基本介紹
- 中文名：X射線衍射
- 外文名：X-ray diffraction
- 別名：XRD
- 本質：電磁波
- 波長：約為20～0.06埃
- 套用：對材料進行X射線衍射獲取信息
射線介紹,工作原理,樣品製備,常用軟體,定律由來,定律的條件,人體吸收,防護措施,實際套用,套用價值,套用現狀,物相分析,新發展,資料庫,
射線介紹
X射線是一種波長很短(約為20～0.06埃)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，並能使螢光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中,包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特徵（或標識）X射線。
工作原理
X射線是原子內層電子在高速運動電子的轟擊下躍遷而產生的光輻射，主要有連續X射線和特徵X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數目的粒子（原子、離子或分子）所產生的相干散射將會發生光的干涉作用，從而使得散射的X射線的強度增強或減弱。由於大量粒子散射波的疊加，互相干涉而產生最大強度的光束稱為X射線的衍射線。
布拉格衍射示意圖
布拉格衍射示意圖滿足衍射條件，可套用布拉格公式：2dsinθ=nλ
入射光束（來自圖中左上方）使每個散射體重新輻射其強度的一小部分作為球面波。 如果散射體與間隔d對稱地排列，則這些球面波將僅在它們的路徑長度差2dsinθ等於波長λ的整數倍的方向上同步。 在這種情況下，入射光束的一部分偏轉角度2θ，會在衍射圖案中產生反射點。
套用已知波長的X射線來測量θ角，從而計算出晶面間距d，這是用於X射線結構分析；另一個是套用已知d的晶體來測量θ角，從而計算出特徵X射線的波長，進而可在已有資料查出試樣中所含的元素。
樣品製備
通常定量分析的樣品細度應在45微米左右，即應過325目篩。
常用軟體
有Pcpdgwin，Search match，High score和Jade，比較常用的是後兩種。
High score
（1）可以調用的數據格式更多。
（2）視窗設定更人性化，用戶可以自己選擇。
（3）譜線位置的顯示方式，可以讓你更直接地看到檢索的情況
（4）手動加峰或減峰更加方便。
（5）可以對衍射圖進行平滑等操作，使圖更漂亮。
（6）可以更改原始數據的步長、起始角度等參數。
（7）可以進行0點的校正。
（8）可以對峰的外形進行校正。
（9）可以進行半定量分析。
（10) 物相檢索更加方便，檢索方式更多。
（11）可以編寫批處理命令，對於同一系列的衍射圖，一鍵搞定。
Jade
和Highscore相比自動檢索功能少差，但它有比之更多的功能。
（1）它可以進行衍射峰的指標化。
（2）進行晶格參數的計算。
（3）根據標樣對晶格參數進行校正。
（4）輕鬆計算峰的面積、質心。
（5）出圖更加方便，你可以在圖上進行更加隨意的編輯。
此外，還有Pcpdgwin和searc
定律由來
考慮到X射線的波長和晶體內部原子間的距離(0.3-幾nm)相近，1912年德國物理學家勞厄(M.von Laue)提出一個重要的科學預見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵,即當一束 X射線通過晶體時將發生衍射，衍射波疊加的結果使射線的強度在某些方向上加強，在其他方向上減弱。分析在照相底片上得到的衍射圖樣，便可確定晶體結構。這一預見隨即為實驗所驗證。1913年英國物理學家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在勞厄發現的基礎上,不僅成功地測定了NaCl、KCl等的晶體結構,並提出了作為晶體衍射基礎的著名公式──布拉格定律：
2d sinθ=nλ
式中λ為X射線的波長，n為任何正整數，又稱衍射級數。其上限為以下條件來表示：
nmax=2dh0k0l0/λ，
dh0k0l0<λ/2
只有那些間距大于波長一半的面族才可能給出衍射，以此求納米粒子的形貌。
定律的條件
