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序
目次
商品簡介
《X射線衍射理論與實踐》(Ⅰ)介紹了X射線衍射學的基礎理論和粉末X射線衍射的原理、儀器測試技術和資料處理方法。主要內容包括X 射線的產生和性質、晶體學基礎、X 射線衍射幾何與衍射強度理論,並介紹了各種X射線衍射實驗方法和資料處理方法,包括X射線衍射儀和資料獲取方法、資料的基本處理方法、物相定性分析、物相定量方法、結晶度計算方法、指標化與晶胞參數精修、微結構分析。針對每種應用都闡述了實驗原理、數學基礎、實驗方法和操作應用與實踐。
為活躍教學方法和提升教學質量,每章後提供練習,可用於課堂討論與課後實踐。所有練習在書後都附有討論提綱和參考答案。
本書配有教學PPT,其中的教學實例和操作實踐提供了原始資料和操作視頻連結,可直接在課堂上放映,或自學使用。
《X射線衍射理論與實踐》(Ⅰ)全書內容和應用實例涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、化學、化工、物理、地質、礦冶工程等學科領域,可作為這些專業本科生、研究生的教學用書,對於從事X射線衍射工作的技術人員和科研工作者也是很好的參考工具書。
為活躍教學方法和提升教學質量,每章後提供練習,可用於課堂討論與課後實踐。所有練習在書後都附有討論提綱和參考答案。
本書配有教學PPT,其中的教學實例和操作實踐提供了原始資料和操作視頻連結,可直接在課堂上放映,或自學使用。
《X射線衍射理論與實踐》(Ⅰ)全書內容和應用實例涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、化學、化工、物理、地質、礦冶工程等學科領域,可作為這些專業本科生、研究生的教學用書,對於從事X射線衍射工作的技術人員和科研工作者也是很好的參考工具書。
作者簡介
黃繼武，中南大學材料科學與工程學院，教授，擔任本科生和研究生《X射線衍射及應用》課程教學20年，X射線衍射實驗教學20年。
作為項目負責人承擔廣東省重點研發項目“高端裝備用鋁合金”、湖南省自然科學基金重點項目“硬質合金粘結相”以及廣東省、福建省多項其它課題，以及參加國家自然科學基金、973鋁合金項目等。
為本科生和研究生開設X射線衍射晶體學課程和高等結構分析課程、X射線衍射實驗課程，並經常被邀請為公司使用者培訓X射線衍射應用。
作為項目負責人承擔廣東省重點研發項目“高端裝備用鋁合金”、湖南省自然科學基金重點項目“硬質合金粘結相”以及廣東省、福建省多項其它課題，以及參加國家自然科學基金、973鋁合金項目等。
為本科生和研究生開設X射線衍射晶體學課程和高等結構分析課程、X射線衍射實驗課程，並經常被邀請為公司使用者培訓X射線衍射應用。
序
X 射線衍射技術是研究物質晶體結構及其變化規律的主要手段，是材料結構表徵技術的重要組成部分，是材料科學工作者必須掌握的基本知識與科研工具。
本書內容和應用實例涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、化學、化工、物理、地質、礦冶工程等學科領域，可作為這些專業本科生、研究生的教學用書，在教學過程中除基礎理論部分外可選擇學習與專業相關的內容和實例操作。本書對於從事X 射線衍射工作的技術人員和科研工作者來說也是很好的參考工具書。
《X 射線衍射理論與實踐》分Ⅰ、Ⅱ兩個分冊。兩冊書的內容包括：X 射線衍射學的基礎理論和粉末X 射線衍射的原理、儀器、測試技術和資料處理方法。在基礎理論部分，系統闡述了X射線的產生和性質、晶體學基礎、X 射線衍射幾何與衍射強度理論，並介紹了X 射線衍射實驗方法及資料獲取和處理方法。在應用實踐方面，介紹了X 射線物相定性分析、物相定量分析、結晶度計算方法、指標化與晶胞參數精修、微結構分析、宏觀內應力測量、織構的測定與分析以及非晶態物質結構的X 射線衍射分析。針對每種應用都闡述了實驗原理、實驗方法和操作應用與實踐。書中還詳細闡述了Rietveld 全譜擬合精修原理、數學基礎和精修方法，並通過實例操作全面闡述了精修方法在材料研究中的應用。
本書第5 章和第6 章由中南大學機電工程學院黃田田老師編寫，其餘各章由材料科學與工程學院黃繼武教授和李周教授共同編寫，全書內容由黃田田老師進行了校核。
中南大學材料科學與工程學院“材料結構分析”國家級精品課程教學團隊一直致力於提高“材料結構分析”課程的教學水準。本書在編寫過程中得到團隊成員和學校、學院領導的鼓勵和指導，在此表示衷心感謝! 全書由在材料結構表徵領域卓有成就的湖南大學材料科學與工程學院周靈平教授審閱，在此對其在百忙中抽出寶貴的時間對全書的審閱表達由衷的感謝! 在本書編寫過程中得到了化學工業出版社和中南大學的支持，在此一併感謝!
