X射线衍射知识讲解
X射线衍射(XRD)知识分享
X 射线的波动性与粒子性是X 射线具有的客 观属性
• (a) 波动性：
1913年德国物理学家劳厄(M．V. Laue)等发现X 射线衍射现象，从而证实了X射线本质是一种电磁波， 它与可见光一样，X射线以光速沿直线传播，其电场 强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直，并位于垂直于 X射线传播方向的平面上。通常X射线波长范围为10～ 0.001nm，衍射分析中常用波长在0.05～0.25nm范围 内。
X射线衍射分析仪
谢金龙
• 一、X射线产生 • 二、X射线与物质的相互作用 • 三、X射线衍射原理 • 四、试验方法及样品制备 • 五、粉末衍射仪的工作方式
• 一、X射线的产生
• X射线是1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现 的。
• X射线是高速运动的荷电粒子(例如电子)在突然减速时产 生的。
• c、荧光辐射
当X射线光量子具有足够高的能量时，可以将被照射 物质原子中的内层电子激发出来，使原子处于激发状态， 通过原子中壳层上的电子跃迁辐射出X射线特征谱线。这 种利用X射线激发作用而产生的新特征谱线称为二次特征 辐射也称为荧光辐射。
入射X射线光量子的能量加必须等于或大于特此原子 某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。即：
• b、多层原子面的反射源自由于X射线的波长短，穿透能力强，它不仅能使晶体表面的原子成 为散射波源，而且还能使晶体内部的原子成为散射波源。在这种情况 下，应该把衍射线看成是由许多平行原子面反射的反射波振幅叠加的 结果。干涉加强的条件是晶体中任意相邻两个原子面上的原于散射波
在原子的反射方向上的相位差为2的整数倍，或者光程差等于波长的 整数倍。
X射线衍射分析原理
X射线衍射分析原理X射线衍射分析是一种重要的材料表征技术，其原理基于X射线与晶体相互作用时发生的衍射现象。
这种技术可以用来确定物质的结晶结构、晶体畸变、晶粒尺寸、相对结晶取向以及晶体缺陷等信息。
下面我将详细介绍X射线衍射分析的原理。
1.X射线衍射的基本原理X射线是一种电磁波，其波长比可见光短得多，因此它能够穿透晶体射出到另一侧。
当X射线穿过晶体时，会与晶体内的原子相互作用，发生散射。
如果晶体具有周期性排列的原子结构，那么经过散射后的X射线将会发生衍射现象。
2.布拉格衍射原理布拉格衍射原理是X射线衍射分析的基础。
根据布拉格方程，当入射光束与平行晶面之间的入射角等于出射角时，X射线会以构成等边三角形的一系列角度散射出来。
这些出射角对应的散射光将相干地叠加在一起，形成衍射图样。
布拉格方程可以表示为：n·λ = 2d sinθ其中，n为衍射级别，λ为入射X射线的波长，d为晶体面间的距离，θ为入射角。
根据布拉格方程，通过测量入射角和衍射角的大小，可以计算出晶格的间距d。
3.X射线衍射仪器为了进行X射线衍射分析，需要使用特殊的仪器。
其中最常见的是X射线粉末衍射仪（X-ray powder diffraction, XRD）。
它通过将样品制成粉末并均匀散布在载体上，然后用X射线照射样品，测量出射的衍射波，进而得到衍射图案。
X射线衍射仪由X射线管、样品支架、光学系统、检测器和计算机等组成。
X射线管产生X射线，经过光学系统聚焦后通过样品。
样品中的晶体结构会散射入射的X射线，散射波经过光学系统再次聚焦到检测器上，通过检测器的信号可以得到衍射图案。
根据衍射图案，可以通过相关数据分析获得样品的结晶结构和特征。
4.衍射图案分析衍射图案是X射线衍射分析的核心结果。
通过衍射图案的分析，可以获取材料的晶格常数、晶体结构、晶格取向和晶体畸变等信息。
