X射線衍射原理|應(yīng)用

衍射是指波遇到障礙物時偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。X射線具有波動特性，波長極短，為幾十到幾百皮米的電磁波，并具有衍射的能力。

X射線衍射的基本原理

1912年，勞厄等人根據(jù)理論預(yù)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(jié)構(gòu)可以成為X射線衍射的“衍射光柵”。當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)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(shù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律。這就是X射線衍射的基本原理。

由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數(shù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

運動學(xué)衍射理論

Darwin的理論稱為X射線衍射運動學(xué)理論。該理論把衍射現(xiàn)象作為三維Frannhofer衍射問題來處理，認(rèn)為晶體的每個體積元的散射與其它體積元的散射無關(guān)，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(xué)理論的根本性假設(shè)并不完全合理。因為散射線在晶體內(nèi)一定會被再次散射，除了與原射線相結(jié)合外，散射線之間也能相互結(jié)合。Darwin不久以后就認(rèn)識到這點，并在他的理論中作出了多重散射修正。

動力學(xué)衍射理論

Ewald的理論稱為動力學(xué)理論。該理論考慮到了晶體內(nèi)所有波的相互作用，認(rèn)為入射線與衍射線在晶體內(nèi)相干地結(jié)合，而且能來回地交換能量。兩種理論對細(xì)小的晶體粉末得到的強度公式相同，而對大塊完整的晶體，則必須采用動力學(xué)理論才能得出正確的結(jié)果。

布拉格方程

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)，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)的公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ

式中d為晶面間距；n為反射級數(shù)；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(jù)。

X射線衍射的應(yīng)用

結(jié)晶度的測定

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

物相分析

物相分析是X射線衍射在金屬中用得Z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(biāo)準(zhǔn)物相的衍射數(shù)據(jù)相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據(jù)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(guān)系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規(guī)程是否合理等方面都得到廣泛應(yīng)用。

精密測定點陣參數(shù)

精密測定點陣參數(shù) 常用于相圖的固態(tài)溶解度曲線的測定。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)的精密測定可得到單位晶胞原子數(shù)，從而確定固溶體類型；還可以計算出密度、膨脹系數(shù)等有用的物理常數(shù)。

X射線衍射儀

基本構(gòu)成

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

(2)高穩(wěn)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(zhì)可改變X射線的波長, 調(diào)節(jié)陽極電壓可控制X射線源的強度。

(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(tǒng)或計算機處理系統(tǒng)可以得到多晶衍射圖譜數(shù)據(jù)。

(4)衍射圖的處理分析系統(tǒng)現(xiàn)代X射線衍射儀都附帶安裝有專用衍射圖處理分析軟件的計算機系統(tǒng), 它們的特點是自動化和智能化。