1 引言
任何物質均由原子、離子或分子所組成。晶體有別於非晶物質，它的內部所含原子、離子或分子具有嚴格的三維有規則的週期性排列。可以從晶體中取出乙個基本單元,稱之為晶胞。
晶體的週期性結構使晶體能對x射線、中子流、電子流等產生衍射效應，形成x射線衍射法、中子流衍射法和電子衍射法，這些衍射法能獲得有關晶體結構可靠而精確的資料，其中最重要的是x—射線衍射法。1912 年勞厄首先發現x射線可以被晶體衍射，開創了晶體結構分析的x射線衍射法此後不久，英國物理學家布拉格父子在勞厄實驗的基礎上，匯出了乙個比較直觀的x射線衍射方程式，從而為x射線衍射理論和技術的發展奠定了堅實的基礎。當某物質(晶體或非晶體) 進行衍射分析時，該物質被x 射線照射產生不同程度的衍射現象，物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。
x射線衍射方法具有不損傷樣品、無汙染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量資訊等優點。因此，x射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現代科學方法，已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。
2 x射線產生及衍射原理
2.1 x射線產生原理
如圖1 所示，x 射線產生的基本原理是以由陰極發射並在管電壓作用下向靶材(陽極) 高速運動的電子流為激發源,致靶材發射輻射，該輻射即為x射線。x射線產生的三個基本條件：
1 產生電子
2 電子的高速運動
3 有障礙物使其突然減速
圖1 x射線產生原理
2.2 x射線衍射基本原理
x射線照射晶體，電子受迫振動產生相干散射，同一原子內各電子散射波相互干涉形成原子散射波。由於晶體內各原子呈週期排列，因而各原子散射波間也存在固定的位相關係而產生干涉作用，在某些方向上發生相長干涉，即形成了衍射波。由此可知，衍射的本質是晶體中原子相干散射波疊加(合成) 的結果。
x 射線同無線電波、可見光、紫外線等一樣，本質上都屬於電磁波，只是彼此之間佔據不同的波長範圍而已。x射線的波長較短，大約在10- 8～10- 10cm之間。x 射線分析儀器上通常使用的x 射線源是x射線管，這是一種裝有陰陽極的真空封閉管,在管子兩極間加上高電壓，陰極就會發射出高速電子流撞擊金屬陽極靶，從而產生x 射線。
當x 射線照射到晶體物質上，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射x 射線波長有相同數量級，故由不同原子散射的x 射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強x 射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結構密切相關，不同的晶體物質具有自己獨特的衍射花樣， 這就是x 射線衍射的基本原理。
3 x射線在材料分析中的應用
3.1 材料分析
材料分析是通過對表徵材料的物理性質或物理化學性質引數及其變化(稱為測量訊號或特徵資訊) 的檢測實現的。採用各種不同的測量訊號(相應地具有與材料的不同特徵關係) 形成了各種不同的材料分析方法。，大體可分為光譜分析、電子能分析、衍射分析與電子顯微分析4 大類方法。
3.2 x射線衍射分析
x射線照射晶體，晶體中電子受迫振動產生了晶體的衍射波。衍射方向(衍射線在空間分布的方位) 和衍射強度是據以實現材料結構分析等工作的2 個基本特徵.x射線衍射具有無損和結構分析的優點,由它的衍射圖譜可進行如下基本分析：
①固體有哪些物質組成(物相定性分析) ； ②固體中各物相含量組成(物相定量分析) ；③有多大量的物質是結晶態(結晶度)；④固體中多大應力(殘餘應力分析) ； ⑤構成固體的晶粒大小及分布(晶粒分析) ； ⑥構成固體的晶粒取向(組織結構分析)。
3.3 x射線衍射在材料分析中的應用
x射線衍射分析方法在材料分析與研究工作中具有廣泛的用途。
3.1.1 物相分析
1) 物相分析物相分析是指確定材料由哪些相組成和確定各組成相的含量。物相是決定或影響材料效能的重要因素，因而物相分析在材料、冶金、機械等行業中得到廣泛應用，物相分析有定性分析和定量分析2 種。