衍射图样的主要特征是峰（peak），峰对应于衍射波的散射角度。
每个峰的位置、强度和形状都包含了样品的结构信息。
简述x射线衍射的基本原理和应用
简述x射线衍射的基本原理和应用1. 基本原理x射线衍射是一种通过射线衍射现象来研究物质结构的方法。
它基于x射线与物质相互作用的原理，通过衍射现象来获取物质的结构信息。
x射线衍射的基本原理可概括为以下几点：•x射线的产生：x射线是一种电磁波，通过高速运动的电子的碰撞产生。
常用的x射线源包括x射线机和x射线管。
•入射光线的衍射：当x射线照射到物体上时，会发生衍射现象。
衍射是光线在通过物体边缘或孔隙时被波动性所限制而出现弯曲的现象。
•晶体的衍射：当x射线通过晶体时，会发生晶体的衍射现象。
晶体的结构会导致入射的x射线发生干涉和衍射，形成一系列的衍射斑点。
•衍射斑的分析：通过测量和分析衍射斑的形状、强度和分布等特征，可以推断出晶体的内部结构和晶格常数等信息。
2. 主要应用x射线衍射在物质科学和材料科学研究中有着广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：•晶体结构分析：x射线衍射可用于解析晶体的结构。
通过测量和分析衍射斑点的特征，可以确定晶格常数、晶体的对称性和原子排列等信息。
•晶体缺陷分析：x射线衍射还可以用于研究晶体中的缺陷。
缺陷会导致衍射斑的形状和强度发生变化，通过分析这些变化可以推断出晶体中的缺陷类型和密度等信息。
•材料相变研究：x射线衍射可以用于研究材料的相变过程。
不同的材料在不同的温度和压力下会发生相变，通过测量和分析衍射斑的变化，可以揭示相变的机制和性质。
•结晶体制备优化：x射线衍射还可以用于优化结晶体的制备方法。
通过观察和分析衍射斑的特征，可以评估结晶体的质量和纯度，为制备过程的优化提供指导。
•蛋白质结构研究：x射线衍射在生物学领域也有着重要的应用。
通过测量和分析蛋白质的衍射斑，可以确定蛋白质的三维结构，从而研究其功能和相互作用等。
•X射线显影：x射线衍射还广泛应用于医学影像学中的x射线显影。
通过测量x射线在人体组织中的衍射斑，可以获得有关组织的结构信息，以用于诊断和治疗。
以上只是x射线衍射的一些基本原理和应用领域的简述，实际应用中还有许多相关的技术和方法。
01-X射线衍射基本原理
2 2 λ ( CuKα ) = λ ( CuKα 1 ) + λ ( CuKα 2 ) 3 3 = 1.54184 Ǻ
X射线单色化 射线单色化
滤波片：选择吸收限在Kα、Kβ之间的一种 金属薄片，吸收连续谱线及Kβ谱线。Ni片可作 为Cu靶的滤波片。 石墨弯晶单色器：利用弯曲晶体 的反射，使满足衍射几何的Kα谱线 通过，不满足衍射几何的Kβ被除去。
2、X射线的性质 、 射线的性质
与可见光(波长范围390～780nm)一样，X射 线也是一种电磁波，具有波粒二象性。由于本 质相同，两者都会产生干涉、衍射、吸收和光 电效应等现象，但由于波长相差很大，两者表 现截然不同： 1、可见光可以在固体表面发生 反射，X射线不能发生反射，因此不 能用镜面聚焦和变向。 2、 X射线在两种介质间传播时 的折射率稍小于1(约等于1)，可近似 认为是直线传播，不能象可见光那样 用透镜聚焦、发散，也不能用棱镜分光、变向。
O
当入射X射线照射到晶体(S)上，在入射线方 向上找一点O（使OS = 1/λ）为倒易点阵的原点, 以S为圆心、以1/λ为半径做圆，当倒易点阵点 倒易点阵点P 倒易点阵点 与圆周相遇时， 的方向即为衍射的方向 的方向即为衍射的方向。 与圆周相遇时，SP的方向即为衍射的方向 如果以S为球心，以1/λ为半径做球，则这 反射球，同样，当倒易点阵点 与球面 当倒易点阵点P与球面 种球称为反射球 反射球 当倒易点阵点 相遇时， 的方向即为衍射的方向 的方向即为衍射的方向。 相遇时，SP的方向即为衍射的方向 因此，倒易点阵可以用来描述 衍射空间，衍射点相应于倒易空间 衍射点相应于倒易空间 的点阵点 。 各种衍射数据的收集方法的基本 原理，都是根据反射球与倒易点阵的 关系设计的 。
