X射线衍射仪（XRD）工作原理深度解读
2025-11-20
X射线衍射仪（XRD）基于布拉格衍射原理，通过测量X射线在晶体中的衍射信号，揭示物质的晶体结构、物相组成及应力状态。其核心工作原理可拆解为以下环节：
一、X射线产生：高速电子撞击靶材的能量转换
XRD使用X射线管作为光源，其阴极发射高速电子流，在数万伏高压电场加速下撞击阳极靶材（如Cu靶）。电子与靶材原子内层电子相互作用，使内层电子被激发，外层电子跃迁填补空位时释放特定波长的X射线。例如，Cu靶产生的Kα射线波长为0.154nm，适合大多数晶体结构分析。
二、晶体衍射：原子周期排列的干涉效应
当单色X射线照射到晶体上时，晶体中规则排列的原子成为散射源。每个原子散射的X射线波长与入射波相同，但相位因原子位置差异而不同。由于晶体结构的周期性，散射波在特定方向（满足布拉格方程）发生相长干涉，形成衍射峰。布拉格方程2dsinθ=nλ是核心理论基础，其中d为晶面间距，θ为入射角，n为衍射级数，λ为X射线波长。
三、信号检测与处理：从衍射峰到结构信息
衍射X射线通过测角仪（核心部件）精确调整角度，被探测器接收并转换为电信号。系统记录衍射角（2θ）和强度数据，生成衍射图谱。通过分析图谱中衍射峰的位置、强度及形状，可确定晶体结构（如晶系、晶胞参数）、物相组成（与标准PDF卡片比对）及残余应力（峰位偏移分析）。例如，材料结晶度可通过峰与背景噪声的强度比评估。
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