X射线衍射

X射线衍射（XRD）是化学、物理和材料科学领域中的一种强大的分析技术。它主要用于分析晶体物质的结构。通过XRD，研究人员可以确定晶体中原子的排列，测量晶体的尺寸，并评估晶体的纯度和缺陷。这种分析方法利用了具有原子尺度波长的电磁辐射—X射线—在晶格中的衍射。

X射线衍射的基本原理

X射线是一种电磁辐射，其波长通常在0.01到10纳米之间。在XRD的背景下，生成并聚焦在晶体上的X射线会与晶格相互作用。根据布拉格定律，当这些X射线撞击晶体时，它们会以特定方向散射。布拉格定律数学表达为：

nλ = 2d sin θ

其中：

• n是衍射的级数，是一个整数。
• λ是入射X射线束的波长。
• d是晶格平面之间的距离。
• θ是入射X射线与散射平面之间的角度。

理解X射线衍射的关键在于布拉格定律，它将散射角与入射X射线的波长和晶体的晶格间距联系起来。当这些条件得到满足时，会产生建设性干涉，从而在探测器上形成可观察到的衍射峰。

晶体结构分析

X射线衍射的主要用途之一是确定晶体结构。理解物质在原子层次上的结构可以深入了解其化学和物理特性。例如，矿物、生物大分子如蛋白质及其他化合物的晶体结构可以通过XRD加以阐明。

粉末X射线衍射（PXRD）

粉末X射线衍射是一种广泛使用的X射线衍射方法，涉及多晶或粉末样品。该方法简单且适用于研究那些不形成大单晶或以粉末形式存在的材料。粉末样品通常包含随机排列的微晶，确保在暴露于X射线辐射时采样所有可能的晶体取向。衍射强度被测量为散射角度的函数，并转换为可以与已知标准进行参考的图案。

PXRD图案 = 强度 vs. 2θ （其中 2θ 是散射角）

此技术提供有关晶胞尺寸的重要信息，并可通过将实验衍射图案与已建立的数据库进行比较来进行定性相鉴定。

单晶X射线衍射

单晶XRD用于获取关于晶体中原子的三维排列的更多详细信息。样品是单晶，安装在分度仪上，在X射线束下系统地旋转以建立完整的数据集。此方法比PXRD更复杂，但提供了晶体结构的深入见解。

设备

X射线衍射实验的典型设置包括几个主要组件：

• X射线源：这可以是一个密封管或一个旋转阳极，可以生成X射线。Mo Kα和Cu Kα是使用最常见的波长。
• 样品支架：固定晶体样品，可能涉及旋转样品以在PXRD中随机化取向。
• 单色器：选择单一波长的辐射以提高衍射数据的清晰度和分辨率。
• 探测器：测量衍射X射线的强度。现代探测器使用电荷耦合器件（CCD）以获得高灵敏度。

样品和探测器对齐，使探测器在样品被X射线照射时可以在一系列角度（2θ）上收集数据。

X射线衍射的应用

相位检测

XRD最重要的应用之一是识别多晶材料中的相。每种化合物都有独特的XRD图案（常称为"指纹"），可以通过将实验数据与国际衍射数据中心（ICDD）等数据库中的参考图案进行 comparison来进行相鉴定。

单位晶胞尺寸的测定

XRD可以精确测量单位晶胞的尺寸，即晶格中最小的重复单位。这些尺寸对于表征晶体结构并预测密度和热膨胀等特性十分重要。

织构分析

通过XRD可以研究晶粒的优选取向，即织构。织构分析有助于了解晶体取向如何影响材料特性如强度和延展性。

应变测量

XRD可以用来确定在材料内部由应力引起的晶格间距变化。通过分析衍射条纹的变化，科学家能够量化应力和应变，为冶金学和材料工程提供宝贵的信息。

晶粒尺寸和微应变

谢雷尔方程将衍射峰的宽度与晶粒尺寸联系起来：

D = (Kλ) / (βcosθ)

其中：

• K是形状因子（通常约为0.9）。
• λ是X射线的波长。
• β是峰的半高全宽（FWHM）。
• θ是布拉格角。

此方程有助于预测晶粒尺寸和评估材料的均匀性。它在理解纳米粒子或薄膜时尤为有用。

通过例子进行可视化

XRD最好通过可视化来理解。考虑一个简单的晶体结构，如氯化钠（NaCl）。晶体由钠离子和氯离子交替组成一个立方排列。如果您想查看其衍射图案：

假设一束X射线与该晶体相互作用。产生的衍射图案会有相应于Na ⁺和Cl ^-离子交替形成的高电子密度平面的明显峰值。

X射线衍射的最新进展

在过去几年中，X射线源、探测器和计算技术的进步显著提高了XRD应用的速度、准确性和范围。高分辨率探测器和同步辐射源是扩展XRD能力的改进之一，使得更小样品的研究和更快速的数据收集成为可能。

此外，与计算化学工具的结合为研究复杂材料和生物系统提供了更精确的模型。这种协同作用帮助揭示了难以用传统分析方法获得的信息。

结论

X射线衍射是分析化学和材料科学中不可或缺的工具。它提供有关物质原子结构的重要信息，对于各个领域的研究和开发至关重要。从复杂生物大分子的测定到冶金工程中的相鉴定，XRD是许多科学调查的基石。随着技术的发展，其应用将继续扩展，支持各个学科的进一步发现。

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