3)、 0.05＜ λ ＜0.25nm， 该波长范围与晶 体结构中晶面间距相当，通过晶体时会发生衍 射现象， 用于晶体结构分析和研究。→X射线 射线 晶体学
名词解释x射线衍射
名词解释x射线衍射
X射线衍射是一种用于研究晶体结构的实验技术。
当X射线通过晶体时，会发生衍射现象，形成一系列特定的衍射图样。
通过分析这些衍射图样，可以推断出晶体的结构和晶格参数。
X射线衍射实验通常使用X射线源（如X射线管）产生高能量的X射线束，然后将X射线束照射到晶体上。
当X射线与晶体中的原子相互作用时，会发生衍射现象。
根据布拉格定律，入射的X射线束与晶体中的晶面间距和入射角度有关，衍射的X射线束与晶面间距和衍射角度有关。
通过调整入射角度和检测器的位置，可以记录到一系列衍射点或衍射斑。
这些衍射点的位置和强度可以被精确测量，并用于计算晶体的结构参数，如晶胞参数、晶面间距和原子位置等。
X射线衍射技术在材料科学、晶体学、固体物理学等领域具有广泛的应用。
它可以用于确定晶体的结构、研究晶体生长和相变过程、分析材料的晶格畸变和缺陷等。
通过X射线衍射技术，可以深入了解物质的微观结构和性质，为材料设计和工程应用提供重要的基础数据。
X射线衍射技术
X射线衍射技术X射线衍射技术是一种应用于材料科学、物理学和化学领域的重要分析方法。
它通过研究材料或化合物对X射线的衍射模式，来确定其晶体结构、晶体参数以及晶体中原子的排列方式。
X射线衍射技术不仅能够揭示物质的微观结构，还可以提供关于晶格应力、晶格畸变以及颗粒尺寸等详细信息。
本文将介绍X射线衍射技术的基本原理、应用领域以及相关仪器。
一、X射线衍射技术基本原理X射线衍射技术的基本原理源于布拉格方程。
布拉格方程表达了入射X射线与晶体晶面间距d、入射角度θ、以及衍射角度2θ之间的关系。
它的数学表达式为：nλ = 2d sinθ其中，n是一个整数，表示衍射过程中的编号，λ是X射线的波长。
通过测量X射线衍射的角度，可以根据布拉格方程计算出晶体晶面间距d，从而推断出晶体的结构特征。
二、X射线衍射技术的应用领域1. 材料科学研究：X射线衍射技术在材料科学中被广泛应用。
它可以帮助研究人员确定金属、陶瓷、玻璃等材料的晶体结构和晶格参数。
通过分析材料的衍射图像，可以评估材料的结晶度、晶体尺寸、晶格畸变以及晶格缺陷等信息，对材料的性能进行优化和改进。
2. 物理学研究：X射线衍射技术在物理学研究中有重要的应用。
例如，通过分析X射线衍射谱，物理学家可以研究晶体中电子行为、电子结构以及电子的自旋轨道耦合等性质。
这些信息对于理解材料的电学、磁学和光学性质具有重要意义。
3. 化学分析：X射线衍射技术也被广泛应用于化学分析领域。
通过对化合物的X射线衍射图谱进行定量分析，可以确定样品中不同的晶相含量、晶相纯度以及杂质的存在情况。
这对于研究样品的稳定性、反应活性以及化学反应机理等都具有重要意义。
三、X射线衍射仪器1. X射线发生器：X射线发生器是产生X射线的核心部件。
其原理基于电子注入金属靶材，当高速电子与靶材相互作用时，会产生X射线辐射。
发生器的性能直接影响到实验的分辨率和灵敏度。
2. X射线衍射仪：X射线衍射仪是对样品进行X射线衍射实验的装置。
现代仪器分析——X射线衍射分析讲诉
方法(method)
变化
不变化 变化 变化
单晶体
周转晶体法(rotating-crystal method) 单晶体 不变化
劳埃（Laue）法 粉末法 (power method) 多晶体 不变化 单晶体衍射方法 周转晶体法 四圆衍射仪
5、X射线衍射的方向和强度
X射线衍射可归结为两方面的问题：衍射方向和衍射强度。
