X射线衍射 石庆荣

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1、浅谈多晶X射线衍射一、简介多晶X射线衍射1895年，德国物理学家伦琴首先发现了X射线。1912年，劳厄发现了晶体的X射线衍射现象；同年，英国物理学家布拉格父子提出了X射线的布拉格衍射方程。X射线是波长介于紫外线和γ射线之间的一种电磁波，波长位于0.01-100埃之间，能穿透一定厚度的物质。而用于研究晶体结构的X射线的波长通常为0.5~2.5埃，因为这个范围的波长与晶体点阵面的间距大致相当。既不会因为波长太长而被吸收，也不会因为波长太短而衍射现象太强不易分辨。X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到

2、有关晶体完整性的大量信息等优点。由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能及其在计算机、航空航天、能源、生物工程等工业领域的广泛应用，人们对晶体的研究日益深入，使得X射线衍射分析成为究晶体最方便、最重要的手段。X射线衍射是探索物质微观结构及结构缺陷等问题的强有力手段。它不但被用来研究固体，还被用来研究液体，不但应用于晶态物质（单晶体和多晶体），还能应用于非晶态物质以及生物组织等的结构分析。因此，X射线学有着极其广泛的应用范围，不但早已成为物理学的一个分支，而且是现代物理分析方法中的一个重要环节。二、实验原理1、多晶衍射有照相

3、法和衍射仪法两类。常用的粉末照相法为德拜-谢乐法（图1）。相机为一金属圆筒，内径通常为57.3毫米或114.6毫米,样品装在圆筒的中心轴线上，通过马达带动使它不停地转动；紧贴内壁放置长条形X光底片；入射的单波长X射线经准直管作用在样品上，穿透样品后的X射线进入射线收集器而被吸收。当单波长Ｘ射线照到一个细晶上时，若某一晶面与入射线的交角满足布喇格方程（见晶体X射线衍射）的要求，则在衍射角2θ处产生衍射线，在底片上形成一衍射点(图2)。由于粉末样品中晶粒的取向是随机的，每一组晶面(hkl)都能给出相应张角为4θ的圆锥形衍射

4、线，作用在长条底片上就形成了一对对弧线。测量任意一条衍射线与出射孔中心的距离L和入射孔与出射孔间的距离Lk，可算出该衍射线对应的衍射角θ，结合所用的波长λ，代入布喇格方程,可算出晶面间距d值。θ＝(L/Lk)×90°；d＝2λ/sinθ。用目测法或测微光度法测量各衍射线的强度I，就可获得一组d-I数据。将所得d-I数据与标准数据对照，即可鉴定样品的物相。2、X射线衍射：（1）布拉格衍射方程：晶体中原子的排列是有规律的、周期性的，当波长跟此数量级相近的X射线入射到晶体上时，位于晶格点阵上的原子将对X射线产生散射。同一晶面

5、族方向上入射角相同的反射线在相互叠加时，如果它们的相位相同将产生干涉。如图所示，当入射X射线与晶面成θ角时，其相邻晶面上的反射的X射线光程差为：δ=OA-OB=OA-OAsin2θ=d（1-cos2θ）/sinθ=2dsinθ当光程差为入射X射线波长的整数倍时，即：δ=2dsinθ=nλ即产生第n级干涉最大值，这就是布拉格方程。（2）X射线衍射的强度：I=I0K

6、F

7、23、X射线粉末衍射仪法当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角符合布喇格

8、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-谢乐法的理论基础。（1）定性物相分析：晶体的粉末X射线衍射图跟人的指纹一样千差万别，图谱上各个衍射峰的强度和对应的衍射角是由晶体内部结构特性决定的。通常衍射峰对应的衍射角取决于晶胞的大小和形状，以此可以对样品组成进行定性物相分析。其衍射线的分布位置和强度有着特征性规律，因而成为物相鉴定的基础。用实验测晶体粉末的衍射图谱，再与PDF数据库对比，便可知道

9、样品的化学成分。三、X射线衍射法的应用由于，X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点，所以X射线衍射技术在冶金、石油、岩石矿物、科研、航空航天、材料生产等领域被广泛应用。本文主要介绍其在药物鉴定和岩石矿物学中的重要作用。1.X射线衍射分析方法在中药鉴定中的应用X射线衍射分析方法具有简便易行、直观、图谱信息量大、指纹性强、稳定可靠、所需样品量少、结果可靠的特点，用于中药鉴定是一种比较理想而有效的方法，它不仅可用于植物类、动物类、矿物类中药的鉴定，还可用于菌类中药和中药复

10、方的鉴定，为中药的鉴定提供了准确、简便、可靠的鉴定方法，并为临床安全用药提供了保证。吕扬，郑启泰，吴楠等探究了x射线衍射Fourier图谱分析方法在贝母类、山药类植物类中药中的应用，揭示了中药材道地性的客观规律，并建立了相应评价指标系统。张丽等将马鹿茸的对照X射线衍射图谱与花鹿茸对照X射线衍射图谱进行拓扑分析比较,得出两种来源的鹿