①物相定性分析的目的是檢測固體樣品中的相組成，採用未知樣品衍射圖譜與標準圖譜比較的辦法。如果衍射圖譜相同即可確定為該物相。但如果樣品為多相混合試樣時，衍射線條譜多,譜線可能發生重疊，就需要根據強度分解組合衍射圖譜來確定。
②物相定量分析就是確定物質樣品中各組成相的相含量。 根據衍射強度理論，物質中某相的衍射強度ii與其質量百分數xi 成如下關係。
ii = kixi/ um (1)
其中， ki 為由實驗條件和待測相而共同決定的常數;
xi 為質量百分數; um 為待測樣品的平均質量吸收係數，與xi 有關。
根據um 的校正提出一系列物相定量分析方法，如內標法、k 值法、直接對比法，一般相定量分析誤差可控制在5 %以下。
3.1.2 殘餘應力分析
殘餘應力分析將產生應力的各種外部因素去除後,物體內部依然存在的應力稱為殘餘應力。在固體樣品中,固體處於彈性極限內，該物質將隨所受外力的大小而發生形變，從微觀的角度來講其晶面間距d 將發生改變,因此，可根據d 值變化來測量殘餘應力σ。由於殘餘應力測試的特殊性，所以必須在x 射線衍射儀基礎上加應力附件測試。
3.1.3 奈米材料粒徑的表徵
奈米材料的顆粒度與其效能密切相關。奈米材料由於顆粒細小,極易形成團粒。採用通常的粒度分析儀往往會給出錯誤的資料。
採用x 射線衍射線線寬法(謝樂法) 可以測定奈米粒子的平均粒徑。謝樂微晶尺度計算公式為:
d = (1)
其中λ為x 射線波長，：為衍射線半高峰寬處因晶粒細化引起的寬化度，測定過程中選取多條低角度(2θ≤50°) x射線衍射線計算奈米粒子的平均粒徑。顧卓明等採用謝樂法測定了奈米碳酸鈣粒子和奈米稀土(主要為ceo2 ) 粒子的平均粒徑,測定結果為。
dcaco3 = 39.3nm；dceo2 = 11. 0 nm，另外他們採用透射電鏡法測定兩種粒子粒徑的結果為，dcaco3= 40.
2nm ；dceo2 = 12. 7nm；兩種方法的測量結果比較吻合，說明謝樂法測定奈米粒子粒徑是可信的。
4 x射線在晶體衍射中的應用
4.1 x射線晶體衍射的理論依據
設有一束波長λ為的單色x 射線入射到面間距為的晶面組(如圖1 所示) ，晶面組與入射線和反射線的交角為。(.等於衍射光線和入射光線夾角的一半) ，相鄰的晶面(如圖1 中的晶面1 與晶面2) ，所反射的x射線的光程差為mb + bn，由於ob 垂直於晶面組,所以等於晶面間距，om 垂直於入射線，因此， ∠mob等於入射角， mb = bn = obsin =。
所以，光程差mb + bn = 2。發生衍射的必要條件是光程差是波長的整數倍, 由此推得著名的布拉格衍射方程式：
2sin.=⑴
式⑴中為正整數,衍射級數n = 1 ,2 ,3 , 時，分別稱為一級、二級、**， 衍射。只有在滿足布拉格衍射方程式的條件時，才能發生衍射。因此，晶體反射x射線是一種「選擇反射」。
當一束單色x 射線入射到晶體時，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成,這些規則排列的原子間距離與入射x 射線波長有相同數量級,故由不同原子。
4.2 x射線在晶體衍射分析中的應用
4.2.1 x射線衍射峰5要素的物理意義
x射線粉末衍射提供的微觀結構資訊有衍射峰形、衍射位置和衍射強度。x 射線衍射峰是由衍射峰位置( p)、衍射峰形態( sc)、半高寬( hw)、最大衍射強度( i2max)及對稱性( as ) 5個基本要素(引數)確定(如圖積分寬度和積分強度為兩個額外的引數，可由基本引數匯出。
衍射峰形是各種因素的卷積，主要用於里特沃爾德法晶體結構的修正和研究晶體的不完整性，例如應力、缺陷、畸變以及晶粒度的測量等。衍射峰的位置(p) (衍射角)是衍射面網間距的函式，衍射峰位置的變化反映所對應的衍射面網間距的變化。衍射強度是測定晶體結構中原子位置的主要依據，在接近衍射線峰值位置時，衍射強度隨角度的變化比較緩慢，特別是對於點陣常數測量具有重要意義的高角度半高寬較大的衍射線。
如圖4，通過x射線衍射圖譜提供微觀結構資訊，根據某物相的某衍射峰的衍射強度與物相在樣品中的百分含量成正比,故衍射峰的積分強度直接反映了物相在化合物中的百分含量。積分強度即衍射峰面積，它與最大衍射強度、半高寬成正比。