图 3.测角仪构造示意图及照片
精密光学系统
Bragg－Brentano衍射几何 设计原理： R1＝R2，试样转θ 角，探测器转2θ 角（ 2θ / θ 偶合）， 或试样不动，光管转θ ，探测器转θ （ θ /θ 偶合）
探测器
作用是接收样品衍射线(光子)信号转变为电 (瞬时脉冲)信号。 NaI闪烁计数器具有低背底（0.4cps）、高线 性范围2x106 cps；新型YAP晶体闪烁计数器的 线性范围高达1x107cps Si（Li）固体探测器具有极佳的能量分辨率。 可选择特定能量的光子进行响应。背景小于 0.01cps。
1
条件： 1.产生自由电子； 2. 使电子作定向的高速 运动; 3. 在其运动的路径上设 置一个障碍物使电子突 然减速或停止。
3
4 6 5
7
2
1-高压变压器;2-钨丝变压器； 3-X射线管；4-阳极； 5-阴极；6-电子；7-X射线
3、X射线管
封闭式X射线管实质上就是一个大的真空 5 7 （ 10 ~ 10 mmHg ）二极管。
二、基本原理
1、X射线的本质
• X射线的本质是电磁波，与可见光完全相 同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像 性。
(1)波动性 (2)粒子性
X射线衍射本质：衍射的本质就是晶体中各原子相干散射波 叠加的结果。
x射线衍射 原理
x射线衍射原理x射线衍射是一种重要的物理现象，它在材料科学、结构分析和晶体学等领域具有广泛的应用。
本文将介绍x射线衍射的原理及其在科学研究和工程应用中的重要性。
一、x射线衍射的原理x射线衍射是指当x射线通过物质时，由于物质中的原子或分子对x 射线的散射作用，使得x射线在特定角度下发生衍射现象。
这种衍射现象是由于x射线与物质中的电子发生相互作用而产生的。
具体来说，当x射线通过物质时，它会与物质中的电子发生相互作用。
这种相互作用导致x射线的波长发生改变，从而使得x射线在特定角度下发生衍射。
根据衍射的特点，我们可以通过测量衍射角度和衍射强度来研究物质的结构和性质。
二、x射线衍射的应用1. 材料科学：x射线衍射在材料科学中具有重要的应用。
通过测量材料的衍射图样，可以确定材料的晶体结构、晶格常数和晶体缺陷等信息。
这对于材料的设计和性能优化非常关键。
2. 结构分析：x射线衍射在结构分析中也起着重要的作用。
通过测量物质的衍射图样，可以确定物质的分子结构、晶体结构和晶体取向等信息。
这对于研究分子和晶体的性质以及化学反应机理具有重要意义。
3. 晶体学：x射线衍射是研究晶体学的重要工具。
通过测量晶体的衍射图样，可以确定晶体的空间群、晶胞参数和晶体结构等信息。
这对于研究晶体的对称性和性质具有重要意义。
4. 工程应用：x射线衍射在工程领域也有广泛的应用。
例如，在材料加工过程中，通过测量材料的衍射图样，可以评估材料的晶粒尺寸和应力状态，从而指导工艺优化和质量控制。
三、x射线衍射的发展和挑战随着科学技术的不断发展，x射线衍射技术也在不断进步。
例如，近年来，高分辨率x射线衍射技术的发展使得我们能够更加准确地研究物质的微观结构和性质。
此外，结合计算模拟和数据处理技术，可以进一步提高衍射数据的分析和解释能力。
然而，x射线衍射技术也面临一些挑战。
例如，对于非晶态材料和纳米材料等复杂体系，衍射图样的解析和解释更加困难。
此外，x 射线衍射技术在实际应用中还存在成本高、设备复杂等问题，限制了其在一些领域的推广和应用。
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θ角的方向，根据衍射线的位置（ ２θ ）（淀粉结晶物质所
固有），通过 bragg 公式
பைடு நூலகம்
2dsin（k其中 Ｋ为反射
的次数，一般设 Ｋ＝１）可求出结晶面间距 d 。
衍射线的位置和强度是各种结晶物质的特征参数.
