xRD原理简介

X射线，又叫X光，英文简称X-ray，是一种电磁波。它的波长介于紫外线和伽玛射线之间，它的波长分布在可见光之外，因此肉眼无法观察到。常用的X射线波长分布在0.5埃~2.5埃。正因为它是一种电磁波，因此它与无线电波、红外线、可见光、伽玛射线等，没有本质区别，只是波长不同而已。X射线既然是一种波，因此在特定条件下，会产生X射线干涉和衍射现象，也可以用频率、波长来表征；X射线还具有料子性，它能产生光电效应、荧光辐射和康普顿散射等现象。因此我们可以把X射线看成是一个个的光子（光量子），每一个光子都具有特定的能量。光子数量可以由光电计数器（一种传感器）捕获。用于金属探伤的X-ray波长一般在0.05埃~1.0埃之间或更短，因为当X-ray波长愈短时，光子能量就愈大，x-ray的穿透能力就愈强，可以检测更厚、更重的材料。因此有时，我们把波长短的X射线为硬X射线，反之则称为软X射线。XRD是什么意思？XRD是英文X-raydiffraction或者X-RayDiffractometer的缩写，即X射线衍射，或X射线衍射仪。我们经常也把X射线衍射分析技术也直接称为XRD分析，或简称为XRD。XRD分析手段有2种，分单晶X射线衍射法，多晶X射线衍射法。对应地，所用的XRD设备，也分为单晶衍射仪和多晶衍射仪。物相，简称为相，它是有某种晶体结构并能用化学式表征其化学成分（或有一定的成分范围）的固体物质。化学成分不同的是不同的物相，化学成分相同而内部结构不同的，也是不同的物相。例如，同样是铁，它能以晶体结构为体心立方结构的Fe、也能以面心立方结构的Fe、还能以体心立方结构的高温Fe，这3种物相形式存在。什么是物相分析？或者说什么是X射线衍射分析？其实这两者是一个问题。物相，是指具有某种晶体结构并能用化学式表征其化学成分的固体物质，因此对每种物质或材料，常常需要弄清楚它含有什么元素，每种元素的存在状态如何，这种回答这种元素的存在状态，即是物相分分析的问题，也称为物相鉴定。举例来说，一种铁氧材料，用化学分析方法，可以分析出试样中含有铁和氧元素，但是不能确切知道是氧化铁Fe2O3，还是氧化亚铁FeO，或者是磁铁Fe3O4，或者它们的混合物，更无法确切地知道它们各自的含量。这种问题，就必须得用X射线衍射分析方法。经过X射线衍射得到衍射图谱（也叫衍射花样），可以明确地告诉我们到底是哪种或哪几种化合物，而且经过计算，可以得到它们的各自百分比含量。X射线衍射图，或者说，衍射图谱是如何产生的？当一束X射线照射到一个晶体时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就好像是从原子中心发出，每个原子中心发出的散射波又好比一个源球面波。由于原子在晶体中是周期排列的，这些散射球面波之间存在着固定的位相关系，它们之间又会产生干涉，结果导致在某些散射方向的球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消，从而也就出现衍射现象。即在偏离原入射线方向上，只有在特定方向上出现散射线加强而在存在衍射斑点，其余方向则无衍射斑点。这就是衍射花样的生产机理。因为晶体结构与X射线衍射图或衍射图谱之间存在着一定的内在联系，通过衍射图谱的分析，就能测定晶体结构和研究与结构有关的一系列问题，这就是晶体的X射线衍射分析，或者说物相分析，也有叫XRD分析。什么是X射线粉末衍射？是不是就是X射线衍射呢？没错，X射线粉末衍射就是X射线衍射，更严格一点，X射线粉末衍射是X射线多晶衍射的别名，是个形像的称谓。晶体世界中，分析为单晶和多晶，很多多晶物质，肉眼看起来，就是固体粉末，因此X射线多晶衍射，通常也称为X射线粉末衍射。X射线的发现要追溯到1895年，它是19世纪末、20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现，标志着现代物理学的诞生。19世纪末，阴极射线是物理学研究的热门课题，许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯光，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。有一本厚书，2厘米~3厘米的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其它液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线穿透，只要他们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有被观察到的射线，它具有极强的穿透力。他一连多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这是一种新的射线，X射线的发现，为人类开展现代科学研究提供了强有力的工具。1895年12月22日，伦琴及其夫人拍下了第一张X射线照片。12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新的射线——初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。X射线的发现，开启了科学发现的新纪元。X射线的发现，标志着现代物理学的诞生，推动了现代化学和现代生物学的创立和发展，对物理学以至整个科学技术领域产生了极为深刻的影响，为物理学、化学、生物学和医学等相关科学造就了数十位诺贝尔奖获得者，为科学事业的发展做出了不可磨灭的贡献。为此，1901年伦琴获得了首届诺贝尔物理奖X射线的发现要追溯到1895年，它是19世纪末、20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现，标志着现代物理学的诞生。19世纪末，阴极射线是物理学研究的热门课题，许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯光，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。