當X射線以掠角θ(入射角的餘角)入射到某一點陣平面間距為d的原子面上時,在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強的衍射線。布拉格定律簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件。當 X射線波長λ已知時(選用固定波長的特徵X射線)，採用細粉末或細粒多晶體的線狀樣品,可從一堆任意取向的晶體中，從每一θ角符合布拉格條件的反射面得到反射,測出θ後，利用布拉格公式即可確定點陣平面間距、晶胞大小和類型;根據衍射線的強度,還可進一步確定晶胞內原子的排布。這便是X射線結構分析中的粉末法或德拜-謝樂(Debye—Scherrer)法的理論基礎。而在測定單晶取向的勞厄法中，所用單晶樣品保持固定不變動（即θ不變）,以輻射束的波長作為變數來保證晶體中一切晶面都滿足布拉格條件,故選用連續X射線束。如果利用結構已知的晶體，則在測定出衍射線的方向θ後,便可計算X射線的波長，從而判定產生特徵X射線的元素。這便是X射線譜術,可用於分析金屬和合金的成分。
人體吸收
人體哪些部位吸收X射線多
人體組織結構的密度可歸納為三類：屬於高密度的有骨組織和鈣化灶等；中等密度的有軟骨、肌肉等；低密度的有脂肪組織以及存在於呼吸道、胃腸道、鼻竇和乳突內的氣體等。
人體組織結構和器官形態不同，厚度也不一致。其厚與薄的部分，或分界明確，或逐漸移行。厚的部分，吸收X線多，透過的X線少，薄的部分則相反。人體各部位細胞對X射的反應程度不一，其中以性腺最為敏感。輻射能夠引起生殖細胞遺傳物質的變化，形成遺傳效應。這種變化表現為基因突變和染色體畸變。近年來，對輻射的遺傳效應有了一些新的認識，認為在小劑量範圍內對遺傳方面的影響不大。
防護措施
技術方面：
可以採取禁止防護和距離防護原則。
禁止防護是指使用原子序數較高的物質，常用鉛或含鉛的物質，作為屏障以吸收不必要的x線。
距離防護是指利用x線曝射量與距離平方成反比這一原理，通過增加x線源與人體間距離以減少曝射量。
簡單說來，在X線環境中要注意穿戴鉛圍裙、鉛圍脖、鉛帽、鉛眼鏡、鉛手套、鉛面罩及性腺防護等，並利用距離防護原則，加強自我防護。
實際套用
套用價值
X射線衍射現象發現後，很快被用於研究金屬和合金的晶體結構，出現了許多具有重大意義的結果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、γ和δ鐵都是體心立方結構，γ-Fe並不是一種新相;而鐵中的α─→γ轉變實質上是由體心立方晶體轉變為面心立方晶體，從而最終否定了γ-Fe硬化理論。隨後,在用X射線測定眾多金屬和合金的晶體結構的同時，在相圖測定以及在固態相變和範性形變研究等領域中均取得了豐碩的成果。如對超點陣結構的發現，推動了對合金中有序無序轉變的研究，對馬氏體相變晶體學的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關係；對鋁銅合金脫溶的研究等等。
光的衍射
光的衍射套用現狀
目前 X射線衍射(包括散射)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。在金屬中的主要套用有以下方面：
物相分析 是 X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相；後者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關係和檢查材料的成分配比及隨後的處理規程是否合理等方面都得到廣泛套用。
精密測定點陣參數 常用於相圖的固態溶解度曲線的測定。溶解度的變化往往引起點陣常數的變化；當達到溶解限後，溶質的繼續增加引起新相的析出，不再引起點陣常數的變化。這個轉折點即為溶解限。另外點陣常數的精密測定可得到單位晶胞原子數，從而確定固溶體類型；還可以計算出密度、膨脹係數等有用的物理常數。
晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。
巨觀應力的測定 巨觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。
