X射线衍射基础科学问题

1. 做 XRD 有什么用途，能看出其纯度?还是能看出其中含有某种官能团？

X射线照射到物质上将产生散射。晶态物质对X 射线产生的相干散射表现为衍射现象，即入射光束出射时光束没有被发散但方向被改变了而其波长保持不变的现象，这是晶态物质特有的现象。

绝大多数固态物质都是晶态或微晶态或准晶态物质，都能产生 X 射线衍射。晶体微观结构的特征是具有周期性的长程的有序结构。晶体的 X 射线衍射图是晶体微观结构立体场景的 一种物理变换，包含了晶体结构的全部信息。用少量固体粉末或小块样品便可得到其 X 射线衍射图。

XRD（X 射线衍射）是目前研究晶体结构(如原子或离子及其基团的种类和位置分布，晶胞 形状和大小等)最有力的方法。

XRD特别适用于晶态物质的物相分析。晶态物质组成元素或基团如不相同或其结构有差异，它们的衍射谱图在衍射峰数目、角度位置、相对强度次序以至衍射峰的形状上就显现出差异。因此，通过样品的 X 射线衍射图与已知的晶态物质的 X 射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定；通过对样品衍射强度数据的分析计算，可以完成样品物相组成的定量分析；

XRD 还可以测定材料中晶粒的大小或其排布取向（材料的织构）...等等，应用面十分普遍、 广泛。 

目前 XRD 主要适用于无机物，对于有机物应用较少。

2. 如何由XRD 图谱确定所做的样品是准晶结构？XRD 图谱中非晶、准晶和晶体的结构怎么严格区分？

三者并无严格明晰的分界。 

在衍射仪获得的 XRD 图谱上，如果样品是较好的"晶态"物质，图谱的特征是有若干或许多个一般是彼此独立的很窄的"尖峰"（其半高度处的2θ宽度在 0.1°~0.2°左右，这一宽度可以视为由实验条件决定的晶体衍射峰的"最小宽度"）。如果这些"峰"明显地变宽，则可以判定 样品中的晶体的颗粒尺寸将小于 300nm，可以称之为"微晶"。晶体的 X 射线衍射理论中有一个Scherrer公式:

可以根据谱线变宽的量估算晶粒在该衍射方向上的厚度。

非晶质衍射图的特征是：在整个扫描角度范围内（从2θ 1°~2°开始到几十度）只观察到被散射的 X 射线强度的平缓的变化，其间可能有一到几个最大值；开始处因为接近直射光束强度较大，随着角度的增加强度迅速下降，到高角度强度慢慢地趋向仪器的本底值。

从 Scherrer 公式的观点看，这个现象可以视为由于晶粒极限地细小下去而导致晶体的衍射峰极大地宽化、相互重叠而模糊化的结果。晶粒细碎化的极限就是只剩下原子或离子这些粒子间的"近程有序"了，这就是我们所设想的"非晶质"微观结构的场景。非晶质衍射图上的一个最大值相对应的是该非晶质中一种常发生的粒子间距离。

介于这两种典型之间而偏一些"非晶质"的过渡情况便是"准晶"态了。

3. 在做Ｘ射线衍射时，如果用不同的靶，例如用铜靶或者 Cr 靶，两者的谱图会一样吗？如果不同的话，峰的位置和强度有啥变化吗？有规律吗？

不同的靶，其特征波长不同。衍射角（又常称为 Bragg 角或2θ角）决定于实验使用的波长（Bragg 方程）。使用不同的靶也就是所用的 X 射线的波长不同，根据 Bragg 方程，某一间距为 d 的晶面族其衍射角将不同, 各间距值的晶面族的衍射角将表现出有规律的改变。因此，使用不同靶材的X射线管所得到的衍射图上的衍射峰的位置是不相同的，衍射峰位置的变化是有规律的。 

