X射线衍射(3)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射线衍射的应用范围非常广泛，现已渗透到物理、化学、地球科学、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的实验方法和结构分析手段，具有无损试样的优点。

X射线是一种波长很短(约为20～0.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用高能电子束轰击金属“靶”材产生X射线，它具有与靶中元素相对应的特定波长，称为特征（或标识）X射线。考虑到X射线的波长和晶体内部原子面间的距离相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射花样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。

布拉格衍射示意图

当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。

1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：2dsinθ=nλ

式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长。布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。 

Darwin的理论称为X射线衍射运动学理论。该理论把衍射现象作为三维Frannhofer衍射问题来处理，认为晶体的每个体积元的散射与其它体积元的散射无关，而且散射线通过晶体时不会再被散射。虽然这样处理可以得出足够精确的衍射方向，也能得出衍射强度，但运动学理论的根本性假设并不完全合理。因为散射线在晶体内一定会被再次散射，除了与原射线相结合外，散射线之间也能相互结合。Darwin不久以后就认识到这点，并在他的理论中作出了多重散射修正。

Ewald的理论称为动力学理论。该理论考虑到了晶体内所有波的相互作用，认为入射线与衍射线在晶体内相干地结合，而且能来回地交换能量。两种理论对细小的晶体粉末得到的强度公式相同，而对大块完整的晶体，则必须采用动力学理论才能得出正确的结果。

通常定量分析的样品细度应在45微米左右，即应过325目筛。

有Pcpdgwin，Search match，High score和Jade，比较常用的是后两种。

High score

（1）可以调用的数据格式更多。

（2）窗口设置更人性化，用户可以自己选择。

（3）谱线位置的显示方式，可以让你更直接地看到检索的情况

（4）手动加峰或减峰更加方便。

（5）可以对衍射图进行平滑等操作，使图更漂亮。

（6）可以更改原始数据的步长、起始角度等参数。

（7）可以进行0点的校正。

（8）可以对峰的外形进行校正。

（9）可以进行半定量分析。

（10) 物相检索更加方便，检索方式更多。

（11）可以编写批处理命令，对于同一系列的衍射图，一键搞定。

Jade

和Highscore相比自动检索功能少差，但它有比之更多的功能。

（1）它可以进行衍射峰的指标化。

（2）进行晶格参数的计算。

（3）根据标样对晶格参数进行校正。

（4）轻松计算峰的面积、质心。

（5）出图更加方便，你可以在图上进行更加随意的编辑。

此外，还有Pcpdgwin和searc

考虑到X射线的波长和晶体内部原子间的距离(0.3-几nm)相近，1912年德国物理学家劳厄(M.von Laue)提出一个重要的科学预见：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析在照相底片上得到的衍射图样，便可确定晶体结构。这一预见随即为实验所验证。1913年英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格定律：

2d sinθ=nλ

式中λ为X射线的波长，n为任何正整数，又称衍射级数。其上限为以下条件来表示：

nmax=2dh0k0l0/λ，

dh0k0l0<λ/2

只有那些间距大于波长一半的面族才可能给出衍射，以此求纳米粒子的形貌。

当X射线以掠角θ(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时,在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。布拉格定律简洁直观地表达了衍射所必须满足的条件。当 X射线波长λ已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一θ角符合布拉格条件的反射面得到反射,测出θ后，利用布拉格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。这便是X射线结构分析中的粉末法或德拜-谢乐(Debye—Scherrer)法的理论基础。而在测定单晶取向的劳厄法中，所用单晶样品保持固定不变动（即θ不变）,以辐射束的波长作为变量来保证晶体中一切晶面都满足布拉格条件,故选用连续X射线束。如果利用结构已知的晶体，则在测定出衍射线的方向θ后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。

人体哪些部位吸收X射线多

人体组织结构的密度可归纳为三类：属于高密度的有骨组织和钙化灶等；中等密度的有软骨、肌肉等；低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道、胃肠道、鼻窦和乳突内的气体等。

人体组织结构和器官形态不同，厚度也不一致。其厚与薄的部分，或分界明确，或逐渐移行。厚的部分，吸收X线多，透过的X线少，薄的部分则相反。人体各部位细胞对X射的反应程度不一，其中以性腺最为敏感。辐射能够引起生殖细胞遗传物质的变化，形成遗传效应。这种变化表现为基因突变和染色体畸变。近年来，对辐射的遗传效应有了一些新的认识，认为在小剂量范围内对遗传方面的影响不大。