由於編者學術水準和認知視野的限制，書中難免存在某些不妥之處，請閱讀者提出寶貴的修改建議，以便在再版時修正。
書中的一些具體實驗方法引用於一些已經發表的專著和文獻，列於書後，但可能存在不詳之處，在此對原作者表示感謝!
本教材中示例使用的資料檔案請掃描下面的二維碼下載。書中相應內容的講解和演示視頻可掃描書中相應二維碼直接播放。
編著者
2020年4月
本書內容和應用實例涵蓋金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、化學、化工、物理、地質、礦冶工程等學科領域，可作為這些專業本科生、研究生的教學用書，在教學過程中除基礎理論部分外可選擇學習與專業相關的內容和實例操作。本書對於從事X 射線衍射工作的技術人員和科研工作者來說也是很好的參考工具書。
《X 射線衍射理論與實踐》分Ⅰ、Ⅱ兩個分冊。兩冊書的內容包括：X 射線衍射學的基礎理論和粉末X 射線衍射的原理、儀器、測試技術和資料處理方法。在基礎理論部分，系統闡述了X射線的產生和性質、晶體學基礎、X 射線衍射幾何與衍射強度理論，並介紹了X 射線衍射實驗方法及資料獲取和處理方法。在應用實踐方面，介紹了X 射線物相定性分析、物相定量分析、結晶度計算方法、指標化與晶胞參數精修、微結構分析、宏觀內應力測量、織構的測定與分析以及非晶態物質結構的X 射線衍射分析。針對每種應用都闡述了實驗原理、實驗方法和操作應用與實踐。書中還詳細闡述了Rietveld 全譜擬合精修原理、數學基礎和精修方法，並通過實例操作全面闡述了精修方法在材料研究中的應用。
本書第5 章和第6 章由中南大學機電工程學院黃田田老師編寫，其餘各章由材料科學與工程學院黃繼武教授和李周教授共同編寫，全書內容由黃田田老師進行了校核。
中南大學材料科學與工程學院“材料結構分析”國家級精品課程教學團隊一直致力於提高“材料結構分析”課程的教學水準。本書在編寫過程中得到團隊成員和學校、學院領導的鼓勵和指導，在此表示衷心感謝! 全書由在材料結構表徵領域卓有成就的湖南大學材料科學與工程學院周靈平教授審閱，在此對其在百忙中抽出寶貴的時間對全書的審閱表達由衷的感謝! 在本書編寫過程中得到了化學工業出版社和中南大學的支持，在此一併感謝!
由於編者學術水準和認知視野的限制，書中難免存在某些不妥之處，請閱讀者提出寶貴的修改建議，以便在再版時修正。
書中的一些具體實驗方法引用於一些已經發表的專著和文獻，列於書後，但可能存在不詳之處，在此對原作者表示感謝!
