X射线衍射仪工作原理

X射线衍射仪是一种基于X射线衍射原理的科学仪器，主要用于研究物质的晶体结构、织构和应力。这种技术在多个领域，如冶金、石油、化工、科研、航空航天、教学和材料生产中发挥着重要作用。 X射线是由电子束轰击金属靶产生的，特征X射线因其特定波长对应于靶中元素而得名。1912年，劳厄（M.von Laue）提出假设，认为晶体能够对X射线产生空间衍射，导致光线在某些方向增强，其他方向减弱。后来，布拉格父子（W.H. Bragg, W.L. Bragg）发展了这一理论，提出了著名的布拉格定律：λ=2d*sinθ，其中λ是X射线的波长，d是晶面间距，θ是入射角的余角，也称为布拉格角。这个定律成为解析晶体结构的基础。 X射线衍射仪的工作主要依赖于衍射线的分析。例如，粉末法或德拜-谢乐法可以用来确定点阵平面间距、晶胞大小和类型，进一步了解晶胞内原子的排列。另一方面，劳厄法用于测定单晶取向，通过改变X射线的波长来确保所有晶面满足衍射条件。X射线谱术则是通过已知晶体分析，确定X射线的波长，进而识别出产生特征X射线的元素，这对于材料成分分析非常有用。 在金属学中，X射线衍射技术有多种应用。物相分析是最常见的，包括定性和定量分析，以确定材料中的物相组成和含量。它能够精确测量点阵参数，如在固态溶解度曲线的研究中，点阵常数的变化揭示了溶解度极限。此外，取向分析可以测定单晶和多晶的结构，比如硅钢片的择优取向。晶粒大小和微观应力的测定对于了解材料性能至关重要，而宏观应力的测定则影响了机械零件的寿命。通过对晶体结构不完整性的研究，可以探索位错、层错等晶体缺陷。X射线衍射还能用于合金相变研究，包括脱溶和有序无序转变等。此外，它还能进行结构分析，揭示新材料的晶体学特性。在非晶态金属和液态金属研究中，它能提供关于结构信息的数据。X射线衍射还可用于特殊状态下的分析，如高温、低温或瞬态过程。 X射线衍射仪是探究物质微观结构的强大工具，其工作原理和广泛应用充分体现了物理学与材料科学的交叉融合，对科技进步有着不可忽视的贡献。