而一种晶体自有的一套d值是其结构固有的、可以作为该晶体物质的标志性参数。因此，不管使用何种靶材的 X 射线管，从所得到的衍射图获得的某样品的一套d值，与靶材无关。衍射图上衍射峰间的相对强度主要决定于晶体的结构，但是由于样品的吸收性质也和入射线的波长有关。因此同一样品用不同靶所取得的图谱上衍射峰间的相对强度会稍有差别，与靶材有关。 

重温一下布拉格公式和衍射的强度公式，您的问题答案全都有了。

4. 想知道不同衍射角对应的晶面，怎么办？

如果你的图能够找到对应的粉末衍射数据卡，那么问题就简单了。多数的粉末衍射数据卡上面都给出了各衍射线的衍射指标，也就可以知道对应的晶面了。 

如果是未知晶体结构的图，就需要求解各衍射线的衍射指标，这一步工作叫做"衍射图的指标化"。如自己解决需要具备基础的晶体学知识，然后学会一两个指标化的工具软件（如 treaor90）进行尝试。

5. 对于正交晶系的晶胞参数，其中 a、b、c 代表晶胞的三个棱的长度。但我不清楚如何定义 a、b、c 的方向，也就是说按照什么依据确定这三条棱的方向？是否有明确的规定还是可以任意自定义？

一般来说可以用 a < b < c 的定向原则，其实，用什么方向都可以，它们可以通过矩阵来转换。

晶胞中的 a，b，c，分别是三个晶轴方向上的单位平移向量的长度，称为轴长，不是"三个棱"的长度。轴长符号也常用 a0，b0，c0 表示。轴长单位常用Å（埃，Angstrom） 或纳米（nm）。在晶体结构中没有"棱"这样一种说法，只有晶体坐标系，而这个坐标系是用 a，b，c，α，β，γ 六个参数来表示的，α，β，γ 分别代表三个轴间的夹角。而"晶棱"是指晶体的外形的棱边。所以说"a、b、c 代表晶胞的三个棱的长度"是错误的。

6. 如何计算晶胞体积？比如说我想计算二氧化锆四方晶相的晶胞体积，甚至是各个晶胞参数， 怎么用这个软件来具体处理一下呢？

首先，你要有相应的晶体学方面的知识。这些软件是为我们处理一些晶体学上的一些问题服务，所以，你不能抛开晶体学去使用软件。

有了一些必要的晶体学知识之后，你再去学习 使用这些软件，这样你才能看懂 help 里的内容。对于你现在所讲的这个晶胞体积的问题， 实际上也就是晶胞参数精确测定的问题，因为晶胞参数精确测定了之后，晶胞体积自然就知道了。

7. 有什么软件能根据分数坐标画出晶体的空间结构？就是有八面体或者四面体的那种。

根据晶体的结构结构数据，用 diamond 或 atoms 等专业的晶体结构绘图软件便可画出晶体的空间结构。

8. 六角结构的晶体在生长时它的内在的优先生长方向是哪一个？

一般来说晶体沿短轴方向生长速度快 ,垂直于长轴方向的晶面密度较大，从能量的角度说，当晶体生长时，这样的格位更稳定一些。

9. 如何知道晶体中原子坐标?

做单晶 X－射线衍射才能得到原子的坐标。除了四圆外，CCD 也可进行单晶 X－射线衍射。

10. 如何根据 X 射线衍射数据计算晶粒尺寸晶格常数和畸变，用什么理论和公式？

根据衍射峰的峰形数据可以计算晶粒尺寸晶格常数和畸变。在衍射峰的宽化仅由于晶粒的细小产生的情况下，根据衍射峰的宽化量用 Scherrer 公式便可以估算晶粒在该衍射方向上的厚度。你如果需要做这方面的计算，需要增加一些入门知识，在本公众号上你就能够找到一 些有关资料的。

X射线小角衍射和小角散射问题

11. 小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering)和小角X射线衍射(Small angle x-ray diffraction)是一回事吗？

早期小角 X 射线散射仅指超细颗粒在低角度范围（常指2θ