X射线衍射分析技术

宋霄森

摘要：当今时代，能量、信息和材料是现代社会发展的三大支柱。成分、结构、制备工艺和性能是材料科学的四个基本元素。成分和结构从根本上决定了材料的性能。对材料的成分和结构进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控制的前提。材料分析技术是关于材料成份、结构、微观形貌与缺陷等的现代分析与测试技术及其有关理论基础的科学。X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。

关键词：x射线 晶体 衍射分析

一、x射线分析发展简史

材料分析技术的一般原理是通过采用入射电磁波或物质波（如电子束或离子束）与样品相互作用（及认为引入微扰），产生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波，对这些出射的信号进行分析检测，根据被测信号与材料分析成分、结构、价键信息的特征关系达到材料分析的目的。每种分析技术均包括信号发生、信号检测、信号处理和信号读出等几个步骤。相应的分析仪器则由信号发生器、检测器、信号处理器与读出装置几部分组成。

1895年德国学者伦琴，作阴极射线衍射实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它性能和本质，故称x射线，也称伦琴射线。1909年，巴克拉发现，x射线与产生x射线的物质（靶）的原子序数（z）有关，由此发现了标识x射线，并认为此x射线是原子内层电子跃迁产生。1908年-1909年，德国物理学家，将x射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（及原子间距）近似与1埃数量级。1912年，劳埃提出非凡预言：x射线照射晶体时，将产生衍射。随后，为解释衍射图像，提出了牢埃方程。1916年开始应用x射线粉晶方法，时候1924年建立x射线物象分析方法。

二、x射线衍射分析原理

X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格（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。波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风砂和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法与周转晶体法。劳埃法以光源发出连续X射线照射置于样品台上静止的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线。根据底片位置的不同，劳埃法可以分为透射劳埃法和背射劳埃法。背射劳埃法不受样品厚度和吸收的限制，是常用的方法。劳埃法的衍射花样由若干劳埃斑组成，每一个劳埃斑相应于晶面的1～n级反射，各劳埃斑的分布构成一条晶带曲线。周转晶体法以单色X射线照射转动的单晶样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录产生的衍射线，在底片上形成分立的衍射斑

三、x射线衍射分析应用及优缺点

X射线衍射技术的应用范围非常广泛现已渗透到物理、化学、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的分析方法物质结构的分析。尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法，？但是X？射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段，？而且X？射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法.x射线线形分析经常用于获得镶嵌块尺寸和微观应变这两个重要的微观结构参量。

从70年代以来，随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射，高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。

晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是X射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱 ，用粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。？目前，物相分析存在的问题主要有：⑴待测物图样中的最强线条可能并非某单一相的最强线，而是两个或两个以上相的某些次强或三强线叠加的结果。这时若以该线作为某相的最强线将找不到任何对应的卡片。⑵在众多卡片中找出满足条件的卡片，十分复杂而繁锁。虽然可以利用计算机辅助检索，但仍难以令人满意。⑶定量分析过程中，配制试样、绘制定标曲线或者K值测定及计算，都是复杂而艰巨的工作。为此，有人提出了可能的解决办法，认为从相反的角度出发，根据标准数据（PDF卡片）利用计算机对定性分析的初步结果进行多相拟合显示，绘出衍射角与衍射强度的模拟衍射曲线。

X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度。宏观应力均匀分布在物体中较大范围内，产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面間距变化相同，导致衍射线向某方向位移，这就是X射线测量宏观应力的基础；微观应力在各晶粒间甚至一个晶粒内各部分间彼此不同，产生的不均匀应变表现为某些区域晶面间距增加、某些区域晶面间距减少，结果使衍射线向不同方向位移，使其衍射线漫散宽化，这是X射线测量微观应力的基础。

X 射线分析的新发展，金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和有机材料，纳米材料测试的常规方法。而且还用于动态测量。早期多用照相法，这种方法费时较长，强度测量的精确度低。50年代初问世的计数器衍射仪法具有快速、强度测量准确，并可配备计算机控制等优点，已经得到广泛的应用。但使用单色器的照相法在微量样品和探索未知新相的分析中仍有自己的特色。从70年代以来，随着高强度X 射线源（包括超高强度的旋转阳极X射线发生器、电子同步加速辐射，高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，使金属 X射线学获得新的推动力。这些新技术的结合，不仅大大加快分析速度，提高精度，而且可以进行瞬时的动态观察以及对更为微弱或精细效应的研究。

四、总结

不仅仅是x射线衍射技术的不断成熟，现代材料分析技术的快速发展也使我们的生活得到日新月异的变化，在不断革新者的当代科学技术，一些新概念、新知识、新理论、新技术、新工艺、新文艺被人们所接受，国家的科技水平，人民的生活水平不断提高。我国的科研水平在不断提高，社会在不断进步，作为当代青年，我们要紧跟时代的步伐，努力学习汲取新知识，新技术，新信息，做时代的弄潮儿。

参考文献：

[1]百度百科

[2]王瑶瑶，x射线多晶衍射分析技术，齐鲁工业大学

[3]汽车百科全书编撰委员会，汽车百科全书。北京：中国大百科全书出版社，2010