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内容简介

《X射线衍射技术》较为系统地阐述了晶体学基础，X射线与物质作用发生散射与衍射的理论，单晶与多晶材料的X射线衍射原理与实验方法，X射线衍射技术在材料微结构分析方面的应用等。书中反映了近年来X射线衍射领域的新成果，也介绍了非晶态材料、高分子聚合物材料、薄膜材料的衍射技术以及同步辐射技术的应用。
《X射线衍射技术》可作为材料科学与工程类专业本科生的专业教材，也可供相关专业如物理、化学、生物、机械、核能工程等本科生和研究生作教学参考书，对从事X射线衍射工作的科研、测试人员也具有参考价值。

作者简介

潘峰，清华大学材料学院，国际薄膜学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、中国晶体学会常务理事、中国真空学会常务理事、科技部“863”计划新材料领域领域专家、"十三五”国家新材料领域发展战略与规划研究召集人，清华大学教授，博士生导师，是国家杰出青年科学基金获得者，国家创新人才推进计划重点领域创新团队负责人。1996年晋升教授。曾任清华大学材料科学与工程研究院副院长、先进材料教育部重点实验室主任、中国真空学会副理事长，现任国际薄膜学会副理事长、中国材料研究学会常务理事、中国晶体学会常务理事、中国真空学会常务理事、科技部“863”计划新材料领域专家、"十三五”国家新材料领域发展战略与规划研究召集人。长期在薄膜材料结构与性能调控技术、声表面波材料与器件、阻变存储材料、磁性材料等方向开展科学研究，曾获得2012年国家自然科学二等奖、2009年国家科技进步二等奖、2007年国家技术发明奖二等奖、1999年国家自然科学三等奖和8项省部级科研成果奖励。授权国家发明专利20余项，国际专利2项。