對晶體結構不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態或動態地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見晶體缺陷）。
合金相變 包括脫溶、有序無序轉變、母相新相的晶體學關係，等等。
結構分析 對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。
液態金屬和非晶態金屬 研究非晶態金屬和液態金屬結構，如測定近程式參量、配位數等。
特殊狀態下的分析 在高溫、低溫和瞬時的動態分析。
此外，小角度散射用於研究電子濃度不均勻區的形狀和大小,X射線形貌術用於研究近完整晶體中的缺陷如位錯線等，也得到了重視。
物相分析
對於組成元素未知的單組份化合物或者多組分混合物，直接用XRD進行物相分析是存在一定問題的，由於同族的元素具有相似的性質和晶體結構。造成在同位置出現衍射峰，從而不能確定物相。所以對於未知組成的晶態化合物首先要進行元素的定性分析。
新發展
金屬X射線分析由於設備和技術的普及已逐步變成金屬研究和材料測試的常規方法。早期多用照相法，這種方法費時較長，強度測量的精確度低。50年代初問世的計數器衍射儀法具有快速、強度測量準確，並可配備計算機控制等優點，已經得到廣泛的套用。但使用單色器的照相法在微量樣品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。從70年代以來，隨著高強度X射線源（包括超高強度的旋轉陽極X射線發生器、電子同步加速輻射,高壓脈衝X射線源）和高靈敏度探測器的出現以及電子計算機分析的套用，使金屬 X射線學獲得新的推動力。這些新技術的結合，不僅大大加快分析速度，提高精度，而且可以進行瞬時的動態觀察以及對更為微弱或精細效應的研究。
X射線衍射儀是利用衍射原理,精確測定物質的晶體結構,織構及應力,精確的進行物相分析,定性分析,定量分析.廣泛套用於冶金,石油,化工,科研,航空航天,教學,材料生產等領域.
X射線是波長介於紫外線和γ射線間的電磁輻射。X射線管是具有陰極和陽極的真空管，陰極用鎢絲製成，通電後可發射熱電子，陽極（就稱靶極）用高熔點金屬製成（一般用鎢，用於晶體結構分析的X射線管還可用鐵、銅、鎳等材料）。用幾萬伏至幾十萬伏的高壓加速電子，電子束轟擊靶極，X射線從靶極發出。電子轟擊靶極時會產生高溫，故靶極必須用水冷卻。
XRDX-射線衍射（Wide Angle X-ray Diffraction）主要是對照標準譜圖分析納米粒子的組成，分析粒徑，結晶度等。
套用時應先對所制樣品的成分進行確認。在確定後，查閱相關手冊標準圖譜，以確定所制樣品是否為所得。
資料庫
勞埃利用連續X射線照射硫酸銅單晶體獲得衍射斑點圖就是第一個用於晶體研究的例子，勞埃同時推導勞埃的衍射方程研究晶體結構。從那以後布拉格父子等一批物理學家和化學家利用X射線衍射研究了許多無機物晶體結構；上世紀20年代開展了有機物晶體結構的測定工作，30年代開始利用X射線對胃蛋白酶、胰島素等蛋白質和生物物質晶體結構進行研究。至今經過許多科學工作者的努力，積累了大量的晶體結構數據，現在已經有20多萬種，並在國際上建立了五種主要的晶體學資料庫。
（1）劍橋結構資料庫（The Cambridge Structural Database,CSD）。它有近16萬種X射線或中子衍射測定的三維晶體結構數據（統計到1997年）。該資料庫收集含碳化合物（包括有機物、有機金屬化合物及無機含碳化合物，如碳酸鹽等）的結構數據。有多種檢索方法如：化合物名稱、作者姓名、某些原子基團、整個分子或部分化學結構等。
（2）蛋白質資料庫（The Protein Data Bank,PDB）。該庫開始建立於1971年，建立在美國Brookhaven國家實驗室。現已有127020多個生物大分子的三維結構數據（統計到2017年初）。資料庫中對每個蛋白質晶體列出下列內容：收集的衍射數目、修正方法、偏差數值、已測定水分子位置的數目、蛋白質分子中胺基酸連線次序、螺旋、摺疊層及轉彎的分析、原子坐標參數，以及和蛋白質結合的金屬原子、底物及抑制劑等的坐標參數等。
（3）無機晶體結構資料庫（The Inorganic Crystal Structural Database），建立在德國，約3萬多個無機化合物的結構（不含C—C和C—H鍵的化合物）。
