X射線衍射

1912年，勞厄等人根據理論預見，證實了晶體材料中相距幾十到幾百皮米（pm）的原子是周期性排列的；這個周期排列的原子結構可以成為X射線衍射的“衍射光柵”；X射線具有波動特性， 是波長為幾十到幾百皮米的電磁波，並具有衍射的能力。這一實驗成為X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到晶體時，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有X射線衍射分析相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關，每種晶體所產生的衍射花樣都反映出該晶體內部的原子分配規律。這就是X射線衍射的基本原理。

基本介紹

• 中文名：X射線衍射
• 外文名：diffraction of x-rays
• 發現者：勞厄
• 發現時間：1912年
• 射線名稱：特徵X射線
• 套用領域：物相分析、應力測定

簡介

物質結構的分析儘管可以採用中子衍射、電子衍射、紅外光譜、穆斯堡爾譜等方法，但是X射線衍射是最有效的、套用最廣泛的手段，而且X射線衍射是人類用來研究物質微觀結構的第一種方法。X射線衍射的套用範圍非常廣泛，現已滲透到物理、化學、地球科學、材料科學以及各種工程技術科學中，成為一種重要的實驗方法和結構分析手段，具有無損試樣的優點。

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。在用高能電子束轟擊金屬“靶”材產生X射線，它具有與靶中元素相對應的特定波長，稱為特徵（或標識）X射線。考慮到X射線的波長和晶體內部原子面間的距離相近，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花樣，便可確定晶體結構。這一預見隨即為實驗所驗證。

原理

當一束單色X射線入射到晶體時，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關。這就是X射線衍射的基本原理。

布拉格方程

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，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──布拉格方程：2dsinθ=nλ

式中d為晶面間距；n為反射級數；θ為掠射角；λ為X射線的波長。布拉格方程是X射線衍射分析的根本依據。

運動學衍射理論

Darwin的理論稱為X射線衍射運動學理論。該理論把衍射現象作為三維Frannhofer衍射問題來處理，認為晶體的每個體積元的散射與其它體積元的散射無關，而且散射線通過晶體時不會再被散射。雖然這樣處理可以得出足夠精確的衍射方向，也能得出衍射強度，但運動學理論的根本性假設並不完全合理。因為散射線在晶體內一定會被再次散射，除了與原射線相結合外，散射線之間也能相互結合。Darwin不久以後就認識到這點，並在他的理論中作出了多重散射修正。

動力學衍射理論

Ewald的理論稱為動力學理論。該理論考慮到了晶體內所有波的相互作用，認為入射線與衍射線在晶體內相干地結合，而且能來回地交換能量。兩種理論對細小的晶體粉末得到的強度公式相同，而對大塊完整的晶體，則必須採用動力學理論才能得出正確的結果。

套用

X 射線衍射技術已經成為最基本、最重要的一種結構測試手段，其主要套用主要有以下幾個方面：

物相分析

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。

結晶度的測定

結晶度定義為結晶部分重量與總的試樣重量之比的百分數。非晶態合金套用非常廣泛，如軟磁材料等，而結晶度直接影響材料的性能，因此結晶度的測定就顯得尤為重要了。測定結晶度的方法很多，但不論哪種方法都是根據結晶相的衍射圖譜面積與非晶相圖譜面積決定。

精密測定點陣參數

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。

X射線衍射儀

基本構成

X射線衍射儀基本構成

（1） 高穩定度X射線源　提供測量所需的X射線, 改變X射線管陽極靶材質可改變X射線的波長, 調節陽極電壓可控制X射線源的強度。

（2） 樣品及樣品位置取向的調整機構系統　樣品須是單晶、粉末、多晶或微晶的固體塊。

（3） 射線檢測器　檢測衍射強度或同時檢測衍射方向, 通過儀器測量記錄系統或計算機處理系統可以得到多晶衍射圖譜數據。

（4） 衍射圖的處理分析系統　現代X射線衍射儀都附帶安裝有專用衍射圖處理分析軟體的計算機系統, 它們的特點是自動化和智慧型化。

最新進展

自1912年勞厄等發現硫酸銅晶體的衍射現象的100年間，X射線衍射這一重要探測手段在人們認識自然、探索自然方面，特別在凝聚態物理、材料科學、生命醫學、化學化工、地學、礦物學、環境科學、考古學、歷史學等眾多領域發揮了積極作用，新的領域不斷開拓、新的方法層出不窮，特別是同步輻射光源和自由電子雷射的興起，X射線衍射研究方法仍在不斷拓展，如超快X射線衍射、軟X射線顯微術、X射線吸收結構、共振非彈性X射線衍射、同步輻射X射線層析顯微技術等。這些新型X射線衍射探測技術必將給各個學科領域注入新的活力。