目录

第1章 绪论
参考文献5
第2章 X射线的基本性质
2.1X射线的本质6
2.1.1X射线的波动性7
2.1.2X射线的粒子性8
2.1.3X射线的一般性质8
2.2X射线的产生9
2.2.1X射线管10
2.2.2X射线仪12
2.3X射线谱13
2.3.1连续X射线谱13
2.3.2特征X射线谱15
2.4X射线与物质的相互作用18
2.4.1X射线的吸收19
2.4.2X射线的减弱规律20
2.4.3吸收限的应用22
2.5X射线的探测与防护24
2.5.1X射线的探测24
2.5.2X射线的防护25
思考与练习题25
参考文献26
第3章 晶体学基础
3.1晶体结构与空间点阵27
3.1.1晶体结构概述27
3.1.2空间点阵28
3.1.3阵矢30
3.1.4阵胞31
3.1.5空间点阵的种类32
3.1.6晶胞与晶体结构35
3.2晶面和晶向指数37
3.2.1阵胞中的点37
3.2.2阵胞内的直线38
3.2.3阵胞中的平面39
3.2.4晶胞内的等价点、晶向和晶面40
3.2.5六方晶系中的晶面指数40
3.2.6晶面间距43
3.3晶体中的对称操作与对称元素43
3.3.1宏观对称操作与对称元素44
3.3.2微观对称操作与对称元素48
3.4点群与空间群51
3.4.1点群的概念51
3.4.2点群符号52
3.4.3空间群的概念与符号56
3.4.4空间群图表简介57
3.5晶体的投影58
3.5.1球面投影59
3.5.2极射投影60
3.5.3吴氏网与标准投影61
3.6倒易点阵70
3.6.1倒易点阵的概念70
3.6.2倒易点阵与正点阵之间的倒易关系72
3.6.3利用倒易矢量计算晶面间距与晶面夹角75
3.6.4晶带与倒易面77
思考与练习题79
参考文献82
第4章 X射线的散射、干涉与衍射
4.1单个电子对X射线的散射83
4.1.1相干散射83
4.1.2非相干散射87
4.2散射线的干涉88
4.2.1相位差与散射矢量88
4.2.2合成振幅与强度89
4.3单个原子对X射线的散射92
4.3.1单电子原子的散射93
4.3.2多电子原子的散射94
4.4原子群体的散射97
4.4.1散射振幅与强度97
4.4.2多原子气体与“粉尘”的散射98
4.5晶体的衍射101
4.5.1晶胞对X射线的散射102
4.5.2小晶体的衍射103
4.6X射线的衍射方向106
4.6.1干涉方程107
4.6.2布拉格定律107
4.6.3厄瓦尔德图解109
4.7结构因子与消光条件111
4.7.1点阵消光与结构消光111
4.7.2点阵消光条件112
4.7.3结构消光条件113
4.7.4加权倒易点阵114
4.8获得衍射线的方法概述116
4.8.1连续谱X射线117
4.8.2转动晶体法117
4.8.3发散X射线束118
4.8.4粉末多晶法119
思考与练习题120
参考文献121
第5章 衍射线的强度分析
5.1晶体的嵌镶块结构122
5.2实际小晶体的衍射积分强度123
5.3多晶体的衍射线强度126
5.4影响衍射强度的因素128
5.4.1洛伦兹因子128
5.4.2吸收因子128
5.4.3多重因子132
5.4.4温度因子133
5.4.5晶体结构的影响134
5.4.6消光的影响135
5.4.7粉末多晶法的积分强度与相对强度136
5.5衍射强度的计算实例137
5.5.1列表计算衍射线的相对强度137
5.5.2利用计算机计算衍射线的相对强度138
思考与练习题141
参考文献141
第6章 多晶体衍射信息的获取方法
6.1德拜法142
6.1.1德拜法原理142
6.1.2德拜相机144
6.1.3德拜照片的计算与标定145
6.1.4其他照相方法148
6.2衍射仪法150
6.2.1测角仪151
6.2.2探测器153
6.2.3控制和数据处理系统158
6.2.4晶体单色器160
6.2.5衍射仪161
6.3衍射图样的获得164
6.3.1试样制备要求164
6.3.2衍射全图的获得165
6.3.3单峰测试166
6.4衍射信息的获取167
6.4.1衍射线的线位167
6.4.2衍射线的强度169
6.4.3衍射线的宽度170
6.5衍射线的线形分析172
6.5.1实测线形与真实线形172
6.5.2Kα双线的分离173
6.5.3吸收、温度和角因子的校正178
6.5.4仪器因数的校正180
思考与练习题186
参考文献187
第7章 单晶体衍射信息的获取方法
7.1劳厄法188
7.1.1劳厄法照相188
7.1.2劳厄照片的特征190
7.2劳厄法的应用191
7.2.1单晶取向的测定191
7.2.2透射劳厄法测定单晶取向193
7.2.3背射劳厄法测定单晶取向195
7.2.4单晶体的定向切割198
7.2.5塑性变形的研究200
7.3四圆单晶衍射仪法203
7.3.1四圆单晶衍射仪简介203
7.3.2四圆单晶衍射仪的晶体结构分析过程205
7.3.3四圆单晶衍射仪的衍射几何205
7.3.4衍射几何转换矩阵207
7.4二维面探测器210
思考与练习题212
参考文献212
第8章 物相分析
8.1定性相分析213
8.1.1PDF卡片214
8.1.2PDF检索215
8.1.3定性相分析方法217
8.2定量相分析221
8.2.1外标法222
8.2.2内标法223
8.2.3自标法225
8.2.4其他方法举例229
8.3衍射全谱拟合法与Rietveld结构精修229
8.3.1全谱拟合的原理230
8.3.2Rietveld方法中的拟合函数232
8.3.3Rietveld结构精修步骤234