技术方面：

可以采取屏蔽防护和距离防护原则。

屏蔽防护是指使用原子序数较高的物质，常用铅或含铅的物质，作为屏障以吸收不必要的x线。

距离防护是指利用x线曝射量与距离平方成反比这一原理，通过增加x线源与人体间距离以减少曝射量。

简单说来，在X线环境中要注意穿戴铅围裙、铅围脖、铅帽、铅眼镜、铅手套、铅面罩及性腺防护等，并利用距离防护原则，加强自我防护。

X 射线衍射技术已经成为最基本、最重要的一种结构测试手段，其主要应用主要有以下几个方面：

物相分析是X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。

结晶度定义为结晶部分重量与总的试样重量之比的百分数。非晶态合金应用非常广泛，如软磁材料等，而结晶度直接影响材料的性能，因此结晶度的测定就显得尤为重要了。测定结晶度的方法很多，但不论哪种方法都是根据结晶相的衍射图谱面积与非晶相图谱面积决定。

精密测定点阵参数 常用于相图的固态溶解度曲线的测定。溶解度的变化往往引起点阵常数的变化；当达到溶解限后，溶质的继续增加引起新相的析出，不再引起点阵常数的变化。这个转折点即为溶解限。另外点阵常数的精密测定可得到单位晶胞原子数，从而确定固溶体类型；还可以计算出密度、膨胀系数等有用的物理常数。

基本构成

（1） 高稳定度X射线源　提供测量所需的X射线, 改变X射线管阳极靶材质可改变X射线的波长, 调节阳极电压可控制X射线源的强度。

（2） 样品及样品位置取向的调整机构系统　样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。

（3） 射线检测器　检测衍射强度或同时检测衍射方向, 通过仪器测量记录系统或计算机处理系统可以得到多晶衍射图谱数据。

（4） 衍射图的处理分析系统　现代X射线衍射仪都附带安装有专用衍射图处理分析软件的计算机系统, 它们的特点是自动化和智能化。

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材料测试的常规方法。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。

X射线衍射仪是利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析.广泛应用于冶金,石油,化工,科研,航空航天,教学,材料生产等领域.

X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却。

XRDX-射线衍射（Wide Angle X-ray Diffraction）主要是对照标准谱图分析纳米粒子的组成，分析粒径，结晶度等。

应用时应先对所制样品的成分进行确认。在确定后，查阅相关手册标准图谱，以确定所制样品是否为所得。

劳埃利用连续X射线照射硫酸铜单晶体获得衍射斑点图就是第一个用于晶体研究的例子，劳埃同时推导劳埃的衍射方程研究晶体结构。从那以后布拉格父子等一批物理学家和化学家利用X射线衍射研究了许多无机物晶体结构；上世纪20年代开展了有机物晶体结构的测定工作，30年代开始利用X射线对胃蛋白酶、胰岛素等蛋白质和生物物质晶体结构进行研究。至今经过许多科学工作者的努力，积累了大量的晶体结构数据，现在已经有20多万种，并在国际上建立了五种主要的晶体学数据库。

（1）剑桥结构数据库（The Cambridge Structural Database,CSD）。它有近16万种X射线或中子衍射测定的三维晶体结构数据（统计到1997年）。该数据库收集含碳化合物（包括有机物、有机金属化合物及无机含碳化合物，如碳酸盐等）的结构数据。有多种检索方法如：化合物名称、作者姓名、某些原子基团、整个分子或部分化学结构等。

（2）蛋白质数据库（The Protein Data Bank,PDB）。该库开始建立于1971年，建立在美国Brookhaven国家实验室。现已有127020多个生物大分子的三维结构数据（统计到2017年初）。数据库中对每个蛋白质晶体列出下列内容：收集的衍射数目、修正方法、偏差数值、已测定水分子位置的数目、蛋白质分子中氨基酸连接次序、螺旋、折叠层及转弯的分析、原子坐标参数，以及和蛋白质结合的金属原子、底物及抑制剂等的坐标参数等。

（3）无机晶体结构数据库（The Inorganic Crystal Structural Database），建立在德国，约3万多个无机化合物的结构（不含C—C和C—H键的化合物）。

（4）NRCC金属晶体学数据文件（The National Research Council of Canada Crystallographic Data File,NRCC）。该建立在加拿大，约为1.1万个金属合金、金属间物相及部分金属氢化物和氧化物。

（5）粉末衍射数据文件（The Powder Diffraction File）。该库建立在美国，汇集有6.7万种单相物质的粉晶衍射资料（统计到1997年） ，称为国际衍射数据中心的粉晶数据库（JCPDS-ICDD）。储存各化合物的晶面间距dhkl和相对强度、晶胞、空间群和密度等数据，主要用于物质的鉴定。