波，周禎來，等.粉末X射線衍射技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2009（02）.

作者簡介：李芳，女，1988年5月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古新聞廣電局839臺。王少飛，男，1987年10月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古包頭市第八中學(xué)，致力于高中物理教學(xué)。

摘 要：用X射線對硅元素進(jìn)行測定，通過衍射①圖譜分析及數(shù)據(jù)處理，再根據(jù)峰值測出2θ值。計算出對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的理論值進(jìn)行對比。

關(guān)鍵詞：X射線衍射；硅元素；圖譜分析；2θ；d值

X射線是一種波長很短（約為0.06～0.1nm）的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)。用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生X射線，其中包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征X射線?？紤]到X射線的波長和晶體②內(nèi)部原子間的距離（10-8cm）相近。晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束X射線通過晶體時發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使衍射的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。本文運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出的2θ，通過布拉格方程：2*sinθ*d=nλ（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。

一、實驗方法

1.X射線的產(chǎn)生

在真空管（10-6～10-8mmHg）陰陽兩極之間加高壓，陽極選用不同的重金屬材料制成，電子打在陽極上便得到X射線。λ<0.1nm稱硬X射線，λ>0.1nm稱軟X射線。

2.X射線的性質(zhì)

（1）X射線本質(zhì)上是一種電磁波，它具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)；

（2）X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；

（3）X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離；

（4）X射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；

（5）X射線能使照相底片感光。

3.X射線實驗依據(jù)的理論原理

晶體的X射線衍射圖像實質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)形象的一種精細(xì)復(fù)雜的變換。由于每一種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點陣類型、晶胞大小、單胞中原子（離子或分子）數(shù)目及位置等，而晶體物質(zhì)的這些特定參數(shù)，反映在衍射圖上表現(xiàn)出的衍射線條的數(shù)目、位置及相對強度各不相同。因此，每種晶體物質(zhì)與其X射線衍射圖之間有著一一對應(yīng)的關(guān)系。運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出2θ，通過布拉格方程：nλ=2*sinθ*d（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。任何一種晶體態(tài)物質(zhì)都有自己獨特的X射線衍射圖，不會因為其他物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化。

4.實驗樣品的準(zhǔn)備

先把檢測含有硅元素的混合物搗成粉末，取適量的硅元素混合物粉末放在載玻片上，將其放入X射線衍射儀中準(zhǔn)備進(jìn)行檢測。

5.實驗裝置

X射線衍射儀是一種大型精密的機械、電子儀器，它由X射線發(fā)生器系統(tǒng)、測角儀系統(tǒng)、X射線衍射強度測量記錄系統(tǒng)、衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)四大部分組成。X射線發(fā)生器是衍射儀的X光源，它配用衍射分析專用的X光管，具有一套自動調(diào)節(jié)和自動穩(wěn)定X光管工作高壓、管電流的電路和各種保護(hù)電路等；測角儀系統(tǒng)是X射線衍射儀的核心，用來精確測量衍射角，它是由計算機控制的兩個相互獨立電機驅(qū)動樣品臺（θ軸）與檢測器轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸（2θ），依預(yù)定的程序進(jìn)行掃描工作的。X射線衍射強度記錄系統(tǒng)記下硅元素的衍射強度，而衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)采集分析是通過一個配有衍射儀操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)以在線方式完成的。

二、圖譜分析數(shù)據(jù)處理

對在X射線衍射儀中的硅元素樣品檢測，并對結(jié)果進(jìn)行圖譜分析，發(fā)現(xiàn)晶體具有原子排列周期性的特征，而我們所研究的硅元素也是一種晶體，并具有一定的周期性，硅元素結(jié)晶狀況和晶型是可以從峰值上看出來的。圖譜分析儀從左至右得到每一條衍射2θ及相應(yīng)θ值如表1。

任何物質(zhì)都具有反映該物質(zhì)的衍射圖譜，即衍射線條具有一定d值。樣品為多相混合物時，其中各種成分都會在衍射圖譜中貢獻(xiàn)自己所特有的峰值。樣品的各種相分都有自己的d值和相對強峰，并且必定有該相分所特有的一組d值與相對的強峰相符合。我們僅僅研究混合物中硅元素的衍射圖譜的相對強峰和d值。

根據(jù)硅元素的峰值測出2θ，運用布拉格方程計算出d值。將計算出的d值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比，研究得到結(jié)論：實驗值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)完全吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?zhí)靻?，董有?近代物理實驗[M].科學(xué)出版社，2004.

[2]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社，1979-06.

[3]王寵，徐順，張勇，等.X射線物相分析的微機模型[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)，2003（02）.

[4]楊傳錚，王保國，張建.二維X射線衍射及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展，2007（01）.

[5]吳健鵬，楊長安，賀海燕.X射線衍射物相定量分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2005（05）.

[6]朱靜，張樹波，周禎來，等.粉末X射線衍射技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2009（02）.