有一本厚书，2厘米~3厘米的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其它液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线穿透，只要他们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有被观察到的射线，它具有极强的穿透力。他一连多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这是一种新的射线，X射线的发现，为人类开展现代科学研究提供了强有力的工具。1895年12月22日，伦琴及其夫人拍下了第一张X射线照片。12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新的射线——初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。X射线的发现，开启了科学发现的新纪元。X射线的发现，标志着现代物理学的诞生，推动了现代化学和现代生物学的创立和发展，对物理学以至整个科学技术领域产生了极为深刻的影响，为物理学、化学、生物学和医学等相关科学造就了数十位诺贝尔奖获得者，为科学事业的发展做出了不可磨灭的贡献。为此，1901年伦琴获得了首届诺贝尔物理奖X射线一经发现以后，鉴于它具有很强的穿透能力，在医学上和技术上就被广泛地被采用。那么X射线是如何产生的？X射线产生的原理是什么？我们知道，可见光的产生原理是：大量分子、原子等热源在热激发下向外辐射电磁波的结果，而X射线产生的原理与可见光产生机理完全一致，是由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相作用而产生的。总结一下，X射线产生的需要以下3个基本条件：（1）产生自由电子；（2）使电子作定向高速运动；（3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物；以上就是X射线产生原理，据此生产的X射线产生装置就叫：X光管，或X射线发生器。随着实验技术的发展，X射线衍射的应用面越来越宽，用它研究的物质结构的深度也越来越深。由于它简单易行，包含的信息丰富，除包含晶体结构本身的信息外，还包含晶体中的各种缺陷及多晶聚集体的结构信息，如相结构、晶粒尺寸与分布、晶粒取向、应力等众多信息。X射线的应用主要有以下几种：（一）晶体结构分析；（二）物相定性分析；（三）物相定量分析；（四）晶粒大小分析；（五）结晶度分析；（六）宏观应力和微观应力分析；（七）择优取向分析；X射线衍射最终被劳厄发现了。这与劳厄所在的慕尼黑大学的科学气氛有着密切的关系，当时师生们讨论得最多的一个问题就是X射线的本性。劳厄认为X射线是电磁波。1912年，劳厄在同一位博士研究生厄瓦尔谈话时，产生了X射线照射晶体用以研究固体结构的想法。他设想X射线是极短的电磁波，而晶体又是原子（离子）的有规则的三维排列，就像是一块天然光栅那样，只要X射线的波长和晶体中原子的间距具有相同的数量级，那么当用X射线照射晶体时就应能观察到干涉现象。1912年4月，他们开始了这项X射线衍射实验，他们用ZnS、NaCl等晶体做实验，明显具有对称性的衍射斑点在底片上出现了！！！X射线衍射现象被证实了，它X射线衍射现象不仅证明了X射线是一种比可见光波长短千倍的电磁波，使人们对X射线的认识迈出了关键的一步，而且还第一次对晶体的空间点阵作出实验验证，使晶体物理学发生了质的飞跃。X射线衍射的基本原理是，X射线受到原子核外电子的散射而发生的衍射现象。由于晶体中规则的原子排列就会产生规则的衍射图像，可据此计算分子中各种原子间的距离和空间排列。是分析大分子空间结构有用的方法。1912年劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。由于X射线衍射的发现，X射线学在理论和实验方法上飞速发展，很快形成了一门内容极为丰富、应用极为广泛、影响极其深远的综合学科。由于X射线晶体衍射的发现，劳厄于1914年荣获诺贝尔物理学奖！什么是晶体？简单地说，晶体是指原子、分子或离子按照一定的规律周期性排列组成的固体。人们对晶体的认识是从认识天然晶体开始的，对晶体的认识经历了一个由感性到理性、由宏观到微观，由现象到本质的过程。最初人们认为凡具有规则几何形状的天然产物（如立方体食盐，六角柱状的水晶）均称为晶体，但在今天看来，这个定义显然不严谨。譬如说，一些固体粉末，它的外形并不规则，而实际其内部结构上，确实是晶体。如果将这种粉末状晶体放生长液中，在适宜的条件下，使其自由地生长，最终将形成具有规则几何外形的晶体。XRD（即X射线衍射）是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。自Debye-Sherrer发明粉末衍射以来，已有90多年的历史。在这漫长的岁月中，它在晶体结构分析，特别是多晶聚集态的结构（相结构、晶粒大小、择优取向和点阵畸变等）方面作出了巨大的贡献。成为当今材料研究中不可缺少的工具。粉末衍射法常用于晶体结构分析，测定晶胞参数，甚至点阵类型，晶胞中原子数和原子位置。如测定晶胞参数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面，都得到了很大的应用。晶胞参数测定是通过X射线衍射线位置（θ）的测定而获得的，通过测定衍射图谱中每一条衍射线的位置均可得出一个晶胞参数值。正是由于晶体基元的这种周期性排列的结构，决定了晶体具有一些共同的性质。布拉格方程的创立，标志着X射线晶体学理论及其分析方法的确立，揭开了晶体结构分析的序幕，同时为X射线光谱学奠定了基础。布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。劳厄X射线晶体衍射的发现引起了布拉格父子（BraggWH和BraggWL）的极大关注。当时，老布拉格是里兹大学物理系教授，是一个坚信X射线粒子学说的物理学家；小布拉格是剑桥大学卡文迪什实验室的研究生，父子俩经常讨论劳厄的实验及其解释。1912年暑假后，小布拉格开始做X射线透射ZnS晶体的实验时，发现底片与晶体的距离增大时，衍射斑点变