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晶体学与衍射技术.pptx
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1、晶体学与衍射技术刘泉林 教授Tel:Email:金物楼 410 Contact InformationDepartment of Materials physics&Chemistry University of Science&Technology BeijingIntroduction材材 料料 (物质物质)科科 学学化学化学构造构造物理物理机制机制性能性能应用应用化学,相图,热力学晶体结构电子结构固体物理量子力学统计物理光谱学性能表征器件应用 材料制备工艺组分结构材料性能材料应用结构 决定 性能C 金刚石C 石墨引 言就是X-射线衍射理论与技术把人们对物质得认识从宏观带进了微观(原子水平
2、上)。晶体结构得测定和物相鉴定主要依赖X-射线衍射。Ca 2+F-与与X X射线和晶体学有关得诺贝尔奖射线和晶体学有关得诺贝尔奖1901190119011901伦琴伦琴伦琴伦琴 (W(W(W(W、C C C C、Roentgen)Roentgen)Roentgen)Roentgen)发发发发现现现现X X X X射射射射线线线线(1895)(1895)(1895)(1895)物理物理物理物理1914191419141914劳厄劳厄劳厄劳厄(M M M M、Von Laue Von Laue Von Laue Von Laue)晶晶晶晶体体体体得得得得X X X X射射射射线线线线衍衍衍衍射射射
3、射 物理物理物理物理1915191519151915布拉格父子布拉格父子布拉格父子布拉格父子 (W (W (W (W、H H H H、Bragg WBragg WBragg WBragg W、L L L L、Bragg Bragg Bragg Bragg 分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构 物理物理物理物理1917191719171917巴克拉巴克拉巴克拉巴克拉 (C(C(C(C、G G G G、Barkla Barkla Barkla Barkla)元素得标识元素得标识元素得标识元素得标识X X X X射线射线射线射线 物理物理物理物理1924192419241924塞塞塞塞
4、格格格格 巴巴巴巴 恩恩恩恩 (K(K(K(K、M M M M、G G G G、Siegbahn)Siegbahn)Siegbahn)Siegbahn)X X X X射射射射 线线线线 光光光光 谱谱谱谱 学学学学 物理物理物理物理1927192719271927康普顿康普顿康普顿康普顿(A(A(A(A、H H H H、pton)pton)pton)pton)康康康康普普普普顿顿顿顿效效效效应应应应 物理物理物理物理1936193619361936德拜德拜德拜德拜 (P(P(P(P、J J J J、W W W W、Debye)Debye)Debye)Debye)粉末衍射粉末衍射粉末衍射粉末衍射
5、 化学化学化学化学1937193719371937 戴维森戴维森戴维森戴维森 (C(C(C(C、J J J J、Davisson)Davisson)Davisson)Davisson)汤姆逊汤姆逊汤姆逊汤姆逊 (G(G(G(G、P P P P、Thomson)Thomson)Thomson)Thomson)电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射 物理物理物理物理1946194619461946缪勒缪勒缪勒缪勒 (H(H(H(H、J J J J、Muller)Muller)Muller)Muller)X X X X射射射射线线线线诱诱诱诱发发发发遗遗遗遗传传传传突突突突变变变变 医学医学医学医学195
6、4 1954 1954 1954 鲍林鲍林鲍林鲍林 (L(L(L(L、C C C C、Pauling)Pauling)Pauling)Pauling)物质结构物质结构物质结构物质结构 化学键化学键化学键化学键 化学化学化学化学1962 1962 1962 1962 沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯沃森、克里克、威尔金斯 DNA DNA DNA DNA 双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构 生理医学生理医学生理医学生理医学1962 1962 1962 1962 佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁佩鲁茨和肯德鲁 蛋白质晶体结构蛋白质晶体结构蛋白质晶体结
7、构蛋白质晶体结构 化学化学化学化学1964196419641964霍奇金霍奇金霍奇金霍奇金 (Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)青霉素青霉素青霉素青霉素 B12B12B12B12结构结构结构结构 化学化学化学化学1969 1969 1969 1969 哈塞尔哈塞尔哈塞尔哈塞尔 巴顿巴顿巴顿巴顿 复杂分子结构复杂分子结构复杂分子结构复杂分子结构 化学化学化学化学1973 1973 1973 1973 威尔金森威尔金森威尔金森威尔金森 费歇尔费歇尔费歇尔费歇尔 有机金属化学有机金属化学有机金属化学有机金属化学 化学化学化学化学 1976 1976 1976 19
8、76 普斯科姆普斯科姆普斯科姆普斯科姆 硼化合物结构硼化合物结构硼化合物结构硼化合物结构 化学化学化学化学1979197919791979豪森菲尔德豪森菲尔德豪森菲尔德豪森菲尔德 柯马克柯马克柯马克柯马克 X X X X射线断层照相射线断层照相射线断层照相射线断层照相 生理医生理医生理医生理医学学学学1980 1980 1980 1980 桑格桑格桑格桑格 吉尔伯特吉尔伯特吉尔伯特吉尔伯特 伯格伯格伯格伯格 胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构胰岛素分子结构 DNA DNA DNA DNA核苷酸顺序核苷酸顺序核苷酸顺序核苷酸顺序 化学化学化学化学1981198119811981 塞格巴恩
