X射線衍射儀（XRD）工作原理深度解讀
2025-11-20
X射線衍射儀（XRD）基于布拉格衍射原理，通過(guò)測(cè)量X射線在晶體中的衍射信號(hào)，揭示物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成及應(yīng)力狀態(tài)。其核心工作原理可拆解為以下環(huán)節(jié)：
一、X射線產(chǎn)生：高速電子撞擊靶材的能量轉(zhuǎn)換
XRD使用X射線管作為光源，其陰極發(fā)射高速電子流，在數(shù)萬(wàn)伏高壓電場(chǎng)加速下撞擊陽(yáng)極靶材（如Cu靶）。電子與靶材原子內(nèi)層電子相互作用，使內(nèi)層電子被激發(fā)，外層電子躍遷填補(bǔ)空位時(shí)釋放特定波長(zhǎng)的X射線。例如，Cu靶產(chǎn)生的Kα射線波長(zhǎng)為0.154nm，適合大多數(shù)晶體結(jié)構(gòu)分析。
二、晶體衍射：原子周期排列的干涉效應(yīng)
當(dāng)單色X射線照射到晶體上時(shí)，晶體中規(guī)則排列的原子成為散射源。每個(gè)原子散射的X射線波長(zhǎng)與入射波相同，但相位因原子位置差異而不同。由于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，散射波在特定方向（滿足布拉格方程）發(fā)生相長(zhǎng)干涉，形成衍射峰。布拉格方程2dsinθ=nλ是核心理論基礎(chǔ)，其中d為晶面間距，θ為入射角，n為衍射級(jí)數(shù)，λ為X射線波長(zhǎng)。
三、信號(hào)檢測(cè)與處理：從衍射峰到結(jié)構(gòu)信息
衍射X射線通過(guò)測(cè)角儀（核心部件）精確調(diào)整角度，被探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。系統(tǒng)記錄衍射角（2θ）和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，生成衍射圖譜。通過(guò)分析圖譜中衍射峰的位置、強(qiáng)度及形狀，可確定晶體結(jié)構(gòu)（如晶系、晶胞參數(shù)）、物相組成（與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片比對(duì)）及殘余應(yīng)力（峰位偏移分析）。例如，材料結(jié)晶度可通過(guò)峰與背景噪聲的強(qiáng)度比評(píng)估。
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