X射线衍射仪
X-Ray Diffractometer
X射线衍射仪是一种利用X射线与晶体相互作用原理的精密分析仪器。这种仪器广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域，用于确定晶体结构、分析材料相组成和测量晶粒特性。
X射线衍射仪具有非破坏性、高精度的优点，能为科研和工业提供关键的材料结构信息，是现代科学研究不可或缺的工具。
▲Aeris 台式 XRD 系统
运行原理
晶体堆积
想象一下，如果你有一大堆相同的积木，你会怎么堆放它们呢？在自然界中，原子会像整齐摆放的积木一样以特定的方式排列，形成我们称之为"晶体"的结构。科学家们把其中最小的重复单元叫做“晶胞"。
那么，X射线衍射仪是如何"看到"这些原子排列的呢？现在我们借助矩道化学虚拟实验室来说明。X射线是一种波长非常短的电磁波，短到可以穿过原子之间的空隙。当X射线照射到晶体上时，会发生一种叫做"衍射"的现象。这就像是阳光照射在一张CD上，会反射出彩虹般的光芒。
▲晶胞的堆积
布拉格方程
在化学虚拟实验室中，以铜晶体为例，当X射线以特定角度照射时，从不同原子层反射回来的X射线会彼此叠加，形成很强的信号。这种现象遵循着一个叫做"布拉格定律"的规则：nλ = 2d sinθ。其中，已知量λ是X射线的波长，未知量d是原子层之间的距离，即图中AB部分，θ是入射角，n是一个整数，只有当n为整数时，两股分开的X射线波才会为同相位，产生相长干涉。通过分析这些强信号的角度和强度，科学家们就能掌握晶胞中粒子之间的距离，从而推断出原子的排列方式。
▲铜晶胞中布拉格方程部分分析
基础操作
样品制作
我们以另一种常见的金属镍为例。我们借助仿真实验，首先，我们将镍样品研磨成细粉，然后放入样品台中，通过压制的方式完成样品薄片的准备工作，这样可以确保晶体面向各个方向，使得最后得出的数据图谱从各个方向上基本一致。
▲已完成装样的镍样品
送样与采集
对于Aeris台式XRD系统而言，它的自动数据采集系统使得操作能够简化至“送样-采集”两步。不同的XRD系统的操作并不一致，部分需要通过外接计算机来实现启动采集、数据显示等操作。
采集得到的数据是以入射角θ为横轴的波形图，我们可以根据波形图中特定的特征峰，来判断样品中含有的成分，同时根据特征峰出现的角度来计算晶体的排列方式。越纯净的样品在XRD中采集得到的图谱特征峰越清晰明显，混合物需要进行对比筛选才能辨别成分。
▲送样与数据采集
X射线衍射技术在现代化学和材料科学中扮演着重要角色。它不仅帮助我们理解已知物质的结构，还为开发新材料提供了重要工具。从手机屏幕到航空材料，许多现代科技的进步都离不开X射线衍射的贡献。通过这项技术，我们得以窥见原子世界的奥秘，为人类的科技发展开辟了新的道路。