本教材中示例使用的資料檔案請掃描下面的二維碼下載。書中相應內容的講解和演示視頻可掃描書中相應二維碼直接播放。
編著者
2020年4月
目次
緒 言 1
0.1 X射線衍射是材料結構表徵的重要手段 1
0.2 X射線衍射技術的應用與發展 3
0.3 教學內容與教學方法 7
第1章 X射線的產生和性質 9
1.1 X射線的本質 9
1.2 X射線的產生 10
1.2.1 X射線管 10
1.2.2 同步輻射光源 13
1.3 X射線譜 14
1.3.1 連續X射線譜 14
1.3.2 標識X射線譜 15
1.4 X射線與物質的相互作用 18
1.4.1 X射線的散射 19
1.4.2 X射線的吸收 20
1.4.3 X射線的衰減規律 22
1.4.4 濾波片和實驗波長的選擇 24
1.4.5 X射線的折射 25
1.5 X射線的探測與防護 26
1.5.1 X射線的探測 26
1.5.2 X射線的防護 27
練習 27
第2章 晶體學基礎 29
2.1 晶體結構 29
2.2 晶體結構的點陣空間 30
2.2.1 點陣 30
2.2.2 點陣類型 32
2.3 空間點陣與晶體結構的對應關係 37
2.4 晶面與晶向指數 38
2.4.1 晶面指數 39
2.4.2 晶向指數 40
2.4.3 六方晶系的晶面指數和晶向指數 40
2.4.4 晶面間距 41
2.5 晶體對稱性 42
2.5.1 晶體對稱的基本概念 42
2.5.2 宏觀對稱變換 42
2.5.3 點群 44
2.5.4 微觀對稱變換 45
2.5.5 空間群的概念 47
2.5.6 勞厄群 48
2.6 倒易點陣 48
2.6.1 倒易點陣的定義 49
2.6.2 倒易向量的基本性質 52
2.6.3 晶面間距的計算公式 54
2.6.4 晶面夾角的計算公式 55
2.6.5 倒易點陣與正點陣的指數變換 56
2.7 晶帶 57
2.8 晶體投影 59
2.8.1 球面投影 59
2.8.2 極射赤面投影和吳裡夫網 61
2.8.3 晶帶的極射赤面投影 64
2.8.4 單晶標準投影圖 65
練習 67
第3章 X射線衍射幾何 69
3.1 勞厄方程 69
3.1.1 一維原子列的衍射 69
3.1.2 二維原子列的衍射 71
3.1.3 三維原子列的衍射 71
3.1.4 勞厄方程的討論 72
3.2 布拉格定律 72
3.2.1 布拉格方程的推導 72
3.2.2 布拉格方程的討論 74
3.3 衍射向量方程和厄瓦爾德圖解 77
3.3.1 衍射向量方程 77
3.3.2 衍射方向三種表示方法之間的聯繫 78
3.3.3 衍射向量方程的圖解法 78
3.4 X射線衍射方法 80
3.4.1 X射線衍射方法的發展歷程 80
3.4.2 單晶衍射方法 80
3.4.3 粉末法 84
練習 86
第4章 X射線衍射強度 88
4.1 一個電子對X射線的散射 88
4.2 一個原子對X射線的散射 90
4.2.1 原子散射因數 90
4.2.2 原子散射因數的校正 92
4.3 單胞對X射線的散射 92
4.3.1 結構因數 92
4.3.2 結構因數與系統消光 94
4.4 結構因數與倒易陣點權重 98
4.5 一個小晶體對X射線的散射 100
4.5.1 干涉函數 100
4.5.2 選擇反射區 102
4.5.3 小晶體的衍射積分強度 104
4.6 粉末多晶體衍射的積分強度 106
4.6.1 多重因數 106
4.6.2 角因數 108
4.6.3 溫度因數 108
4.6.4 吸收因數 110
4.6.5 消光效應 112
練習 113
第5章 X射線衍射儀和資料獲取方法 115
5.1 X射線衍射儀的基本組成 115
5.2 測角儀的工作原理 116
5.3 濾波方法 119
5.4 輻射探測器 121
5.5 計數測量中的主要電路 125
5.6 資料獲取參數的選擇 126
5.6.1 掃描方法 126
5.6.2 掃描方式 127
5.7 X射線衍射儀的操作 128