衍射图峰的宽度与微结晶的大小有关，峰越宽意味着微结 晶越大，衍射线的高度（或面积）则决定于结晶领域。 因此比较两者的高度（或面积）就可以对结晶度进行度量.
玉 米 淀 粉
木薯淀粉
马铃薯淀粉
结果表明：淀粉多晶体系中存在着大量介于微晶和非晶 之间的亚微晶结构，任何淀粉多晶体系都可以看成是由 微晶、亚微晶和非晶中的一种或多种结构形成的。
Ｘ－ 射线衍射技术在 乳糖结晶分析中的应用
Ｘ－ 射线衍射技术是通过 Ｘ－ 射线与组成物质的粒 子的相互作用测定衍射波，由计算确定物质的结构，在食品 分析中主要用于确定晶体的结构。 由于乳糖在水溶液中的变旋作用会迅速影响体系中 α－ 乳 糖（ALM）与 β－ 乳糖（BL）的比例，所以，对固体乳糖 的晶体形式进行直接的定量分析非常重要。
不同的结晶乳糖或无定形乳糖具有不同的水合特征，且 它们的许多物理性质如熔点、溶解度、比热、比重、甜 味等都不尽相同，因此必须明确乳糖的结晶特征，才能 控制这种与水的吸收有关的物理相变。这对诸如乳粉、 冰淇淋、冷冻甜食等各类乳制品在保藏期间的贮藏特性, 质构、风味、口感具有重要的指导意义。
图中 箭头表示特征峰。BL 在
2θ=10.4处有一特征峰，纯 ALM分别在衍射角2θ= 12.5,16.4处各有一特征峰。
利用纯 ALM 与 BL 的特征峰， 建立起这些峰面积与各晶体的 百分含量之间的关系，并经换 算处理得到被测样品的 X- 射 线衍射峰强度与ALM 或 BL 百分含量之间的关系。
利用 Ｘ－ 射线衍射技术进行结晶学分析，这是一种可 对固体乳糖进行直接定量分析的独特方法。
HOCH 2O OH O OH OH
OH
~ OH H, OH O CH 2OH
一般，每种晶体在 x- 射线衍射图谱上都可能出现几个 峰，但只有少数峰的强度较显著。要确定一种晶体的含 量，就需要在衍射图中确定该晶体在某衍射方向具有的 衍射峰，而其他晶体在该方向不发衍射或峰很弱。
X射线衍射
在单晶中，一族平面点阵的取向如果和入射X-光的夹角θ 满足BRAGG公式，则在衍射角方向上得到一个衍射点：
θ
入射X-光
θ
在多晶粉末中，这种晶体被粉碎，则微晶粒有各种取向， 同族平面点阵在入射光照射下，其衍射线形成一个顶角为 4 θ的圆锥面。 晶体中许多不同指标的平面点阵族，相应地形成许多以入 射X-射线为中心轴、顶角为4 θ、 4 θ’、 4 θ〃…的一系 列圆锥形衍射线，由此得到粉末衍射图．
角2θ= 10.4，12.5
处各有一特征峰。 说明在此条件下， 两种乳糖都发生结 晶作用，且通过变 旋作用达到平衡， 并且由峰面积算得 二者的比例为 BL/ALM= 1.6
水分活度 αW=0.59时，只
在衍射角为 2θ= 12.5方向有一强特
征峰，说明随着体 系中水分含量的升 高，越来越多的 β- 乳糖通过变旋 作用转变成了 α乳糖，最终乳粉中 的乳糖只存在一 种晶体形式。 变旋现象在固体状 态也是有可能发生 的。
