X射线衍射是指当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体密切相关，每种晶体所产生的衍射花样都反映出该晶体内部的原子分配规律。晶体对x射线来说是一个独特的三维空间的衍射光栅。
【实验目的】
1. 了解X射线衍射技术的原理
2. 利用X射线衍射技术来表征薄膜
【实验原理】
一、X射线的性质
X射线是一种波长极短，能量很大的电磁波，X射线的波长比可见光的波长更短，它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。
物理特性
1、穿透作用。X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。
2、电离作用。物质受X射线照射时，可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量，根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下，气体能够导电；某些物质可以发生化学反应；在有机体内可以诱发各种生物效应。
3、荧光作用。X射线波长很短不可见，但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时，可使物质发生荧光（可见光或紫外线），荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础，利用这种荧光作用可制成荧光屏，用作透视时观察X射线通过人体组织的影像，也可制成增感屏，用作摄影时增强胶片的感光量。
4、热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能，使物体温度升高。
5、干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。
化学特性
1、感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比，当X射线通过人体时，因人体各组织的密度不同，对X射线量的吸收不同，胶片上所获得的感光度不同，从而获得X射线的影像。
2、着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，可使其结晶体脱水而改变颜色。
生物特性
X射线照射到生物机体时，可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死，致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞，对X射线有不同的敏感度，可用于治疗人体的某些疾病，特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，在应用X射线的同时，也应注意其对正常机体的伤害，注意采取防护措施。
二、X射线的衍射
1912年，劳厄等人将X射线照射到硫酸铜晶体上，在放置于晶体后方的底片上记录到一系列分立斑点。除了入射X射线方向的中心斑点外，,其余的斑,毫无疑问地是由偏离了入射方向的出射X射线造成的，这就是衍射现象。在当时的历史条件下，人们对于晶体内部原子排列的周期性仍然停留在猜测和理论研究的程度,晶体内部的周期还没有得到实验证实。因为X射线的波长与晶体内部原子排列的周期相当,具有三维周期性结构的晶体对于X射线而言就是一个三维衍射光栅。所以,劳厄实验一箭双雕地证实了X射线的波动性和晶体结构的周期性,因而在物理学史上占有非常重要的地位。劳厄考虑到晶体结构的周期性，从经典理论出发得到了用于解释X射线衍射规律的劳厄方程：
式中和分别是入射线和点阵基矢量，和的夹角，而α，β和γ则分别是衍射线和点阵基矢量，和的夹角。H , K , L是整数， 是X射线波长。
1913年英国物理学家布拉格父子(W. H. Bragg)在劳厄发现的基础上，不仅成功地测定了NaCl、KCl等的晶体结构,并提出了作为晶体衍射基础的著名公式──布拉格方程：
2dsinθ=nλ n=1，2，3……
式中d为晶面间距；n为反射级数；θ为掠射角；λ为X射线的波长。布拉格方程是X射线衍射分析的根本依据。如图1所示
图1 布拉格方程推导用图
劳厄方程和布拉格方程指明了衍射X射线在空间什么位置出现，也就是解决了衍射几何的问题。除了衍射几何理论外，X射线衍射理论还包括衍射强度理论，用来指明影响衍射X射线强度的各种因素，特别是晶体微结构方面的因素。在现代X射线衍射仪上测到的X射线粉末衍射谱如图2所示，图中的衍射峰来自于样品的某一晶面的衍射，可以用晶面的密勒指数来标识这些衍射峰。在衍射谱上我们可以得到衍射峰的位置、强度和衍射峰形状等三方面的信息，对这些信息进行综合研究和分析，原则上就可以知道待测样品晶体微结构方面的信息。
图2 ZnO的X射线粉末状图谱
【实验器材】
Y200型X射线衍射仪如图3所示。X射线衍射仪主要由X射线发生器,测角仪,探测器,测量电路和计算机控制处理系统等组成。测角仪是X射线衍射仪的核心部件,是决定衍射仪测量精度的主要因素,
图3 X射线衍射设备
其光路布置如图4所示。衍射仪系统中的狭缝和单色仪等插入件用来提高X射线的平行性和单色性。普通的衍射仪常用铊活化的碘化钠单晶体和光电倍增管组成闪烁计数器,当晶体吸收一个X射线光子时,便在晶体中产生一个闪光,闪光射人光电倍增管的光敏阴极上激发出许多电子,光电倍增管内装有多个加速电子的联极,一个电子可以倍增到106~107个电子。闪烁计数器可以在高达10"脉冲/秒的计数率下使用,而不会有漏计损失。
图4 测角仪的光路图
【实验内容及步骤】
一、开机
1、首先打开循环水机的电源开关,水机显示的压力范围为0.2-0.3 MPa,温度为202℃.
2、然后打开电脑和按下仪器背部左侧的空气开关,再按下仪器前面控制面板右侧绿色的power on按钮,大约105钟左右控制面板左侧的operate打常量并伴有稳定频率的警告音时,按下DOOR LOCK按钮。
二、开射线及老化
1、打开软件,双击MinFlexGuidance图标,在弹出的登录界面中点击OK进入程序主界面，等待大约20s时间。
2、初始化结束后,在Guidance软件主界面左边,单击Startup按钮。在弹出的Startup窗口中,在Genetator usage选择Use wereryday.然后点击Execute按钮,系统会自动执行老化(Aging),这个时间大约需要8min,在此期间(老化期间)切记不可关闭Guidance软件!老化结束后方可进入样品测试步骤。
三、 样品测试
1、在Guidance菜单栏中,找到Tasks-Package measurement,然后在Guidance软件主界面左上部将General Measurement的折叠相展开,并点击General Measurement ,再单击红色框中1GeneralMeasurement黄色模块,即可打开测量主界面。
2、在测量主界面,设置文件名和保存路径并点击Save保存,输入测试条件后点击OK关闭所有输入窗口，然后单击Guidance软件中的RUN进行测试。
四、 关机
样品测试结束后,在Guidance软件主界面的左边单击Shutdown按钮并关闭X射线后关闭软件,然后等待5min-10min,当循环水实际温度不高于设定温度时,按下仪器前面控制面板中部的Power off按钮,再将仪器背部的电器开关打到OFF,最后关闭循环水机。
【注意事项】
1.在样品制样时,一定将样品面与玻璃面找平,并检查样品面是否平整.
2. 注意X射线管的电压为几十千伏,注意高压安全.
3. 对于新的X射线管和超过100h未使用的 射线管,需进行正常老化;对超过24h但不超过100h未使用的X射线管,需进行快速老化.
【参考文献】
[1] 吴建锋, 赵娜, 徐晓虹. 高分子网络法合成纳米ZnO粉体的XRD分析[J]. 功能材料, 2007, 038(A06):2084-2088.
[2] 侯登录，郭革新，等.2010.近代物理实验.北京：科学出版社.