作者簡介：李芳，女，1988年5月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古新聞廣電局839臺。王少飛，男，1987年10月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古包頭市第八中學(xué)，致力于高中物理教學(xué)。

摘 要：用X射線對硅元素進(jìn)行測定，通過衍射①圖譜分析及數(shù)據(jù)處理，再根據(jù)峰值測出2θ值。計算出對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的理論值進(jìn)行對比。

關(guān)鍵詞：X射線衍射；硅元素；圖譜分析；2θ；d值

X射線是一種波長很短（約為0.06～0.1nm）的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)。用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生X射線，其中包含與靶中各種元素對應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征X射線?？紤]到X射線的波長和晶體②內(nèi)部原子間的距離（10-8cm）相近。晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束X射線通過晶體時發(fā)生衍射，衍射波疊加的結(jié)果使衍射的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。本文運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出的2θ，通過布拉格方程：2*sinθ*d=nλ（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。

一、實驗方法

1.X射線的產(chǎn)生

在真空管（10-6～10-8mmHg）陰陽兩極之間加高壓，陽極選用不同的重金屬材料制成，電子打在陽極上便得到X射線。λ<0.1nm稱硬X射線，λ>0.1nm稱軟X射線。

2.X射線的性質(zhì)

（1）X射線本質(zhì)上是一種電磁波，它具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)；

（2）X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；

（3）X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離；

（4）X射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；

（5）X射線能使照相底片感光。

3.X射線實驗依據(jù)的理論原理

晶體的X射線衍射圖像實質(zhì)上是晶體微觀結(jié)構(gòu)形象的一種精細(xì)復(fù)雜的變換。由于每一種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點陣類型、晶胞大小、單胞中原子（離子或分子）數(shù)目及位置等，而晶體物質(zhì)的這些特定參數(shù)，反映在衍射圖上表現(xiàn)出的衍射線條的數(shù)目、位置及相對強度各不相同。因此，每種晶體物質(zhì)與其X射線衍射圖之間有著一一對應(yīng)的關(guān)系。運用X射線衍射對硅元素物質(zhì)進(jìn)行圖譜分析，根據(jù)峰值測出2θ，通過布拉格方程：nλ=2*sinθ*d（n=1），計算出與其對應(yīng)的d值，與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比。任何一種晶體態(tài)物質(zhì)都有自己獨特的X射線衍射圖，不會因為其他物質(zhì)混聚在一起而產(chǎn)生變化。

4.實驗樣品的準(zhǔn)備

先把檢測含有硅元素的混合物搗成粉末，取適量的硅元素混合物粉末放在載玻片上，將其放入X射線衍射儀中準(zhǔn)備進(jìn)行檢測。

5.實驗裝置

X射線衍射儀是一種大型精密的機械、電子儀器，它由X射線發(fā)生器系統(tǒng)、測角儀系統(tǒng)、X射線衍射強度測量記錄系統(tǒng)、衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)四大部分組成。X射線發(fā)生器是衍射儀的X光源，它配用衍射分析專用的X光管，具有一套自動調(diào)節(jié)和自動穩(wěn)定X光管工作高壓、管電流的電路和各種保護(hù)電路等；測角儀系統(tǒng)是X射線衍射儀的核心，用來精確測量衍射角，它是由計算機控制的兩個相互獨立電機驅(qū)動樣品臺（θ軸）與檢測器轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)軸（2θ），依預(yù)定的程序進(jìn)行掃描工作的。X射線衍射強度記錄系統(tǒng)記下硅元素的衍射強度，而衍射儀控制與衍射數(shù)據(jù)采集分析是通過一個配有衍射儀操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)以在線方式完成的。

二、圖譜分析數(shù)據(jù)處理

對在X射線衍射儀中的硅元素樣品檢測，并對結(jié)果進(jìn)行圖譜分析，發(fā)現(xiàn)晶體具有原子排列周期性的特征，而我們所研究的硅元素也是一種晶體，并具有一定的周期性，硅元素結(jié)晶狀況和晶型是可以從峰值上看出來的。圖譜分析儀從左至右得到每一條衍射2θ及相應(yīng)θ值如表1。

任何物質(zhì)都具有反映該物質(zhì)的衍射圖譜，即衍射線條具有一定d值。樣品為多相混合物時，其中各種成分都會在衍射圖譜中貢獻(xiàn)自己所特有的峰值。樣品的各種相分都有自己的d值和相對強峰，并且必定有該相分所特有的一組d值與相對的強峰相符合。我們僅僅研究混合物中硅元素的衍射圖譜的相對強峰和d值。

根據(jù)硅元素的峰值測出2θ，運用布拉格方程計算出d值。將計算出的d值與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論值進(jìn)行對比，研究得到結(jié)論：實驗值與理論值在誤差允許范圍內(nèi)完全吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?zhí)靻?，董有?近代物理實驗[M].科學(xué)出版社，2004.

[2]褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社，1979-06.

[3]王寵，徐順，張勇，等.X射線物相分析的微機模型[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)，2003（02）.

[4]楊傳錚，王保國，張建.二維X射線衍射及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].物理學(xué)進(jìn)展，2007（01）.

[5]吳健鵬，楊長安，賀海燕.X射線衍射物相定量分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報，2005（05）.

[6]朱靜，張樹波，周禎來，等.粉末X射線衍射技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗室科學(xué)，2009（02）.

作者簡介：李芳，女，1988年5月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古新聞廣電局839臺。王少飛，男，1987年10月出生，大學(xué)本科，就職于內(nèi)蒙古包頭市第八中學(xué)，致力于高中物理教學(xué)。