8.3.4Rietveld定量相分析方法235
思考与练习题237
参考文献237
第9章 点阵常数的精确测定
9.1基本原理238
9.2衍射仪法的主要误差240
9.2.1测角仪引起的误差240
9.2.2试样引起的误差242
9.2.3其他误差243
9.3外推法消除系统误差244
9.3.1外推法原理244
9.3.2外推函数的选择245
9.3.3外推判据246
9.3.4柯亨最小二乘法248
思考与练习题249
参考文献249
第10章 宏观应力的测定
10.1基本原理250
10.1.1应力-应变关系250
10.1.2X射线衍射方法测定应力的原理252
10.1.3表面应力状态的确定254
10.1.4用X射线衍射方法测定应力的特点254
10.2衍射仪法测定宏观应力256
10.2.1基本方法257
10.2.2半聚焦法测应力258
10.2.3平行光束法测应力258
10.2.4边倾斜法测应力259
10.2.5应力测试实例260
思考与练习题261
参考文献261
第11章 微晶尺寸与微观应力的测定
11.1微晶尺寸的测定262
11.1.1微晶引起的宽化效应262
11.1.2微晶尺寸的计算263
11.1.3微晶尺寸的确定264
11.2微观应力的测定266
11.2.1微观应力的倒易空间描述267
11.2.2微观应力的计算268
11.2.3微观应力的测定实例269
11.3微晶宽化和微观应力宽化的分离269
11.3.1近似函数法270
11.3.2傅里叶分析法272
11.3.3方差分解法277
思考与练习题278
参考文献278
第12章 织构的测定
12.1织构及其表示方法279
12.1.1织构与织构的分类279
12.1.2织构的表示方法281
12.2正极图的获得286
12.2.1照相法测正极图286
12.2.2衍射仪法测正极图289
12.3反极图的获得与分析297
12.3.1反极图的获得297
12.3.2反极图数据的归一化处理300
12.3.3各向异性的计算303
12.4极分布图的测定305
12.4.1极分布图305
12.4.2极分布图的测定305
12.4.3回摆曲线的测定307
思考与练习题307
参考文献308
第13章 薄膜材料分析
13.1概述309
13.2薄膜分析中的常用X射线方法310
13.2.1常规粉末衍射法310
13.2.2掠入射X射线衍射310
13.2.3小角X射线散射312
13.2.4双晶衍射仪313
13.3掠入射X射线衍射313
13.3.1掠入射X射线衍射全反射314
13.3.2多层膜结构对X射线的反射317
13.3.3薄膜性质对X射线反射率的影响318
13.3.4X射线反射测定薄膜厚度321
13.4薄膜生长取向的测定322
13.4.1Φ扫描322
13.4.2薄膜材料中极图的测定323
思考与练习题324
参考文献325
第14章 高分子材料分析
14.1高分子材料概述326
14.1.1高分子晶体的特点326
14.1.2高分子链段的组成及其堆砌结构328
14.1.3高分子聚合物晶体结构模型329
14.2高分子聚合物结晶度的测定331
14.2.1基本原理331
14.2.2作图法331
14.2.3Ruland法333
14.2.4拟合分峰法335
14.2.5回归线法337
14.3高分子材料的小角X射线散射338
14.3.1基本原理339
14.3.2小角散射强度公式340
14.3.3小角散射的实验技术与方法348
14.3.4Guinier作图法352
思考与练习题353
参考文献353
第15章 非晶材料分析
15.1非晶态及其结构描述354
15.1.1非晶态354
15.1.2径向分布函数356
15.2单原子系统的径向分布函数357
15.2.1原子径向分布函数的表达式357
15.2.2液体钠的径向分布函数359
15.3多元非晶系统的径向分布函数360
15.3.1径向分布函数的有效电子密度表示法360
15.3.2多元系统的全径向分布函数与偏径向分布函数362
15.4径向分布函数实验数据的处理366
15.4.1实验数据的获得366
15.4.2实验数据的处理367
15.4.3径向分布函数的获得370
15.5测试实例371
15.5.1Gd�睩e系的径向分布函数371
15.5.2炭黑的径向分布函数372
思考与练习题374
参考文献374
第16章 同步辐射的应用
16.1同步辐射X射线源375
16.1.1同步辐射概述375
16.1.2同步辐射光源的发展过程377
16.1.3同步辐射装置的现状378
16.2X射线吸收精细结构379
16.2.1XAFS基本原理379
16.2.2近边谱(XANES)381
16.2.3扩展谱(EXAFS)384
思考与练习题386
参考文献387
附录
1.国际相对原子质量表388
2.晶体结构资料389
3.某些化合物和固溶体的晶体结构392
4.某些元素的特征谱与吸收限波长393
5.钨的特征L谱线394
6. Kα双线分离度(θα2-θα1)395
7.质量吸收系数和密度397
8.原子散射因子f399
9.原子散射因子在吸收限近旁的减小值Δf402
10.洛伦兹-偏振因子1+cos22θ/sin2θcosθ402
11.德拜-瓦洛温度因子e-(Bsin2θ)/λ2405
12.米勒指数的二次式405
13.晶面间距与点阵参数的关系406
14.常用矢量关系与有关公式的证明407
15.高聚物结晶度计算公式反校正因子408
16.聚芳醚酮类聚合物(PAEKs)结晶度计算公式410

