材料的衍射方法

衍射方法通过测量X射线、中子或电子如何从原子的周期性排列中散射，来确定材料的晶体结构和物相组成。

Definition

衍射方法是一种表征技术，其中波长与原子间距相当的辐射从晶体材料中散射，产生编码周期性原子结构和存在物相的干涉图样。

Scope

本主题涵盖基于衍射的表征：布拉格散射的物理学、用于物相鉴定和结构测定的单晶和粉末X射线衍射、中子和电子衍射的互补作用，以及分析衍射图谱以提取晶格参数、晶粒尺寸和应变。它阐述了衍射如何揭示存在的晶相及其原子排列方式。

Core questions

• 布拉格定律如何将衍射角与原子间距联系起来？
• 粉末衍射如何用于物相鉴定？
• 中子和电子衍射提供了哪些互补信息？
• 如何从衍射图谱中提取晶格参数、晶粒尺寸和应变？

Key concepts

• 布拉格定律
• 单晶和粉末衍射
• 物相鉴定
• 中子和电子衍射
• 晶格参数
• 晶粒尺寸和应变

Key theories

布拉格衍射

只有当从连续原子平面散射的波之间的路径差是波长的整数倍时，晶体才会衍射辐射；这个布拉格条件确定了出现强度的角度，并将衍射图样直接与晶面间距联系起来。

粉末衍射和物相分析

多晶样品呈现所有晶体取向，在特征角度产生环状或峰状图样，可作为物相鉴定的指纹，并通过全谱拟合进行定量结构和微观结构分析。

Mechanisms

入射辐射在整个晶体中与电子或原子核发生散射；由周期性平面中的原子散射的波会发生干涉，仅在布拉格角处增强，因此测得的位置给出晶面间距，强度给出晶胞内的原子排列。

Clinical relevance

衍射是验证合成是否产生预期晶相、鉴定未知相和杂质以及跟踪加工、反应和操作过程中结构变化的主要工具，使其成为几乎所有固态和材料化学的基础。

History

劳厄于1912年证明晶体可以衍射X射线，以及布拉格父子的衍射定律和首次结构测定，使得固体的原子结构得以测量。里特维尔德在1960年代后期引入的全谱拟合方法，将粉末衍射转变为一种用于结构和物相分析的定量工具。

Key figures

• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg
• Hugo Rietveld

Seminal works

• cullity2014
• west2014

Frequently asked questions

为什么使用X射线研究晶体？

X射线的波长与晶体中原子间的间距相当，这是发生衍射所需的条件。长波长光无法分辨原子平面，因此X射线（以及类似的中子和电子）是探测晶体结构的合适探针。

单晶衍射和粉末衍射有什么区别？

单晶衍射使用一个取向晶体来收集完整的三维反射集，用于详细的结构解析。粉末衍射使用许多随机取向的微晶，产生一维图样，非常适合快速物相鉴定和定量分析。