粉末x射线衍射仪使用原理

粉末X射线衍射仪（PXRD）使用原理深度解析

粉末X射线衍射（PXRD）作为一种无损分析技术，在材料科学、化学、地质学、药学以及工业质量控制等领域扮演着至关重要的角色。其核心在于利用X射线与晶体材料的相互作用，揭示物质的晶体结构、相组成、晶粒尺寸、结晶度等关键信息。对于实验室、科研、检测及工业界的专业人士而言，深入理解PXRD的工作原理，是高效利用仪器、准确解读数据的基石。

X射线与晶体的相互作用：衍射的根源

PXRD技术的理论基础是布拉格定律（Bragg's Law）：

$n\lambda = 2d \sin\theta$

其中：

• $n$ 是衍射级数（通常为整数，一般取1）。
• $\lambda$ 是入射X射线的波长（Å）。
• $d$ 是晶体中特定晶面的晶面间距（Å）。
• $\theta$ 是入射X射线束与晶面之间的衍射角（度）。

当一束单色X射线照射到晶体粉末样品上时，X射线会与样品中的原子发生相互作用。晶体内部的原子按照一定的周期性排列，形成具有特定晶面间距的晶格。当X射线的波长$\lambda$与晶面间距$d$满足布拉格衍射条件时，来自同一晶面的原子阵列会对X射线产生相干散射，各个散射波会发生建设性干涉，形成衍射峰。不同晶面的原子排列方式不同，因此具有不同的晶面间距$d$，也就对应着不同的衍射角$\theta$。

PXRD仪器的基本构成与工作流程

一台典型的PXRD仪器主要由以下几个部分组成：

1. X射线源： 通常采用X射线管，通过高压加速电子轰击靶材（如铜、钼、钴等），产生具有特定波长（如Cu Kα 辐射，$\lambda \approx 1.54$ Å）的X射线。
2. 样品台： 用于固定和旋转样品。粉末样品通常制成薄片或放置在样品座中，以便X射线能够与尽可能多的晶面取向的微小晶体颗粒接触。
3. 探测器： 用于收集和测量衍射X射线。常见的探测器类型包括闪烁探测器、比例计数管、盖革计数管以及现代化的二维探测器（如CCD或像素阵列探测器）。探测器会记录在不同衍射角$\theta$下的X射线强度。
4. 测角仪： 精确控制X射线源、样品和探测器之间的角度关系。最常见的测角仪类型是$\theta-2\theta$测角仪，其中X射线管以$\theta$角固定，样品和探测器同步以$\theta$和$2\theta$角旋转，以满足布拉格定律的几何条件。

工作流程：

• X射线管产生X射线束。
• X射线束聚焦后照射到粉末样品上。
• 样品中的晶体颗粒（假定为随机取向）与X射线发生衍射。
• 探测器沿着预设的扫描范围（通常是$2\theta$从几度到几十度或更高）扫描，记录每个角度下的X射线强度。
• 仪器输出一个二维图谱，即X射线衍射图（XRD pattern），横坐标为衍射角$2\theta$，纵坐标为衍射强度。

衍射图谱的解读：信息的宝库

一张典型的PXRD图谱由一系列衍射峰组成。每个衍射峰的位置（即$2\theta$值）直接对应着特定晶面的晶面间距$d$（通过布拉格定律计算），从而反映了物质的晶体结构。而峰的强度则与该晶面在样品中的含量、晶体的规整度以及该晶面的衍射能力有关。

通过与标准数据库（如JCPDS/ICDD数据库）中的已知物质的衍射图谱进行比对，可以鉴定出样品中的物相成分。通过对峰的宽度（半高宽FWHM）和形状的分析，还可以进一步推断出样品的晶粒尺寸（如利用谢乐公式，Scherrer equation）、微晶尺寸、晶格畸变以及结晶度等信息。

例如，利用谢乐公式估算晶粒尺寸：

$D = \frac{K\lambda}{B\cos\theta}$

其中：

• $D$ 是平均晶粒尺寸（nm）。
• $K$ 是谢乐常数（通常取0.9）。
• $\lambda$ 是X射线波长（Å）。
• $B$ 是峰的半高宽（弧度）。
• $\theta$ 是布拉格角（度）。

数据展示（典型衍射峰信息）：

结论

粉末X射线衍射技术凭借其独特的优势，为科研和工业界提供了强大的物质表征手段。深入理解其背后的物理原理，掌握仪器的操作流程，并能准确解读衍射图谱，是每一位从业者必备的专业素养。这不仅有助于提升实验效率和数据质量，更能为深入研究材料的微观结构和宏观性能提供坚实依据。