x射線晶體衍射(x射線衍射法的原理)

1.x射線衍射法的原理

原理：將具有一定波長(zhǎng)的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時(shí)，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。

波長(zhǎng)λ可用已知的X射線衍射角測(cè)定，進(jìn)而求得面間隔，即結(jié)晶內(nèi)原子或離子的規(guī)則排列狀態(tài)。將求出的衍射X射線強(qiáng)度和面間隔與已知的表對(duì)照，即可確定試樣結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，此即定性分析。從衍射X射線強(qiáng)度的比較，可進(jìn)行定量分析。

擴(kuò)展資料

x射線衍射法的社會(huì)背景：

自1912年勞厄等發(fā)現(xiàn)硫酸銅晶體的衍射現(xiàn)象的100年間，X射線衍射這一重要探測(cè)手段在人們認(rèn)識(shí)自然、探索自然方面，特別在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、生命醫(yī)學(xué)、化學(xué)化工、地學(xué)、礦物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)、歷史學(xué)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用，新的領(lǐng)域不斷開(kāi)拓、新的方法層出不窮。

特別是同步輻射光源和自由電子激光的興起，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(shù)、X射線吸收結(jié)構(gòu)、共振非彈性X射線衍射、同步輻射X射線層析顯微技術(shù)等。這些新型X射線衍射探測(cè)技術(shù)必將給各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域注入新的活力。

參考資料來(lái)源：搜狗百科-X射線衍射方法

2.X射線衍射的原理

1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程：

2d sinθ=nλ

式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角）入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面上時(shí)，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。布拉格方程簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)（選用固定波長(zhǎng)的特征X射線），采用細(xì)粉末或細(xì)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角符合布拉格方程條件的反射面得到反射，測(cè)出θ后，利用布拉格方程即可確定點(diǎn)陣晶面間距、晶胞大小和類型；根據(jù)衍射線的強(qiáng)度，還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(lè)（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)。而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變），以輻射束的波長(zhǎng)作為變量來(lái)保證晶體中一切晶面都滿足布拉格方程的條件，故選用連續(xù)X射線束。如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體，則在測(cè)定出衍射線的方向θ后，便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù)，可用于分析金屬和合金的成分。

3.晶體的x射線衍射

布拉格條件：

2d sin θ = nλ，

式中，λ為X射線的波長(zhǎng)，λ=1.54056 ?，

衍射的級(jí)數(shù)n為任何正整數(shù)；

d和θ是對(duì)應(yīng)的一組數(shù)據(jù)；當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角，又稱為布拉格角）入射到晶體或部分晶體樣品的某一具有點(diǎn)陣平面間距d的原子面上時(shí)，就能滿足布拉格方程或者布拉格條件，從而產(chǎn)生三維衍射，衍射強(qiáng)度用感光照片或者閃爍接收器等進(jìn)行接收、從而獲得一組X射線粉末衍射圖或資料。

正如你說(shuō)，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，但是布拉格、勞厄等簡(jiǎn)化了這個(gè)問(wèn)題。在對(duì)衍射原理進(jìn)行討論或者對(duì)衍射譜圖進(jìn)行解析的過(guò)程中，引入了晶面間距d和衍射指數(shù)n的概念，于是使問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化。當(dāng)把衍射指數(shù)指標(biāo)化后，在布拉格方程中，一般可只取n=1，即都把衍射峰看作某晶面的一級(jí)衍射峰。 如440衍射斑點(diǎn)或衍射峰可以解析為110晶面的4級(jí)衍射貢獻(xiàn)、或者220晶面的2級(jí)衍射貢獻(xiàn)、或者440晶面的1級(jí)衍射貢獻(xiàn)；待到指標(biāo)化后，它只被看作440晶面的一級(jí)衍射。如此類推。

4.x射線衍射的原理及可以解決的問(wèn)題

X射線衍射原理及應(yīng)用介紹 特征X射線及其衍射 X射線是一種波長(zhǎng)很短（約為20~0.06 nm）的電磁波，能穿透一定厚度的物質(zhì)，并能使熒光物質(zhì)發(fā)光、照相乳膠感光、氣體電離。

在用電子束轟擊金屬“靶”產(chǎn)生的X射線中，包含與靶中各種元素對(duì)應(yīng)的具有特定波長(zhǎng)的X射線，稱為特征（或標(biāo)識(shí)）X射線?？紤]到X射線的波長(zhǎng)和晶體內(nèi)部原子間的距離（10^(-8)cm）相近，1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄（M.von Laue）提出一個(gè)重要的科學(xué)預(yù)見(jiàn)：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束 X射線通過(guò)晶體時(shí)將會(huì)發(fā)生衍射；衍射波疊加的結(jié)果使射線的強(qiáng)度在某些方向上增強(qiáng)、而在其它方向上減弱；分析在照相底片上獲得的衍射花樣，便可確定晶體結(jié)構(gòu)。

這一預(yù)見(jiàn)隨后為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式——布拉格定律： 2d sinθ=nλ，式中，λ為X射線的波長(zhǎng)，衍射的級(jí)數(shù)n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角，又稱為布拉格角）入射到某一具有d點(diǎn)陣平面間距的原子面上時(shí)，在滿足布拉格方程時(shí)，會(huì)在反射方向上獲得一組因疊加而加強(qiáng)的衍射線。 應(yīng)用： 1、當(dāng)X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)（選用固定波長(zhǎng)的特征X射線），采用細(xì)粉末或細(xì)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(cè)出θ后，利用布拉格公式即可確定點(diǎn)陣平面間距d、晶胞大小和晶胞類型； 2、利用X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(lè)（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)，測(cè)定衍射線的強(qiáng)度，就可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。 3、而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變），以輻射線束的波長(zhǎng)λ作為變量來(lái)保證晶體中一切晶面都滿足布拉格條件，故選用連續(xù)X射線束。