前言/序言

利用X射线衍射对材料进行分析，是人们认识物质微观结构的重要途径和权威方法之一。自1912年劳厄发现晶体X射线衍射以来，X射线已被迅速用于单晶材料与多晶材料的结构分析之中。近年来，随着认识的深入、设备的发展和分析技术的进步，X射线衍射技术被广泛应用于材料微结构分析的各个方面，如物相分析，点阵参数测定，宏观残余应力、微观应力与微晶尺寸的测定，织构表征，高分子与非晶物质的分析，薄膜、纤维等低维材料的分析等，为X射线衍射技术增添了更为强大的生命力，使其在材料科学、物理、化学、生物、制药、信息等领域发挥着不可替代的作用。
本书从X射线衍射技术的应用原理出发，介绍了X射线技术的发展历程与X射线的基本性质以及X射线衍射的晶体学基础，详细阐述了X射线与物质作用发生散射的相关理论，进而推导出X射线衍射的理论强度，并基于作者及其合作者多年来在教学与研究工作中的认识与体会，分章节介绍了X射线衍射技术在实际材料分析过程中的应用原理与实例，以期对读者掌握X射线衍射技术的相关理论、从事相关的分析工作有所帮助。
全书共16章。第1章为绪论，介绍X射线衍射技术的发展历程与应用背景；第2章为X射线的基本性质，包括X射线的波粒二象性、X射线的产生和谱学特性以及与物质的相互作用等；第3章为晶体学基础，为探讨X射线在晶体中的衍射现象提供基本的晶体学知识；第4章为X射线的散射、干涉与衍射，为整个X射线衍射的核心理论基础，详细阐述了X射线与物质发生相互作用时的散射强度与方向，推导出干涉方程、布拉格定律以及点阵消光规律；第5章为衍射线的强度分析，包括实际小晶体和多晶体衍射强度的分析以及实际实验中影响衍射强度的因素；第6章为多晶体衍射信息的获取方法，包括早期应用的德拜法的分析原理与过程，后续发展并广泛应用的衍射仪的原理与构造，多晶衍射的制样和测试过程，以及衍射信息的处理与校正；第7章为单晶体衍射信息的获取方法，阐述了劳厄法获取单晶衍射信息的原理、过程与应用，并结合技术的发展，介绍了用于单晶衍射分析的四圆单晶衍射仪以及二维面探测器；第8章为物相分析，介绍了定性相分析、定量相分析以及计算机进行全谱拟合和结构精修的原理与过程；第9章为点阵常数的测定，阐明了点阵常数测定的基本原理，并讨论了衍射仪法的误差来源与消除方法；第10章为宏观应力的测定，分析了宏观应力的测试原理和衍射仪法测试的过程；第11章为微晶尺寸与微观应力的测定，包含测定微晶尺寸和微观应力的方法以及二者对衍射线贡献的分离方法；第12章为织构的测定，介绍了织构的表征方式与测试过程；第13章为薄膜材料分析，介绍了针对薄膜样品所发展出来的一系列测试方法；第14章为高分子材料分析，分析了X射线衍射技术在高分子材料结构分析中的应用；第15章为非晶材料分析，介绍了非晶材料X射线散射分析的原理与过程；第16章为同步辐射的应用，以实际研究为例，介绍了同步辐射技术在材料分析中的应用。
本书的撰写得到了国内材料科学许多专家学者的参与和支持，其中包括清华大学曾飞副教授、宋成副教授、刘雪静博士。此外，须感谢王英华先生等编著的《X光衍射技术基础》一书为本书的编著提供了诸多参考，同时也要感谢清华大学材料科学与工程研究院中心实验室的陶琨先生、苗伟副教授为本书提供了不少的素材与数据，给予我们很大的支持。刘雪静博士、博士生李凡等为本书的审稿和编辑做出重大贡献。
本书介绍的部分研究成果是作者及其合作者在“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金、教育部重大项目、清华大学教改项目的大力支持下完成的。作者在此谨向所有给予支持的学者、朋友致以诚挚的感谢。
由于对内容的理解有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。

编者
2016年6月

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