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技术分享X射线衍射技术中的晶体与衍射现象
加入日期:2025-08-11 21:20:34     字体大小:       

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当X射线穿透晶体,微观原子世界会以独特的光学语言回应——这便是X射线衍射(XRD)技术,一门揭示物质内部原子排列的核心科学手段。

1.物质分类

物质按照状态分为固体、液体和气体,当然还有等离子态,这里我们不展开讨论等离子态;

固体又分为晶体和非晶体,晶体的特征是原子排列长程有序;非晶体是原子排列短程有序;

原子是组成物质的最小单位;分子是构成物质理化性质的最小单位; 

谈到XRD通常有的同学会把另外一种分析技术与之混淆,就是XRD,简言之,XRF就是测量元素种类与含量;

而XRD是测量物质分子级组成(理化性质)种类与含量;

2.什么是晶体?

晶体是固体物质的存在形态之一,构成晶体的微观粒子(原子、离子、分子等)按一定规则有序排列,形成周期性结构,每隔一定周期重复出现,晶体结构是点阵式结构, (结构基元 = 原子、分子、离子......) ,因此晶体的结构 = 结构基元 + 晶型;

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3.七大基本晶系(晶型)?

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4.十四种布拉维(BRAVAIS)晶格? 

七大晶系加上带心 晶胞,就构成了十四种晶格体系 ,即 Bravais晶格。 

十四种布拉维(Bravais)晶格是指在三维空间中,根据晶格的对称性和原胞类型,可以划分出的14种不同的晶格结构。这些晶格结构是构成所有晶体结构的基础,是晶体学中一个非常重要的概念。

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5.X射线粉末衍射

• 获取粉末等晶粒聚集体组成和结构信息的手段,简称XRPD、XRD;
• 单色X射线照射到样品表面,在其镜面反射方向存在选择性反射的现 象。(粉末中有晶体存在,Bragg-Brentano几何)

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6.X射线的本质

X射线是波长极短、能量极高的电磁辐射,其本质与可见光、红外线、无线电波相同,均以光速传播并具有波粒二象性。

6.1 物理本质:电磁波谱的“短波王者”

  • 波长范围: 约 0.01 nm 至 10 nm(介于紫外线和γ射线之间)。

    • “硬”X射线: 波长较短(< 0.1 nm),能量高(> 12 keV),穿透力强(用于医学成像、工业探伤)。

    • “软”X射线: 波长较长(> 0.1 nm),能量较低(< 12 keV),易被物质吸收(用于表面分析、显微成像)。

  • 能量特征:

    • 光子能量 E = hc/λ(h为普朗克常数,c为光速)。

    • 典型能量范围:100 eV 至 100 keV(远超可见光的2–3 eV)。

  • 波粒二象性:

    • 波动性: 可发生干涉、衍射(如晶体衍射)。

    • 粒子性: 以光子形式与物质相互作用(如光电效应、康普顿散射)。

    • 6.2核心特性

    • 穿透性:

      波长与原子间距(约0.1–0.4 nm)相当,可穿透轻元素物质(如人体组织、薄金属),但被重金属强烈吸收(用于屏蔽防护)。

      强相互作用:

      与物质中原子核外电子云发生多种作用:

      光电效应: X射线光子被吸收,逐出内层电子(光电子)。

      康普顿散射: 光子与电子非弹性碰撞,波长变长(用于材料无损分析)。

      相干散射(弹性散射): 光子与束缚电子作用后,方向改变但能量不变——此过程是X射线衍射的物理基础。

    • 7.X射线衍射的影响

    • > 晶体X 射线衍射的发现使物理学中关于物质结构的认识从宏观进 入微观,从经典过渡到现代,发生了质的飞跃;

      > 影响了有关固体的几乎所有科学部门: 固体物理学、固体化学、 矿物学、土壤学、冶金学、材料学、分子生物学......

       > 诞生了两门崭新的科学:X射线晶体学,X射线波谱学。 

    • 以上就是关于X射线衍射的开篇,后续将持续分享关于X射线衍射的知识。