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，通過測量X射線在晶體中的衍射信號，揭示物質的晶體結構、物相組成及應力狀態。其核心工作原理可拆解為以下環節：
一、X射線產生：高速電子撞擊靶材的能量轉換
XRD使用X射線管作為光源，其陰極發射高速電子流，在數萬伏高壓電場加速下撞擊陽極靶材（如Cu靶）。電子與靶材原子內層電子相互作用，使內層電子被激發，外層電子躍遷填補空位時釋放特定波長的X射線。例如，Cu靶產生的Kα射線波長為0.154nm，適合大多數晶體結構分析。
二、晶體衍射：原子周期排列的干涉效應
當單色X射線照射到晶體上時，晶體中規則排列的原子成為散射源。每個原子散射的X射線波長與入射波相同，但相位因原子位置差異而不同。由于晶體結構的周期性，散射波在特定方向（滿足布拉格方程）發生相長干涉，形成衍射峰。布拉格方程2dsinθ=nλ是核心理論基礎，其中d為晶面間距，θ為入射角，n為衍射級數，λ為X射線波長。
三、信號檢測與處理：從衍射峰到結構信息
衍射X射線通過測角儀（核心部件）精確調整角度，被探測器接收并轉換為電信號。系統記錄衍射角（2θ）和強度數據，生成衍射圖譜。通過分析圖譜中衍射峰的位置、強度及形狀，可確定晶體結構（如晶系、晶胞參數）、物相組成（與標準PDF卡片比對）及殘余應力（峰位偏移分析）。例如，材料結晶度可通過峰與背景噪聲的強度比評估。
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