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：將具有一定波長的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時，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，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。
波長λ可用已知的X射線衍射角測定，進而求得面間隔，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射線強度和面間隔與已知的表對照，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射線強度的比較，可進行定量分析。
擴展資料
x射線衍射法的社會背景：
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手段在人們認識自然、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射線衍射探測技術(shù)必將給各個學(xué)科領(lǐng)域注入新的活力。
參考資料來源：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，n為任何正整數(shù)。
當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角）入射到某一點陣晶格間距為d的晶面上時，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。布拉格方程簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件。當(dāng) X射線波長λ已知時（選用固定波長的特征X射線），采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角符合布拉格方程條件的反射面得到反射，測出θ后，利用布拉格方程即可確定點陣晶面間距、晶胞大小和類型；根據(jù)衍射線的強度，還可進一步確定晶胞內(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（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)。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量來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，則在測定出衍射線的方向θ后，便可計算X射線的波長，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，λ=1.54056 ?，
衍射的級數(shù)n為任何正整數(shù)；
d和θ是對應(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陣平面間距d的原子面上時，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，衍射強度用感光照片或者閃爍接收器等進行接收、從而獲得一組X射線粉末衍射圖或資料。
正如你說，這是一個十分復(fù)雜的問題，但是布拉格、勞厄等簡化了這個問題。在對衍射原理進行討論或者對衍射譜圖進行解析的過程中，引入了晶面間距d和衍射指數(shù)n的概念，于是使問題得到了簡化。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衍射峰。 如440衍射斑點或衍射峰可以解析為110晶面的4級衍射貢獻、或者220晶面的2級衍射貢獻、或者440晶面的1級衍射貢獻；待到指標(biāo)化后，它只被看作440晶面的一級衍射。如此類推。
4.x射線衍射的原理及可以解決的問題
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應(yīng)的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標(biāo)識）X射線。考慮到X射線的波長和晶體內(nèi)部原子間的距離（10^(-8)cm）相近，1912年德國物理學(xué)家勞厄（M.von Laue）提出一個重要的科學(xué)預(yù)見：晶體可以作為X射線的空間衍射光柵，即當(dāng)一束 X射線通過晶體時將會發(fā)生衍射；衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上增強、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)見隨后為實驗所驗證。1913年英國物理學(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，衍射的級數(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點陣平面間距的原子面上時，在滿足布拉格方程時，會在反射方向上獲得一組因疊加而加強的衍射線。 應(yīng)用： 1、當(dāng)X射線波長λ已知時（選用固定波長的特征X射線），采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后，利用布拉格公式即可確定點陣平面間距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（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)，測定衍射線的強度，就可進一步確定晶胞內(nèi)原子的排布。 3、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），以輻射線束的波長λ作為變量來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）用來作測定，則在獲得其衍射線方向θ后，便可計算X射線的波長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射線測定眾多金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)的同時，在相圖測定以及在固態(tài)相變和范性形變研究等領(lǐng)域中均取得了豐碩的成果。如對超點陣結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，推動了對合金中有序無序轉(zhuǎn)變的研究；對馬氏體相變晶體學(xué)的測定，確定了馬氏體和奧氏體的取向關(guān)系；對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。
定性分析是把對待測材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)進行比較，以確定材料中存在的物相；定量分析則根據(jù)衍射花樣的強度，確定待測材料中各相的比例含量。 （2）精密測定點陣參數(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陣常數(shù)的變化；當(dāng)達到溶解限后，溶質(zhì)的繼續(xù)增加引起新相的析出，不再引起點陣常數(shù)的變化。這個轉(zhuǎn)折點即為溶解限。
另外點陣常數(shù)的精密測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 包括測定單晶取向和多晶的結(jié)構(gòu)（如擇優(yōu)取向）。
測定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉(zhuǎn)動等，也與取向的測定有關(guān)。
（4）晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應(yīng)力的測定 由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應(yīng)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。
（5）宏觀應(yīng)力的測定 宏觀殘留應(yīng)力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測定點陣平面在不同方向上的間距的改變，可計算出殘留應(yīng)力的大小和方向。
（6）對晶體結(jié)構(gòu)不完整性的研究 包括對層錯、位錯、原子靜態(tài)或動態(tài)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）。 （7）合金相變 包括脫溶、有序無序轉(zhuǎn)變、母相新相的晶體學(xué)關(guān)系，等等。
（8）結(jié)構(gòu)分析 對新發(fā)現(xiàn)的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數(shù)、對稱性、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、低溫和瞬時的動態(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試的常規(guī)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(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，n為任何正整數(shù)。
當(dāng)X射線以掠角θ（入射角的余角）入射到某一點陣晶格間距為d的晶面上時，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。布拉格方程簡潔直觀地表達了衍射所必須滿足的條件。
當(dāng) X射線波長λ已知時（選用固定波長的特征X射線），采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角符合布拉格方程條件的反射面得到反射，測出θ后，利用布拉格方程即可確定點陣晶面間距、晶胞大小和類型；根據(jù)衍射線的強度，還可進一步確定晶胞內(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（Debye—Scherrer）法的理論基礎(chǔ)。
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量來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，則在測定出衍射線的方向θ后，便可計算X射線的波長，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。