再把結(jié)構(gòu)已知晶體（稱為分析晶體）用來(lái)作測(cè)定，則在獲得其衍射線方向θ后，便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)λ，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。這便是X射線譜術(shù)，可用于分析金屬和合金的成分。

4、X射線衍射在金屬學(xué)中的應(yīng)用 X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后，很快被用于研究金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了許多具有重大意義的結(jié)果。如韋斯特格倫（A.Westgren）(1922年)證明α、β和δ鐵都是體心立方結(jié)構(gòu)，β-Fe并不是一種新相；而鐵中的α—→γ相轉(zhuǎn)變實(shí)質(zhì)上是由體心立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄w，從而最終否定了β-Fe硬化理論。

隨后，在用X射線測(cè)定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在相圖測(cè)定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對(duì)超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了對(duì)合金中有序無(wú)序轉(zhuǎn)變的研究；對(duì)馬氏體相變晶體學(xué)的測(cè)定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對(duì)鋁銅合金脫溶的研究等等。

目前 X射線衍射（包括X射線散射）已經(jīng)成為研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。 在金屬中的主要應(yīng)用有以下方面： （1）物相分析 是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，又分為定性分析和定量分析。

定性分析是把對(duì)待測(cè)材料測(cè)得的點(diǎn)陣平面間距及衍射強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據(jù)衍射花樣的強(qiáng)度，確定待測(cè)材料中各相的比例含量。 （2）精密測(cè)定點(diǎn)陣參數(shù) 常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的繪制。

溶解度的變化往往引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化；當(dāng)達(dá)到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點(diǎn)陣常數(shù)的變化。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為溶解限。

另外點(diǎn)陣常數(shù)的精密測(cè)定可獲得單位晶胞原子數(shù)，從而可確定固溶體類型；還可以計(jì)算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。 （3）取向分析 包括測(cè)定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（如擇優(yōu)取向）。

測(cè)定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過(guò)程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也與取向的測(cè)定有關(guān)。

（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測(cè)定 由衍射花樣的形狀和強(qiáng)度可計(jì)算晶粒和微應(yīng)力的大小。在形變和熱處理過(guò)程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。

（5）宏觀應(yīng)力的測(cè)定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機(jī)器零件的使用壽命。利用測(cè)定點(diǎn)陣平面在不同方向上的間距的改變，可計(jì)算出殘留應(yīng)力的大小和方向。

（6）對(duì)晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對(duì)層錯(cuò)、位錯(cuò)、原子靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地偏離平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（見(jiàn)晶體缺陷）。 （7）合金相變 包括脫溶、有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。

（8）結(jié)構(gòu)分析 對(duì)新發(fā)現(xiàn)的合金相進(jìn)行測(cè)定，確定點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣參數(shù)、對(duì)稱性、原子位置等晶體學(xué)數(shù)據(jù)。 （9）液態(tài)金屬和非晶態(tài)金屬 研究非晶態(tài)金屬和液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)，如測(cè)定近程序參量、配位數(shù)等。

（10）特殊狀態(tài)下的分析 在高溫、低溫和瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)分析。 此外，小角度散射用于研究電子濃度不均勻區(qū)的形狀和大小，X射線形貌術(shù)用于研究近完整晶體中的缺陷如位錯(cuò)線等，也得到了重視。

X射線分析的新發(fā)展 金屬X射線分析由于設(shè)備和技術(shù)的普及已逐步變成金屬研究和材料測(cè)試的常規(guī)方法。早期多用照相法，這種方法費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，強(qiáng)度測(cè)量的精確度低。

50年代初問(wèn)世的計(jì)數(shù)器衍射儀法。

5.x射線衍射的物理原理

x射線衍射原理1913年英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在勞厄發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，不僅成功地測(cè)定了NaCl、KCl等的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了作為晶體衍射基礎(chǔ)的著名公式──布拉格方程：2d sinθ=nλ式中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為任何正整數(shù)。

當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角）入射到某一點(diǎn)陣晶格間距為d的晶面上時(shí)，在符合上式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線。布拉格方程簡(jiǎn)潔直觀地表達(dá)了衍射所必須滿足的條件。

當(dāng) X射線波長(zhǎng)λ已知時(shí)（選用固定波長(zhǎng)的特征X射線），采用細(xì)粉末或細(xì)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角符合布拉格方程條件的反射面得到反射，測(cè)出θ后，利用布拉格方程即可確定點(diǎn)陣晶面間距、晶胞大小和類型；根據(jù)衍射線的強(qiáng)度，還可進(jìn)一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。這便是X射線結(jié)構(gòu)分析中的粉末法或德拜-謝樂(lè)（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)。

而在測(cè)定單晶取向的勞厄法中所用單晶樣品保持固定不變動(dòng)（即θ不變），以輻射束的波長(zhǎng)作為變量來(lái)保證晶體中一切晶面都滿足布拉格方程的條件，故選用連續(xù)X射線束。如果利用結(jié)構(gòu)已知的晶體，則在測(cè)定出衍射線的方向θ后，便可計(jì)算X射線的波長(zhǎng)，從而判定產(chǎn)生特征X射線的元素。

這便是X射線譜術(shù)，可用于分析金屬和合金的成分。