X射线衍射简介

　　图1：晶体结构示意图，显示原子、离子或分子的有序规律间距;多晶结构，显示多个具有规律间距的晶粒，它们的取向和大小各异;以及非晶结构，原子、离子或分子具有随机顺序和间距。

　　X射线衍射是一种非破坏性技术，利用弹性散射来确定晶体样品的原子结构信息。要在原子层面辨别细节，需要高能的硬X射线，因为它们波长极小。这是一种广泛用于识别和表征未知晶体材料的技术，这对地质学、材料科学和生物学等应用至关重要。

　　晶体结构被定义为任何以有序、三维排列方式形成的离子、原子或分子结构。由于离子、原子或分子之间分布规律，它们起到三维栅的作用。当单色X射线束与这种有序结构相互作用时，会发生建设性干涉。通过测量这种相长干涉，可以建立关于多层材料中重复原子结构或界面的信息。

　　X射线衍射由布拉格定律确定，定义为nλ = 2dsinθ。该定律将波长与衍射角及晶格在晶体样品内的原子间距(称为d间距)联系起来。通过使用固定波长(即单色X射线)，可以确定特定角度下的d间距。将样品或探测器旋转至完整角度范围，可以测量材料的完整轮廓。

　　衍射实验主要有两种类型：粉末衍射和单晶衍射。粉末衍射用于研究多晶样品。通过用单色X射线束照射粉末，每个d间距和固定角度θ都会产生一个衍射X射线锥。图像探测器记录绕射X射线锥形环形。D间距可以通过将环周围角度的峰值强度与角度θ拟合来计算。这通常通过软件完成。对于粉末衍射，必须在全角度范围内测量样品以获得完整轮廓，因为粉末材料晶格的取向会随机。通过将d间距曲线与已知参考曲线进行比较，还可以确定粉末的化学信息。

　　图2：粉末衍射如何形成一个衍射X射线锥体的示意图，这些锥体在图像探测器上以环形形式记录。每个间距规则的晶体会产生不同的衍射锥，便于识别和表征样品。

　　单晶衍射是最古老且最精确的衍射方法之一。它还利用单色X射线来获取单晶的晶格结构。单晶中X射线的衍射产生三维斑点阵列，图像板记录下来。可见的斑点来自有限数量的晶格面，称为区。通过旋转晶体或探测器，可以测量每个区域，推导出整个晶体结构。

　　图3：用于单晶衍射的典型四圆绕射仪示意图。衍射仪有4个不同的旋转段，以获得完整的结构剖面。

　　单晶衍射也可用于确定矿物的完整结构。原子的散射能力取决于晶格中原子的密度、原子序数以及每次反射中X射线的强度。这些参数用于确定晶胞内每个原子的位置。因此，只要有足够高质量的数据，就可以从单色X射线束中确定完整的矿物结构。

　　白光(即多种X射线波长)也可以用于单晶衍射。绕射光不是三维的光点阵列，而是被拉长的，被称为“铅笔”。布拉格条件在铅笔长度不同波长处满足。虽然可以确定衍射角度，但无法确定哪些细长斑点对应哪个角度和波长对，从而无法计算d间距。为解决此问题，需要校准探测器位置，并比较斑点之间的角度与衍射方向之间的角度。通过这种方式，可以确定晶体的结构和取向。