BL ALM
下图为脱脂乳粉在 20℃的不同水分活度下，保温相同 时间后所得到的 X- 衍射图谱，计算其中各种乳糖的含 量。
干燥乳粉中不含结 晶乳糖，均以无定 形乳糖形式存在。 当环境 αW ＜0.33 时，乳粉的 X- 衍 射图谱没有结晶乳 糖的特征峰，说明 乳粉中的乳糖没有 发生结晶，仍以无 定形乳糖形式存在 。
采用广角 X-射线衍射对淀粉颗粒中介于结晶与非晶之间 的过渡区—亚微晶结构进行研究。
用广角 X-射线衍射对玉米、木薯及马铃薯淀粉颗粒微晶结构进行研究, 即：A 曲线---原淀粉颗粒结构的非晶区； C1---是—种介于微晶和非晶之间的晶粒 线度小、晶形不完整的亚微晶结构，这种结晶结构在 X-射线衍射曲线中不会 表现出明显的 X-衍射的尖峰衍射峰，而是表现出类似于非晶的弥散衍射峰； C2 --典型的结晶结构区域，这部分结晶结构在常温下当水分含量增高时也会 受到一定程度的破坏，但相对亚微晶结构来说，只是部分受到破坏。与亚微 晶结构一样，当水分含量降低时，被破坏的结晶结构也会重新恢复。
入射X-光
2θ
2θ
粉末法适用范围广，但因为衍射点重叠多，衍射图难以指 标化，只有比较简单的化合物才可以由粉末衍射图推出晶 体结构。因而有很大局限性。
单一化合物的鉴别 单一化合物的粉末射线衍射谱的形成取决于两个主要因素: 组成分子的化学元素与分子在晶胞中的排列方式. 为标识粉末X射线衍射图谱,通常使用两个主要参数: 表示衍射线在空间分布的衍射角(θ)或晶面间距d与衍射线的强度 (I/I。) 对于给定的单一晶型化合物,其粉末X射线衍射图谱具有专 属性和指纹性。 1.对于相同化合物的不同晶型,由于分子在空间的对称排列规律不 同,它们的衍射图谱存在明显差异； 2.对于不同的化合物,因其化学组成与对称性的不同而形成自身专 属的X射线衍射图谱. 国际上已经分别建成各类化合物(无机\有机化合物,矿物)的粉末X 射线衍射数据库(如最著名的美国国际衍射中心的PDF库),使用者 可按分子式、化合物名称、谱线的d与I/I。值进行化合物检索。
X-射线衍射在淀粉研究中的应用
其基本原理如下：
淀粉是由许多形状、大小不一的淀粉颗粒所组成，淀粉 颗粒不是分子的无规律集合体，而是在某些部分具有微小结 晶的微结晶结构。
当 X-射线照射淀粉试样时，其结晶部分的晶格面与 X-射线
在满足bragg条件的角度θ时，来自晶格面的衍射 X-射线发
生了相位重叠，强烈的衍射 X-射线出现在与照射X-射线成 ２
当 αW=0.43时，X- 衍 射图谱中在衍射角
2θ=10.4 时出现一特
征峰，说明随着水分
活度的增加，乳粉中
的无定形乳糖开始向
结晶乳糖转变，这时 结晶乳糖 BL 为主要形 式，当然仍有些无定 形乳糖存在。与 ALM 相比，BL 乳糖可在较 低的水分活度下发生 结晶反应。
当 αW=0.53时，X衍射图谱中在衍射