4.2.2 單晶取向和多晶織構確定
單晶取向的測定就是找出晶體樣品中晶體學取向與樣品外座標系的位向關係。雖然可以用光學方法等物理方法確定單晶取向，但x 衍射法不僅可以精確地單晶定向，同時還能得到晶體內部微觀結構的資訊。工作中一般用勞厄法單晶定向。
其根據是底片上勞厄斑點轉換的極射赤面投影與樣品外座標軸的極射赤面投影之間的位置關係。x射線透過物質時會被吸收，故透射法宜用於厚度小且吸收係數小的樣品，背射法中樣品的吸收係數和厚度沒有特殊限制，在實際工作中應用較廣。多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的現象稱為織構。
常見的織構有絲織構和板織構兩種型別。為反映織構的概貌和確定織構指數，有四種方法描述織構:指數、極圖、反極圖和三維取向分布函式,這四種方法適用於不同的情況。
對絲織構，擇優取向現象最好用極圖來描述。要知道其極圖形式，只要求出求其絲軸指數即可，照相法和衍射儀法是可用的方法。板織構的極點分布比較複雜，需要兩個指數來表示，且多用衍射儀進行測定。
5 x射線的其他應用
5.1 x射線螢光光譜法測定地質樣品中的氯
對於地質樣品中氯的測定，x射線螢光光譜粉末壓片法因其試樣製備簡單、可測含量範圍寬、檢測速度快、分析精度高而成為分析工作者的首選方法。但是，該方法也有瑕疵，就是cl 的測定有逐漸公升高的趨勢，對這一問題同行們進行了一些研究，有資料介紹cl 的測定受樣片放置環境和時間的影響。cl 的測定公升高趨勢主要受樣片背襯及樣片接受x 光照射時間的影響，而不與樣片放置環境、放置時間發生關係，只要控制好樣片背襯的質量，以固定程式測量，即控制樣片接受x 光照射時間相同，就能取得滿意的測量效果，很好地完成地質樣品中cl 的測定。
5.2 x射線螢光分析儀分析矽錳合金中的矽錳
x射線螢光光譜的定量分析是通過將測得的特徵x射線螢光強度轉換為濃度實現的。x射線螢光光譜分析矽錳合金有熔融法和粉末壓片法，採用熔融法時，矽錳合金中矽、錳金屬和鉑金坩堝高溫下發生反應，使鉑金坩堝合金化，毀壞鉑金坩堝,因此一般未採用此方法。
5.3青銅器腐蝕產物的研究與處理中的應用
在對一件三國時期青銅附耳鼎的保護處理過程中，發現在鼎身、鼎耳等多處有較多的粉末狀的腐蝕產物，從顏色和形態上看和"粉狀鏽"十分相似，結構十分酥鬆，很容易脫落。我們先對其做了硝酸銀滴定試驗，發現其中並不含cl離子。基於這種情況，我們又對其進行了xrd分析。
分析的結果表明，這種貌似"粉狀鏽"的腐蝕產物，並不含銅的氯化物，其主要成分為碳酸鉛（pbco3）。因其一般也呈粉末狀，為與"粉狀鏽"區別，國內有些學者稱之為"酥粉鏽"，對其形成的機理和處理辦法也進行了一定的**。這種特殊的"酥粉鏽"本身的化學活性較低，不會像青銅病那樣繼續迴圈反應，從而對青銅器的本體構成危害。
但是由於其疏鬆的粉末狀結構，使得水、二氧化碳以及空氣中其他的有害物質在其中積聚並通過其傳遞，對銅器的長期儲存構成潛在的威脅；另外，由於這種鏽的顏色較淺，且結構不穩定，對銅器的陳列效果的影響也是不容忽視的。
X射線的應用及分析方法
材料分析方法 學院 專業 班級 姓名 學號 日期 摘要 1895年x射線被德國物理學家倫琴在研究陰極射線時發現的。而今，x射線的性質 它與物質相互作用的基本原理已經被深入研究，並且在科學研究 醫療與技術工程上獲得廣泛應用，相應的裝置和方法也在不斷地發展中。本文主要論述基本的x射線原理及簡單應用。關鍵...
選修材料分析x射線試題2
2 要求質量高的金屬樣品 3 不宜雙噴電解的金屬與合金樣品 雙噴電解減薄 1 不易於腐蝕的裂紋端試樣 2 非粉末冶金試樣 3 組織中各相電解效能相差不大的材料 4 不易於脆斷 不能清洗的試樣 6 圖說明衍襯成像原理，並說明什麼是明場像 暗場像和中心暗場像。答 設薄膜有a b兩晶粒 b內的某 hkl ...
事件樹法原理及其在堤壩風險分析中的應用
解家畢孫東亞 中國水利水電科學研究院，北京，100044 摘要 提出了事件樹構建的原理和方法 及分枝概率的計算方法，事件樹法能靈活地處理自然變化及認識不確定性等因素引起的系統反應，其在堤壩風險分析中應用較廣。以乙個例項介紹了其在堤防風險分析中的應用，例項考慮了堤防的三種可能破壞模式 漫頂 結構失穩 ...