$Principles and Applications of Powder Diffraction$

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出版者:

作者:Clearfield, Abraham/ Reibenspies, Joseph/ Bhuvanesh, Nattamai

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2008-10

价格:£ 100.00

装帧:

isbn号码:9781405162227

丛书系列:

图书标签:

粉末衍射
X射线衍射
晶体结构
材料分析
材料科学
固体物理
衍射技术
结构表征
粉末样品
布拉格定律

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具体描述

Powder diffraction is one of the primary techniques used to characterize materials, providing structural information even when the crystallite size is too small for single crystal x-ray diffraction methods.

There has been a significant increase in the application of powder diffraction in recent years, both in research and manufacturing, fuelled by improved instrumentation, data processing and awareness of the information that can be obtained. Powder diffraction allows for rapid, non-destructive analysis of multi-component mixtures without the need for extensive sample preparation. This gives laboratories the ability to quickly analyse unknown materials and perform materials characterization in such fields as chemistry, materials science, geology, mineralogy, forensics, archaeology, and the biological and pharmaceutical sciences.

This book provides a concise introduction to modern powder diffraction methods with particular emphasis on practical aspects. It covers the background theory of diffraction in a form approachable by those with an undergraduate degree. Whilst individual chapters are written as stand alone sections, the text is sufficiently focused so that it can be read in its entirety by the non-specialist who wants to gain a rapid overview of what they can do with modern powder diffraction methods.

晶体学基础：结构、对称与衍射现象的深度探索本书旨在为固体物理、材料科学、化学以及相关工程领域的研究人员和高年级学生提供一个全面、深入且富有启发性的晶体学基础知识体系。它不仅涵盖了描述和理解晶体结构的基本原理，更着重于从理论层面阐释晶体衍射现象的物理本质及其在结构解析中的关键作用，同时也会探讨非周期性结构和高熵材料的挑战性领域。本书的结构设计力求严谨的数学推导与直观的物理图像相结合，确保读者能够牢固掌握核心概念并具备解决实际问题的能力。第一部分：晶体学的基石——周期性与对称性本部分首先为晶体结构分析奠定坚实的理论基础。我们将从最基本的点阵概念出发，详细剖析布拉维点阵的七大晶系和十四种空间点阵，并通过介绍晶胞的概念，特别是如何选择合适的原胞（如原始立方、体心立方、面心立方），来精确描述宏观晶体的周期性。晶面指数与倒易空间的概念引入：米勒指数的定义及其在描述晶体特定方向和平面上的重要性将得到详尽的阐述。随后，本书将过渡到更抽象但至关重要的倒易空间（Reciprocal Lattice）。倒易空间的几何性质、如何从实空间晶胞参数推导出倒易空间基矢，以及倒易格点与布拉格衍射条件的内在联系，是本部分的核心内容。我们将利用倒易空间的概念来直观理解衍射强度最大值出现的位置，这为后续的衍射实验分析打下坚实的理论基础。晶体对称性理论的深度解析：对称性是理解晶体性质的另一关键支柱。本书将系统地介绍点群和空间群的理论。我们不仅会枚举所有可能的旋转轴、反射面、反演中心以及滑移面和螺旋轴，还会详细解释这些对称操作是如何在三维空间中组合，形成描述所有晶体结构的230个空间群。本部分将利用群论的初步概念，帮助读者理解对称操作的代数结构，并学习如何通过观察衍射图样中的对称性缺失（Systematic Absences）来初步判断物质所属的空间群。第二部分：原子尺度上的结构描述在掌握了晶格和对称性的基础上，本部分将聚焦于如何精确描述晶体内部原子的排列方式。原子坐标与结构因子：我们将定义晶体结构单元（Unit Cell Contents），即原子在晶胞内的具体位置——分数坐标。基于这些坐标，本书将详细推导结构因子（Structure Factor, $F_{hkl}$）的数学表达式。结构因子是连接原子排列与实验可观测衍射强度的桥梁。我们将分析结构因子中涉及的形式因子（Atomic Form Factor），即单个原子对散射的贡献，以及结构项，即原子在晶胞内的相对位置和相对相位的叠加效应。衍射的物理图像与结构因子计算：本节将深入探讨X射线、中子或电子束与晶体相互作用的物理机制。我们将从弹性散射理论出发，推导出洛伊散射公式（Laue scattering formulation），并阐明布拉格定律（$nlambda = 2dsin heta$）的严格物理意义，即原子波的相干叠加产生极大值。结构因子的计算将分为对称性较好的情况（如立方晶系）和更一般的情况，强调相消干涉和相长干涉在决定最终衍射花样中的作用。晶体缺陷与非完美晶体：理想的晶体结构是理论模型，现实世界中的材料总是包含缺陷。本书将讨论点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）对衍射图样造成的细微但重要的影响。特别是，缺陷如何导致衍射峰的展宽、背底的增加，以及在特定条件下可能出现的非相干散射。第三部分：衍射现象的物理与应用——从理论到数据处理本部分将重点介绍晶体衍射实验的实际操作、数据采集的原理以及结果的解释方法，重点在于理论与实验的无缝衔接。衍射实验技术概述：虽然本书的核心是理论，但会简要概述主要的衍射实验方法，包括粉末衍射（Powder Diffraction）和单晶衍射（Single Crystal Diffraction）的基本原理、几何配置（如Bragg-Brentano几何）以及它们各自的优势与局限性。我们会着重分析衍射峰的形状和位置所包含的信息。衍射图样的精细分析：本书将深入探讨影响衍射峰形状的关键因素： 1. 峰位（Position）：峰位直接对应于晶面间距 $d_{hkl}$，是确定晶胞常数和晶体结构类型的主要依据。 2. 峰强（Intensity）：峰强正比于结构因子模方的平方 $|F_{hkl}|^2$，是确定原子位置的关键。我们将详细讨论如何利用实测强度数据，通过傅里叶变换技术（如直接法或描迹法）来反演电子密度分布。 3. 峰形（Profile）：分析峰的宽度（半高宽，FWHM）是提取晶粒尺寸（通过谢乐公式，Scherrer Equation）和微观应变信息的重要手段。本书将提供拉维（Rietveld）精修方法的基础理论，该方法能够同时拟合峰位、峰形和峰强，从而在粉末数据中提取出详尽的晶体结构参数。结构解析的挑战与高级主题：本书的最后部分将触及现代晶体学研究的前沿。我们将讨论多晶相混合物的结构解析难度，以及如何利用拉维精修（Rietveld Refinement）方法，在混合体系中分离和确定各个相的结构参数。此外，对于类晶体（Quasicrystals）和具有长程有序缺失的新型无序材料，其描述将超越传统的布拉维点阵模型，介绍如何利用广义对称性和超空间群的概念来理解其衍射行为。全书总结：本书的最终目标是培养读者将实验观察到的衍射现象，通过严谨的晶体学理论框架，反向推导出材料在原子尺度上的精确排列和对称性特征的能力。贯穿全书的将是对“结构决定性质”这一核心科学理念的不断印证。