X射线衍射法

　　概念

　　X射线晶体学是一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科。更准确地说，利用电子对X射线的散射作用，X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得原子的位置信息，即晶体结构。(以下论述以高分子材料的X射线晶体学为主)由于所有的原子都含有电子，并且X射线的波长范围为0.001-10纳米(即0.01-100埃)，其波长与成键原子之间的距离(1-2埃附近)可比，因此X射线可用于研究各类分子的结构。但是，到目前为止还不能用X射线对单个的分子成像，因为没有X射线透镜可以聚焦X射线，而且X射线对单个分子的衍射能力非常弱，无法被探测。而晶体(一般为单晶)中含有数量巨大的方位相同的分子，X射线对这些分子的衍射叠加在一起就能够产生足以被探测的信号。从这个意义上说，晶体就是一个X射线的信号放大器。X射线晶体学将X射线与晶体学联系在一起，从而可以对各类晶体结构进行研究，特别是蛋白质晶体结构。

　　根据X射线穿过物质的晶格时所产生的衍射特征，鉴定物质成分与结构的方法。利用晶体对X射线的衍射效应，研究晶体的内部结构，最终确定出不同的或相同的原子在晶胞内的位置(即原子的排列方式)。它包括：①根据晶体的晶形、劳埃图以及某些物理性质(如压电性、旋光性等)，确定出晶体的晶系和对称型;②根据回摆图或旋转图测定出晶胞参数;③根据晶体化学组成及其密度和晶胞参数，计算出单位晶胞内分子数，从而算出单位晶胞内各种原子的数目;④对魏森堡图或回摆图进行指标化，即对照片上每一衍射点确定其晶面指标的过程，然后根据衍射系统消光的特点定出衍射群，再结合其他性质定出空间群;⑤根据衍射点的指标和对应每一衍射点的衍射强度，并通过对强度数据进行一系列修正，还原为结构振幅;⑥再根据这许多由实验得到的结构振幅资料，或运用直接法(求出其相角)，或结合晶体化学原理运用试差法(反复假设试用结构)，最终确定出每个原子在单位晶胞内的坐标。X射线衍射技术已经成为研究粘土矿物(尤其是研究泥岩和碳酸盐岩中的粘土矿物)的最重要手段，并且也是研究各种自生矿物的重要手段，并能对泥、页岩中自生矿物和碎屑矿物做定量分析，此外还可以用于固体有机质的显微结构与变质程度的研究，这些都是其他分析手段的弱点。

　　X射线衍射法是一种研究晶体结构的分析方法，而不是直接研究试样内含有元素的种类及含量的方法。当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。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光程差2dsinθ使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射线的这种折射规则称为布拉格规则。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，n=1，2…时各称0级、1级、2级……衍射线。反射级次不清楚时，均以n=1求d。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。