5.7.1 衍射儀的啟動與關機 128
5.7.2 儀器參數設置程式 129
5.7.3 測量參數設置 129
5.8 樣品的製備方法 131
5.8.1 塊體樣品的製備 131
5.8.2 粉末樣品的製備 132
5.8.3 粉末樣品的固定 132
5.8.4 試樣製備注意事項 134
練習 136
第6章 資料的基本處理方法 138
6.1 X射線粉末衍射譜 138
6.2 Jade軟件簡介 140
6.3 Jade的使用者接口 140
6.4 程式設置 145
6.5 讀入資料檔案 148
6.6 建立PDF資料庫檢索檔 150
6.7 基本資料處理方法 151
6.7.1 資料平滑處理 152
6.7.2 背景處理 153
6.7.3 峰頂法定峰 154
6.7.4 圖譜擬合 155
6.8 預覽打印 159
練習 161
第7章 物相定性分析 162
7.1 物相的含義 162
7.2 物相定性分析原理 163
7.3 ICDD PDF卡片 164
7.4 物相分析方法 166
7.5 物相定性分析的實驗方法 168
7.6 物相定性分析的應用 175
7.7 物相定性分析的特點 180
7.8 PDF 資料庫的檢索 181
練習 183
第8章 物相定量方法 184
8.1 質量分數與衍射強度的關係 184
8.2 外標法 185
8.3 內標法 186
8.4 標準添加法 188
8.5 殘餘奧氏體定量方法 190
8.6 RIR法 192
8.7 加內標的RIR法 199
8.8 定量方法的評價 201
練習 202
第9章 結晶度計算方法 204
9.1 結晶度的概念 204
9.2 結晶度計算方法 204
9.3 結晶度計算的應用 206
9.4 其他結晶度計算方法 213
練習 218
第10章 指標化與晶胞參數精修 219
10.1 晶胞參數測量原理與誤差來源 219
10.1.1 晶胞參數測量原理 219
10.1.2 誤差來源 220
10.2 誤差消除方法 222
10.2.1 圖解外推法 222
10.2.2 最小二乘法 223
10.3 晶胞參數精修的應用 225
10.3.1 內標法 225
10.3.2 外標法 227
10.3.3 無標樣法 230
10.3.4 方法選擇與評價 231
10.4 指標化 232
10.4.1 指標化基本原理 232
10.4.2 指標化軟件 234
10.4.3 指標化結果正確性判據 235
10.4.4 指標化方法的應用 236
練習 238
第11章 微結構分析 239
11.1 衍射峰的寬度 239
11.1.1 衍射峰寬度的組成 239
11.1.2 儀器寬度 240
11.1.3 晶粒細化引起的寬度 240
11.1.4 晶格畸變引起的寬化 242
11.2 衍射峰寬度的卷積關係 243
11.2.1 衍射線形的卷積關係 243
11.2.2 積分寬度的卷積關係 244
11.3 微結構求解的傅裡葉變換法 245
11.3.1 物理寬化的傅裡葉變換法求解 245
11.3.2 微結構的傅裡葉求解 247
11.4 微結構求解的近似函數法 252
11.4.1 衍射峰的形狀函數 252
11.4.2 近似函數法計算物理寬度 253
11.4.3 近似函數方法求晶粒尺寸與微觀應變 254
11.5 微結構分析的應用 256
11.5.1 測量儀器半高寬 256
11.5.2 計算晶粒尺寸與微觀應變 257
11.5.3 擬合結果分析 260
練習 262
練習參考答案 263
附錄 289
附錄1 常用基本物理常數 289
附錄2 元素的物理性質 290
附錄3 K系標識譜線的波長、吸收限和激發電壓 291
附錄4 立方晶系晶面(或晶向)間的夾角 294
附錄5 元素的質量衰減係數 297
附錄6 原子散射因數 299
附錄7 洛倫茲偏振因數（1+cos22θ）/（sinθ+cosθ） 304
附錄8 德拜-瓦洛溫度因數 306
附錄9 吸收因數 307
