X射线衍射（XRD）技术详解：从实验原理到实际应用
X射线衍射（XRD）技术详解：从实验原理到实际应用
X射线衍射（XRD）是一种重要的材料分析技术，广泛应用于材料科学、药物研发等领域。本文将从实验过程、原理、应用等方面，为您详细介绍这一技术的核心内容。
实验过程
在X射线实验中，样品被放置在仪器中心，并用X射线束照射。X射线管和探测器以同步运动的方式移动，来自样品的信号被记录和绘制下来，其中峰值与样品的原子结构相关。
原理
晶体构成
大多数材料由许多小晶体构成，就像沙滩上的沙子。每个晶体都由规则排列的原子组成。每个原子都由一个被电子云环绕的原子核构成。
X射线波长
X射线是具有重复周期的高能光，称为波长。因为X射线的波长类似于晶体中的原子间距，所以可以利用这种特性来研究晶体结构。
衍射干涉效应
当X射线遇到原子时，其能量被电子吸收。由于没有足够的能量释放电子，能量必须以一种新的X射线的形式重新发射，其能量与原始能量相同。这个过程称为弹性散射。
布拉格定律
晶体间距d
在晶体中，重复排列的原子形成由明确的距离分隔的不同平面。
散射角度θ
当原子平面暴露于X射线束时，X射线会被规则间隔的原子散射。在非常特定的角度下，散射波会发生相干干涉，这种效应称为衍射。
半波长λ/2
为了发生相干干涉，散射波必须对齐。这意味着第二波必须传播整数个波长。在这种情况下，一般波长在入射侧传播，一半在散射侧传播，产生一个额外的波长。
公式
在下一个X射线的情况下，一个波长在入射侧和散射侧传播，产生两个波长。这种增强发生在整个晶体中。衍射发生的确切角度可以通过红色三角形确定。顶部的角度是θ，即入射光束和散射光束之间角度的一半。长边是原子平面之间的距离，短边是半个波长。通过应用正弦函数，可以确定衍射角和原子间距离的关系。重新排列这个方程得到布拉格定律。
公式名称由来
布拉格定律以William Henry和William Lawrence Bragg命名，这对父子组合因使用X射线衍射分析晶体结构的工作而获得1915年诺贝尔奖。
应用
X射线衍射技术广泛应用于各种材料，从单晶外延薄膜到粉末的多晶混合物，甚至随机取向的非晶材料。它帮助科学家开发新药物，根据矿物成分对岩石层进行分类，并了解原子排列如何影响储能材料的行为。
设备
随着科学家在原子水平上提高材料工程能力，X射线衍射成为他们工具箱中越来越重要的工具。设备设计的进步让X射线衍射更易于使用，并且比以往更加强大。