X射线单晶衍射与粉晶衍射在矿物分析中的对比

时 伟

(石家庄经济学院地球动力研究所)

X射线单晶衍射与粉晶衍射在矿物分析中的对比

时 伟

(石家庄经济学院地球动力研究所)

以方解石样品的X射线衍射试验为例，分析单晶衍射与粉晶衍射在矿物分析中的优劣。分析结果显示：单晶衍射比较适合对结晶颗粒较大、成分较纯净的样品进行测定；粉晶衍射对测定颗粒细小、成分不太纯净的样品能更好的反映待测样品的成分及杂质成分。

X射线衍射 单晶衍射 粉晶衍射 矿物分析

1895年伦琴发现X射线[1]，直到1912年在劳厄领导下取得实验的成功[2]，而今X射线衍射技术已经发展的相当成熟。X射线衍射是现代岩矿测试中重要的技术手段和科学方法之一，是进行矿物研究最方便、最重要的手段，在现代岩矿测试中被广泛使用。为此，通过方解石的单晶衍射和粉晶衍射试验，对比2种技术在矿物分析中的优劣，为人们今后在选择2种测试方法进行岩矿测试时提供参考。

1 X射线单晶衍射

1.1 单晶衍射的原理

单晶衍射是人们在原子、分子水平上认识和了解物质的手段之一[3]，通过测定晶体的结构来了解物质的性质，为人类科学的发展提供基础。本文采用的单晶衍射仪的工作原理为周转体法，即以单色X射线照射转动的单晶样品，并用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线，在底片上形成分立的衍射斑[4-5]。

1.2 样品与测试

试验采用的方解石样品为白色，玻璃光泽，自形、粒状结构，部分为晶簇状，粒度为1～3 mm。挑选自形程度高、晶簇状方解石制靶，然后进行单晶衍射。试验所用仪器及测试条件：SMART APEX-CCD 单晶衍射仪，MoKα辐射，管电压45 kV，管电流35 mA，旋转图方式，每帧曝光60 s，每帧ω间隔10°，扫面范围3.2°～60.3°。

1.3 结果分析

方解石样品的单晶衍射分析结果显示：置信度阈值为0.9，总波峰28个，匹配波峰26个；其中，匹配强峰14个(见图1)，方解石中含有Mg元素。

图1 方解石的X射线单晶衍射谱图

由图1可见，方解石样品的单晶衍射谱图几乎接近方解石的标准谱图，说明测试样品几乎全部由方解石组成。但是，在方解石样品特征峰1.887 8、1.511 2处出现了微弱的峰，说明方解石中含有杂质，根据测试结果中含有Mg元素，因此判定杂质成分可能为MgCO3。

从上述试验可以看出，单晶衍射在对结晶颗粒较大、成分较纯净的方解石样品测定时，一方面能够准确的测定待测矿物的特征峰，并精确确定其成分；另一方面能够较准确的测出待测矿物内部所含杂质的成分。

在单晶衍射测试过程中，首先需要寻找晶形较好的颗粒进行制靶，然后再利用单晶衍射仪进行试验。对于结晶颗粒较小、不能分离出可制靶颗粒的样品就不能进行此试验。因此，微细颗粒样品的测试制约着单晶衍射法的应用。

2 X射线粉晶衍射

2.1 粉晶衍射的原理

粉晶射线衍射自发明以来对矿物岩石方面的应用研究具有重要意义[6]。试验使用的粉晶衍射仪的工作原理是：衍射仪采用具有一定发散度的入射线照射粉末样品，底片与样品处于同一圆周上，由于同一圆周上的同弧圆周角相等，使得多晶样品中的等同晶面的衍射线在底片上聚焦成一点或一条线，聚焦圆半径随2θ的变化而变化[7-8]。

2.2 样片和测试

试验采用的方解石样品为白色，玻璃光泽，他形，粒状结构，粒度小于0.1 mm，将其清洗干净并风干后制成粉末，200目粉晶20 mg，然后进行粉晶衍射分析。试验所用仪器及试验条件：D/max-RC粉晶衍射仪，CuKα辐射，管电压40 kV，管电流200 mA，连续扫描，扫描速度2θ为8°/min，扫面范围3°～70°。

2.3 结果分析

通过表1中方解石样品的粉晶衍射数据与方解石JCPDS标准衍射数据对照，方解石的JCPDS标准衍射数据在样品的数据中均有体现，且存在部分多余数据，这可能是由于样品中存在杂质所致。

表1 方解石样品与方解石标准的X射线粉晶衍射数据

图2反映方解石样品的粉晶衍射谱图，图中除方解石样品的特征强峰(表1)外，还出现了多个异常特征峰。其中，在特征峰位置0.248 1，0.187 3，0.147 1 nm处的多个较强异常峰，说明方解石中含有部分杂质。虽然方解石样品中有杂质存在，图2也能较好的表现了方解石样品的粉晶衍射谱图。

粉晶衍射试验中的异常特征峰出现的原因，一方面由于样品颗粒细小，内部原本就包裹有杂质成分；另一方面可能是在对样品进行研磨时，由于器材或其他原因导致杂质成分掺杂到样品中。在粉晶衍射试验中，杂质成分可以通过粉晶衍射数据处理软件分析得出。

图2 方解石的X射线粉晶衍射谱图(↓指示异常特征峰)

从方解石的粉晶衍射试验可以看出，虽然试验中方解石样品结晶颗粒细小，且还存在部分杂质的成分，粉晶衍射试验能较准确的测出样品的主要成分为方解石，对杂质成分也有表现。

3 结 语

(1)X射线单晶衍射比较适合对结晶颗粒较大、成分较纯净的样品进行测定。一方面能够准确的测定待测矿物的特征峰，并精确确定其成分；另一方面能够较准确的测出待测矿物内部所含杂质成分。

(2)X射线粉晶衍射试验对测定颗粒细小、成分不太纯净的样品能更好的反映待测样品的成分及杂质成分。

[1] 许顺生．X射线衍射学进展[M].北京：科学出版社，1985.

[2] 南京大学地质学矿物岩石学教研室编．粉晶X射线物相分析[M].北京：地质出版社，1980.

[3] 王哲明，严纯华．单晶X射线衍射技术的进展评述[J]．现代仪器，2001(6)：1-8.

[4] 杨于兴．X射线衍射分析[M]．上海：上海交通大学出版社，1989．

[5] 李国武，熊 明，施倪承，等．SMART APEX CCD X射线单晶衍射仪的粉晶衍射新技术及应用[J].地学前缘，2003，2(10)：492-493．

[6] 廖立兵，李国武，蔡元峰．粉晶X射线衍射在矿物岩石学研究中的应用[J]．物理，2007，36(6)：460-464．

[7] 胡林彦，张庆军，沈 毅．X射线衍射分析的实验方法及其应用[J]．河北理工学院学报，2004，26(3)：83-86．

[8] 左演声．材料现代分析方法[M]．北京：北京工业大学出版社，2000．

[9] 马红艳，崔福斋．淡水珍珠中球文石的XRD谱[J]．矿物学报，2003，23(4)：371-373．

[10] 张 妮，郭继春，张学云，等．淡水珍珠中文石球粒的发现与成珠机制探讨[J]．矿物学报，2005，25(3):307-311．

2015-08-06)

时 伟(1989—)，男，硕士研究生，050031 河北省石家庄市裕华区槐安东路136号。