參考文獻 311
0.1 X射線衍射是材料結構表徵的重要手段 1
0.2 X射線衍射技術的應用與發展 3
0.3 教學內容與教學方法 7
第1章 X射線的產生和性質 9
1.1 X射線的本質 9
1.2 X射線的產生 10
1.2.1 X射線管 10
1.2.2 同步輻射光源 13
1.3 X射線譜 14
1.3.1 連續X射線譜 14
1.3.2 標識X射線譜 15
1.4 X射線與物質的相互作用 18
1.4.1 X射線的散射 19
1.4.2 X射線的吸收 20
1.4.3 X射線的衰減規律 22
1.4.4 濾波片和實驗波長的選擇 24
1.4.5 X射線的折射 25
1.5 X射線的探測與防護 26
1.5.1 X射線的探測 26
1.5.2 X射線的防護 27
練習 27
第2章 晶體學基礎 29
2.1 晶體結構 29
2.2 晶體結構的點陣空間 30
2.2.1 點陣 30
2.2.2 點陣類型 32
2.3 空間點陣與晶體結構的對應關係 37
2.4 晶面與晶向指數 38
2.4.1 晶面指數 39
2.4.2 晶向指數 40
2.4.3 六方晶系的晶面指數和晶向指數 40
2.4.4 晶面間距 41
2.5 晶體對稱性 42
2.5.1 晶體對稱的基本概念 42
2.5.2 宏觀對稱變換 42
2.5.3 點群 44
2.5.4 微觀對稱變換 45
2.5.5 空間群的概念 47
2.5.6 勞厄群 48
2.6 倒易點陣 48
2.6.1 倒易點陣的定義 49
2.6.2 倒易向量的基本性質 52
2.6.3 晶面間距的計算公式 54
2.6.4 晶面夾角的計算公式 55
2.6.5 倒易點陣與正點陣的指數變換 56
2.7 晶帶 57
2.8 晶體投影 59
2.8.1 球面投影 59
2.8.2 極射赤面投影和吳裡夫網 61
2.8.3 晶帶的極射赤面投影 64
2.8.4 單晶標準投影圖 65
練習 67
第3章 X射線衍射幾何 69
3.1 勞厄方程 69
3.1.1 一維原子列的衍射 69
3.1.2 二維原子列的衍射 71
3.1.3 三維原子列的衍射 71
3.1.4 勞厄方程的討論 72
3.2 布拉格定律 72
3.2.1 布拉格方程的推導 72
3.2.2 布拉格方程的討論 74
3.3 衍射向量方程和厄瓦爾德圖解 77
3.3.1 衍射向量方程 77
3.3.2 衍射方向三種表示方法之間的聯繫 78
3.3.3 衍射向量方程的圖解法 78
3.4 X射線衍射方法 80
3.4.1 X射線衍射方法的發展歷程 80
3.4.2 單晶衍射方法 80
3.4.3 粉末法 84
練習 86
第4章 X射線衍射強度 88
4.1 一個電子對X射線的散射 88
4.2 一個原子對X射線的散射 90
4.2.1 原子散射因數 90
4.2.2 原子散射因數的校正 92
4.3 單胞對X射線的散射 92
4.3.1 結構因數 92
4.3.2 結構因數與系統消光 94
4.4 結構因數與倒易陣點權重 98
4.5 一個小晶體對X射線的散射 100
4.5.1 干涉函數 100
4.5.2 選擇反射區 102
4.5.3 小晶體的衍射積分強度 104
4.6 粉末多晶體衍射的積分強度 106
4.6.1 多重因數 106
4.6.2 角因數 108
4.6.3 溫度因數 108
4.6.4 吸收因數 110
4.6.5 消光效應 112
練習 113
第5章 X射線衍射儀和資料獲取方法 115
5.1 X射線衍射儀的基本組成 115
5.2 測角儀的工作原理 116
5.3 濾波方法 119
5.4 輻射探測器 121
5.5 計數測量中的主要電路 125
5.6 資料獲取參數的選擇 126
5.6.1 掃描方法 126
5.6.2 掃描方式 127
5.7 X射線衍射儀的操作 128
5.7.1 衍射儀的啟動與關機 128
5.7.2 儀器參數設置程式 129
5.7.3 測量參數設置 129
