【面试必备】一文了解X射线衍射学基础知识重点

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材料分析方法对于建立材料组织结构和性能之间的联系具有重要作用。作为材料专业的应届毕业生，在平时的课程中已学过各种分析方法的基本原理，在实验和毕业设计中使用过主要的材料测试设备，掌握相关的材料分析测试方法是材料专业毕业生的必备能力。因此，材料分析测试方法成为研究生复试的重要内容，面试导师会根据你的相关课程、毕设内容等方面进行提问。
本系列提供材料分析方法的简要内容，各位考生可以根据自己的课程和毕业设计掌握对应的分析方法基本原理和主要功用。
01  X 射线是什么？

X射线是一种频率极高（30 PHz到 30 EHz），波长极短（0.01 nm~10 nm）、能量很大的电磁波。X 射线的波长介于紫外线和 γ 射线之间。
X 射线为电磁波，因此具有波粒二象性。
① 波动性：以一定的频率和波长在空间传播；
② 粒子性：X射线是由粒子流构成。
与可见光相比，X 射线穿透力更强，入射晶体时会发生衍射，其波长比可见光的要短很多。
02  X 射线如何产生？

产生X射线的三个基本条件：
（1）产生自由电子；
（2）使电子做定向高速运动；
（3）在其运动的路径上设置一个使其突然减速或停止的装置。
X射线通过X射线管产生，X射线管主要包括阴极和阳极。
阴极：阴极通过通电、加热，发射大量高速电子轰击阳极，从而产生X射线。阴极一般由钨丝制成。
阳极：使电子突然减速和发射X射线的地方，亦称靶。阳极材料一般为 Cu、Cr、Fe、Mo。
03  X 射线与物质的相互作用

X射线入射至物质时，会与物质发生复杂的交互作用，从能量转换的角度来看，即物质对入射X射线的吸收、散射及沿原入射方向的透射；入射X射线对样品原子的电离（荧光效应、俄歇效应）等。在这些过程中，物质被激发出多种信号，利用这些信号可以对材料的特性进行表征、分析及研究，如图1所示。




图1

入射X射线除了散射和透射掉一部分外，其能量将被物质吸收，转变为热能，光电效应、荧光效应、俄歇效应等。
光电效应：入射X射线光子的能量足够大时，可将内层电子击出，使其成为自由光电子，产生光电效应。
荧光效应：当X射线光子具有足够能量时，可以将原子内层电子击出，产生光电效应。此时，原子处于激发态，外层电子将向内层空位跃迁，同时释放波长一定的特征X射线。称为二次特征X射线或荧光X射线，这种现象叫做荧光效应。
俄歇效应：原子发射的一个电子导致另一个或多个电子（俄歇电子）被发射出来，而非辐射X射线（不能用光电效应解释），使原子、分子成为高阶离子的物理现象，是伴随一个电子能量降低的同时，另一个（或多个）电子能量增高的跃迁过程。
04  如何利用X射线分析晶体结构

当 X 射线入射晶体时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所发生衍射。
X 射线照射两个晶面距为d的晶面时，受到晶面的反射，两束反射 X 光波程差2dsinθ为入射波长的整数倍时，即2dsinθ=nλ（n为整数），两束光的相位一致，发生相长干涉，这种干涉现象称为衍射，晶体对X射线的这种衍射规则称为布拉格定律。




图2

θ称为衍射角（入射或衍射X射线与晶面间夹角）。n相当于相干波之间的位相差。
晶面间距一般为物质的特有参数，对一个物质若能测定数个d及与其相对应的衍射线的相对强度，则能对物质进行鉴定。