9、塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩 X X X X射线光电子能谱射线光电子能谱射线光电子能谱射线光电子能谱 物理物理物理物理1982 1982 1982 1982 克卢格克卢格克卢格克卢格 生物物质得结构生物物质得结构生物物质得结构生物物质得结构 化学化学化学化学1985 1985 1985 1985 豪普特曼豪普特曼豪普特曼豪普特曼 卡尔勒卡尔勒卡尔勒卡尔勒 直接法直接法直接法直接法 化学化学化学化学 1988 1988 1988 1988 胡伯尔胡伯尔胡伯尔胡伯尔 戴森霍弗戴森霍弗戴森霍弗戴森霍弗 米歇尔米歇尔米歇尔米歇尔 中心复合物得立体结构中心复合物得立体结构中心复合物得立体结构中心复合物得立体
10、结构 化学化学化学化学1994 1994 1994 1994 布罗克豪斯布罗克豪斯布罗克豪斯布罗克豪斯 沙尔沙尔沙尔沙尔 中子衍射中子衍射中子衍射中子衍射 中子谱学中子谱学中子谱学中子谱学 物理物理物理物理1997199719971997 斯科斯科斯科斯科 博耶博耶博耶博耶 沃克沃克沃克沃克 人体细胞内得离子传输酶人体细胞内得离子传输酶人体细胞内得离子传输酶人体细胞内得离子传输酶 化学化学化学化学2002 2002 2002 2002 贾科尼贾科尼贾科尼贾科尼 X X X X射线天文学射线天文学射线天文学射线天文学 物理物理物理物理2003 2003 2003 2003 阿格雷阿格雷阿格雷阿格
11、雷 麦金农麦金农麦金农麦金农 细胞膜水通道细胞膜水通道细胞膜水通道细胞膜水通道 化学化学化学化学2006200620062006 科恩伯格科恩伯格科恩伯格科恩伯格 真核转录得分子基础真核转录得分子基础真核转录得分子基础真核转录得分子基础 化学化学化学化学2011 2011 2011 2011 Daniel Shechtman 准晶得发现准晶得发现 化学?如何测定晶体结构 (原子得空间排列方式)?如何测定晶体结构晶体结构Crystal structure衍射图谱Diffraction SpectrumX-射线衍射大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可
12、以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点(222222)C C(111111)C CCuKCuK布拉格:衍射峰 一组平行原子排列面有序与无序建立结构与衍射峰之间得联系遇到得困难:X射线衍射中得相角问题X探测器2探测强度10=5+5 4+6 12-2?X射线粉末衍射分析射线粉末衍射分析物质材料物相多晶单晶晶胞原子衍射图谱衍射波得叠加探测器2Course Outline Course Outline 一、几何晶体学1 晶体及点群:晶体外形 晶体对称操作,对称元素及组合规律。空间点阵,晶胞,晶向,晶面,晶体定向,布拉维点阵 2空间群:微观空间对称元素及组合,空间群
13、 晶体学国际表,等效点系,应用举例 Course Outline Course Outline 二、X射线物理学及衍射理论3X射线物理学:X射线本质 X射线与物质得相 互作用 X射线得探测与防护 X射线散射4X射线衍射得运动学:独立电子散射,原子散射,结构因数,一个晶体内所有晶胞对X射线得散射,干涉函数,劳厄方程式与布拉格方程式 Course Outline Course Outline 二、X射线晶体衍射实验技术、结构分析及应用5布拉格方程及其应用:确定晶体所属点阵,检查固溶体中原子占位得有序化,确定晶体所具有得微观对称元素,确定简单晶体结构,新材料探索 6倒易点阵,衍射数据指标化,空间群得
14、确认,晶体点阵常数得测定及应用,7 衍射强度和峰形分析,晶体结构测定 及应用8 电子衍射和中子衍射 Rietveld 全谱拟合及应用 What Would I Gain at the End of the Course?What Would I Gain at the End of the Course?Understand Basic physical concepts and principleConsider the materials problems In the view of crystal structureObtain a prehensive understanding t
15、o diffraction spectrum and crystal structure、Enhance Interest in diffraction physics and structure analysis of materials Reference Texts Remended Reading粉末衍射法测定晶体结构(上下册)梁敬魁 科学出版社 2003固体X射线学(一 二 册)黄胜涛 高等教育出版社 1985X射线分析得发展W、L、Bragg 科学出版社 1988An introduction to X-ray crystallographyM、M、Woolfson 1974 19
16、97 Assessment(Grading Policy)Grading Policy)Grading Policy)Grading Policy)paper No final examCourseCourse一、几何晶体学晶体学简史1 晶体及点群:晶体外形 晶体对称操作,对称元素及组合规律。空间点阵,晶胞,晶向,晶面,晶体定向,布拉维点阵 晶体学简史 晶体学源于矿物学,其发展史可追溯到人类对天然矿物晶体得美丽和规则感到惊奇得年代。古代,中外都把水晶(即具有规则得几何多面体形态得SiO2)称为晶体。后来,这一名词推广了,自然界得矿物绝大部分矿物就是晶体,也就是人类最早所研究和利用得主要对象。石
17、英晶簇石英晶簇 晶体学简史晶体学作为独立得分支学科开始形成于17-19世纪 晶体学简史1669年丹麦学者N、Steno根据对天然晶体外形得研究,提出了一个普遍关系,即“同种物质得所有晶体,不论其晶面得大小和形状如何,晶体得对应晶面间得角度守恒”这就就是Steno面角守恒定律。这一定律为研究复杂纷乱得晶体形态开辟了一条途径。通过对晶面间角度得精确测量好投影,可以揭示晶体得固有对称性,为几何晶体学得发展奠定了基础。晶体学简史1784年R、J、Hauy提出晶体结构就是由相同得组成分子所构成得,并给出了精美得堆积图解,这一思想与现代得空间点阵概念十分类似。晶体学简史1815年,C、S、Weiss提出了
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