5.8 樣品的製備方法 131
5.8.1 塊體樣品的製備 131
5.8.2 粉末樣品的製備 132
5.8.3 粉末樣品的固定 132
5.8.4 試樣製備注意事項 134
練習 136
第6章 資料的基本處理方法 138
6.1 X射線粉末衍射譜 138
6.2 Jade軟件簡介 140
6.3 Jade的使用者接口 140
6.4 程式設置 145
6.5 讀入資料檔案 148
6.6 建立PDF資料庫檢索檔 150
6.7 基本資料處理方法 151
6.7.1 資料平滑處理 152
6.7.2 背景處理 153
6.7.3 峰頂法定峰 154
6.7.4 圖譜擬合 155
6.8 預覽打印 159
練習 161
第7章 物相定性分析 162
7.1 物相的含義 162
7.2 物相定性分析原理 163
7.3 ICDD PDF卡片 164
7.4 物相分析方法 166
7.5 物相定性分析的實驗方法 168
7.6 物相定性分析的應用 175
7.7 物相定性分析的特點 180
7.8 PDF 資料庫的檢索 181
練習 183
第8章 物相定量方法 184
8.1 質量分數與衍射強度的關係 184
8.2 外標法 185
8.3 內標法 186
8.4 標準添加法 188
8.5 殘餘奧氏體定量方法 190
8.6 RIR法 192
8.7 加內標的RIR法 199
8.8 定量方法的評價 201
練習 202
第9章 結晶度計算方法 204
9.1 結晶度的概念 204
9.2 結晶度計算方法 204
9.3 結晶度計算的應用 206
9.4 其他結晶度計算方法 213
練習 218
第10章 指標化與晶胞參數精修 219
10.1 晶胞參數測量原理與誤差來源 219
10.1.1 晶胞參數測量原理 219
10.1.2 誤差來源 220
10.2 誤差消除方法 222
10.2.1 圖解外推法 222
10.2.2 最小二乘法 223
10.3 晶胞參數精修的應用 225
10.3.1 內標法 225
10.3.2 外標法 227
10.3.3 無標樣法 230
10.3.4 方法選擇與評價 231
10.4 指標化 232
10.4.1 指標化基本原理 232
10.4.2 指標化軟件 234
10.4.3 指標化結果正確性判據 235
10.4.4 指標化方法的應用 236
練習 238
第11章 微結構分析 239
11.1 衍射峰的寬度 239
11.1.1 衍射峰寬度的組成 239
11.1.2 儀器寬度 240
11.1.3 晶粒細化引起的寬度 240
11.1.4 晶格畸變引起的寬化 242
11.2 衍射峰寬度的卷積關係 243
11.2.1 衍射線形的卷積關係 243
11.2.2 積分寬度的卷積關係 244
11.3 微結構求解的傅裡葉變換法 245
11.3.1 物理寬化的傅裡葉變換法求解 245
11.3.2 微結構的傅裡葉求解 247
11.4 微結構求解的近似函數法 252
11.4.1 衍射峰的形狀函數 252
11.4.2 近似函數法計算物理寬度 253
11.4.3 近似函數方法求晶粒尺寸與微觀應變 254
11.5 微結構分析的應用 256
11.5.1 測量儀器半高寬 256
11.5.2 計算晶粒尺寸與微觀應變 257
11.5.3 擬合結果分析 260
練習 262
練習參考答案 263
附錄 289
附錄1 常用基本物理常數 289
附錄2 元素的物理性質 290
附錄3 K系標識譜線的波長、吸收限和激發電壓 291
附錄4 立方晶系晶面(或晶向)間的夾角 294
附錄5 元素的質量衰減係數 297
附錄6 原子散射因數 299
附錄7 洛倫茲偏振因數（1+cos22θ）/（sinθ+cosθ） 304
附錄8 德拜-瓦洛溫度因數 306
附錄9 吸收因數 307
參考文獻 311
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