x射线晶体衍射(x射线衍射法的原理)
1.x射线衍射法的原理
原理：将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。
扩展资料
x射线衍射法的社会背景：
自1912年劳厄等发现硫酸铜晶体的衍射现象的100年间，X射线衍射这一重要探测手段在人们认识自然、探索自然方面，特别在凝聚态物理、材料科学、生命医学、化学化工、地学、矿物学、环境科学、考古学、历史学等众多领域发挥了积极作用，新的领域不断开拓、新的方法层出不穷。
特别是同步辐射光源和自由电子激光的兴起，X射线衍射研究方法仍在不断拓展，如超快X射线衍射、软X射线显微术、X射线吸收结构、共振非弹性X射线衍射、同步辐射X射线层析显微技术等。这些新型X射线衍射探测技术必将给各个学科领域注入新的活力。
参考资料来源：搜狗百科-X射线衍射方法
2.X射线衍射的原理
1913年英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：
2d sinθ=nλ
式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。
当X射线以掠角θ（入射角的余角）入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时（选用固定波长的特征X射线），采用细粉末或细粒多晶体的线状样品，可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射，测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型；根据衍射线的强度，还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐（Debye—Scherrer）法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变），以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格方程的条件，故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后，便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术，可用于分析金属和合金的成分。
3.晶体的x射线衍射
布拉格条件：
2d sin θ = nλ，
式中，λ为X射线的波长，λ=1.54056 Å，
衍射的级数n为任何正整数；
d和θ是对应的一组数据；当X射线以掠角θ（入射角的余角，又称为布拉格角）入射到晶体或部分晶体样品的某一具有点阵平面间距d的原子面上时，就能满足布拉格方程或者布拉格条件，从而产生三维衍射，衍射强度用感光照片或者闪烁接收器等进行接收、从而获得一组X射线粉末衍射图或资料。
正如你说，这是一个十分复杂的问题，但是布拉格、劳厄等简化了这个问题。在对衍射原理进行讨论或者对衍射谱图进行解析的过程中，引入了晶面间距d和衍射指数n的概念，于是使问题得到了简化。当把衍射指数指标化后，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级衍射峰。 如440衍射斑点或衍射峰可以解析为110晶面的4级衍射贡献、或者220晶面的2级衍射贡献、或者440晶面的1级衍射贡献；待到指标化后，它只被看作440晶面的一级衍射。如此类推。
4.x射线衍射的原理及可以解决的问题
X射线衍射原理及应用介绍 特征X射线及其衍射 X射线是一种波长很短（约为20~0.06 nm）的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离（10^(-8)cm）相近，1912年德国物理学家劳厄（M.von Laue）提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即当一束 X射线通过晶体时将会发生衍射；衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上增强、而在其它方向上减弱；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。
这一预见随后为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格定律： 2d sinθ=nλ，式中，λ为X射线的波长，衍射的级数n为任何正整数。
当X射线以掠角θ（入射角的余角，又称为布拉格角）入射到某一具有d点阵平面间距的原子面上时，在满足布拉格方程时，会在反射方向上获得一组因叠加而加强的衍射线。 应用： 1、当X射线波长λ已知时（选用固定波长的特征X射线），采用细粉末或细粒多晶体的线状样品，可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格条件的反射面得到反射。
测出θ后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距d、晶胞大小和晶胞类型； 2、利用X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐（Debye—Scherrer）法的理论基础，测定衍射线的强度，就可进一步确定晶胞内原子的排布。 3、而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变），以辐射线束的波长λ作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格条件，故选用连续X射线束。
再把结构已知晶体（称为分析晶体）用来作测定，则在获得其衍射线方向θ后，便可计算X射线的波长λ，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术，可用于分析金属和合金的成分。
4、X射线衍射在金属学中的应用 X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。如韦斯特格伦（A.Westgren）(1922年)证明α、β和δ铁都是体心立方结构，β-Fe并不是一种新相；而铁中的α—→γ相转变实质上是由体心立方晶体转变为面心立方晶体，从而最终否定了β-Fe硬化理论。
随后，在用X射线测定众多金属和合金的晶体结构的同时，在相图测定以及在固态相变和范性形变研究等领域中均取得了丰硕的成果。如对超点阵结构的发现，推动了对合金中有序无序转变的研究；对马氏体相变晶体学的测定，确定了马氏体和奥氏体的取向关系；对铝铜合金脱溶的研究等等。
目前 X射线衍射（包括X射线散射）已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。 在金属中的主要应用有以下方面： （1）物相分析 是X射线衍射在金属中用得最多的方面，又分为定性分析和定量分析。
定性分析是把对待测材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据进行比较，以确定材料中存在的物相；定量分析则根据衍射花样的强度，确定待测材料中各相的比例含量。 （2）精密测定点阵参数 常用于相图的固态溶解度曲线的绘制。
溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。
另外点阵常数的精密测定可获得单位晶胞原子数，从而可确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。 （3）取向分析 包括测定单晶取向和多晶的结构（如择优取向）。
测定硅钢片的取向就是一例。另外，为研究金属的范性形变过程，如孪生、滑移、滑移面的转动等，也与取向的测定有关。
（4）晶粒（嵌镶块）大小和微观应力的测定 由衍射花样的形状和强度可计算晶粒和微应力的大小。在形变和热处理过程中这两者有明显变化，它直接影响材料的性能。
（5）宏观应力的测定 宏观残留应力的方向和大小，直接影响机器零件的使用寿命。利用测定点阵平面在不同方向上的间距的改变，可计算出残留应力的大小和方向。
（6）对晶体结构不完整性的研究 包括对层错、位错、原子静态或动态地偏离平衡位置，短程有序，原子偏聚等方面的研究（见晶体缺陷）。 （7）合金相变 包括脱溶、有序无序转变、母相新相的晶体学关系，等等。
（8）结构分析 对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据。 （9）液态金属和非晶态金属 研究非晶态金属和液态金属结构，如测定近程序参量、配位数等。
（10）特殊状态下的分析 在高温、低温和瞬时的动态分析。 此外，小角度散射用于研究电子浓度不均匀区的形状和大小，X射线形貌术用于研究近完整晶体中的缺陷如位错线等，也得到了重视。
X射线分析的新发展 金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和材料测试的常规方法。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。
50年代初问世的计数器衍射仪法。
5.x射线衍射的物理原理
x射线衍射原理1913年英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg,W.L.Bragg）在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构，并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：2d sinθ=nλ式中λ为X射线的波长，n为任何正整数。
当X射线以掠角θ（入射角的余角）入射到某一点阵晶格间距为d的晶面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格方程简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。
当 X射线波长λ已知时（选用固定波长的特征X射线），采用细粉末或细粒多晶体的线状样品，可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格方程条件的反射面得到反射，测出θ后，利用布拉格方程即可确定点阵晶面间距、晶胞大小和类型；根据衍射线的强度，还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐（Debye—Scherrer）法的理论基础。
而在测定单晶取向的劳厄法中所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变），以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格方程的条件，故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后，便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。
这便是X射线谱术，可用于分析金属和合金的成分。
