什么是X射线衍射，他的用途是什么？

在X射线衍射实验中，将样品置于仪器中心并用X射线束照射，X射线管和探测器同步运动，来自样品的信号被记录并绘制成图表，其中观察到与样品的原子结构相关的峰值。

大多数材料由许多小晶体组成，如海滩上的沙子，这些晶体中的每一个都由规则排列的原子组成，每个原子都由一个被电子云包围的原子核组成，X射线衍射的故事就是在这个尺度上开始的。

X射线是具有称为波长的重复周期的高能光，由于X射线的波长类似于晶体中原子之间的距离，因此可以使用一种称为“衍射”的特殊干涉效应来测量原子之间的距离，当X射线互相作用时，就会发生干涉，如果波对齐，则信号被放大，这被称为“建设性干涉“，如果波不对齐，则信号被破坏，这被称为“破坏性干涉”。

当X射线遇到原子时，其能量被电子吸收，电子在原子周围占据特殊的能态，由于这不足以释放电子，因此能量必须以新X射线的形式重新发射，但能量与原始X射线相同，这个过程称为“弹性散射”。

在晶体中，原子的重复排列形成由明确定义的距离分开的不同平面。当原子平面暴露于X射线束时，X射线被规则间隔的原子散射，发射信号的强烈放大，发生在散射波相长干涉的非常特定的角度，这种效应称为“衍射”。

入射光束和散射光束之间的夹角称为2-theta。为了发生相长干涉，散射波必须对齐，这意味着第二个波必须传播整数个波长。

在这种情况下，一半波长在入射侧传播，另一半在散射侧传播，产生一个额外的波长，在下一个X射线的情况下，一个波长在入射侧和散射侧传播，从而产生两个波长。

这种强化发生在整个晶体中，发生衍射的确切角度将由红色三角形确定。顶部的角度是theta，是入射光束和散射光束之间角度的一半，长边是原子平面指甲剪的距离，而我们知道的短边是波长的一半，衍射角和原子间距之间的关系可以通过应用正弦函数来确定，重新排列这个方程会产生一个通常称为“布拉格定律”的方程，以威廉亨利爵士和威廉劳伦斯布拉格爵士的名字命名，这对父子团队因使用X射线衍射分析晶体结构而获得了1915年的诺贝尔奖。

今天，这种X射线衍射技术用于各种材料，从单晶外延薄膜到多晶粉末混合物，甚至是随机取向的无定形材料，X射线衍射有助于科学家开发新药物，根据矿物成分对岩层进行分类，并了解原子排列如何，影响储能材料的行为。

随着科学家推动他们在原子水平上设计材料的能力，X射线衍射成为他们工具箱中越来越重要的工具。设备设计的进步是X射线衍射比以往任何时候更容易使用和更强大。