XRD（X-ray Diffraction），中文全稱為X射線衍射，是指入射的X射線被晶體中的原子散射，由于晶體結構的周期性，這些散射光是相干的，相干散射光互相疊加干涉，在特定的方向出現加強的現象。布拉格使用晶面反射的模型形象的解釋了三維晶體對X射線的衍射現象。XRD通過測量材料內原子平面對X射線的衍射來研究和量化材料結晶性質。這種技術對材料中的原子類型、原子相對位置以及晶體有序結構的長度范圍非常敏感。

 XRD能做什么？ 

要對一種材料進行準確的描述，通常需要兩個方面的信息：材料中含有哪些元素 以及 這些元素是如何排列的。

第一個問題通常由化學分析技術來回答，并給出材料中元素的比例。這就是化學式，通常稱為化學計量學。

第二個問題就交給了XRD，如，碳酸鈣材料的化學式為 CaCO3，但在自然界中會有兩種不同的原子排列方式。一種是正交晶系（orthorhombic），一種是三方晶系（trigonal），前者是文石，后者是方解石。而區分這兩種晶體結構的的方法就是XRD。由此我們得出結論：

XRD（X射線衍射）可以用來區分不同的晶體結構。

X射線衍射技術對從亞埃級到幾納米級的長度范圍非常敏感，特別適合研究具有數十納米級到微米范圍內有序排列的材料。XRD可以測量材料中存在哪些晶相，并給出各物相的含量，結合適當的分析方法，還可以給出非晶相的含量。

除了上述這些，XRD可以測定晶面之間的間距，給出晶胞參數以及晶粒尺寸，可以研究材料的結構和單晶材料的外延層。

XRD的應用領域  

作為常規的材料表征手段，XRD是為數不多的可以給出材料中原子排列方式的技術之一，因此在各行各業都有廣泛的應用。

XRD應用領域圖示[1]

1、材料科學與工程

分析材料的晶體結構、相組成、結晶度、晶粒尺寸和微觀應力。研究金屬、陶瓷、半導體、聚合物和復合材料的物理性質和相變過程。

2、化學和化學工程

研究催化劑的結構和活性相變化。分析化合物的純度和結晶度，監控化學反應中的相變。

3、地質學和礦物學

鑒定和定量分析礦物成分。研究巖石和礦物的晶體結構、變質作用和地質歷史

4、制藥學

鑒定藥物的多晶型，研究藥物的結晶度和晶型穩定性。分析藥物的純度和雜質，研究藥物與輔料的相互作用。

5、環境科學

分析土壤和沉積物中的礦物成分。研究污染物的形態和分布，如重金屬污染物在土壤中的形態分析。

6、納米科技

研究納米材料的晶體結構、粒徑和形態。分析納米材料的物理和化學特性。

7、物理學

研究材料的電子結構、磁性和超導性。分析物質的結構相變和物理特性。

8、考古學和藝術品分析

鑒定古代陶器、金屬器物和繪畫顏料的材料組成和來源。研究歷史文物的制作工藝和保存狀況。

9、食品科學

分析食品中的晶體成分，如脂肪結晶和乳糖結晶。研究食品加工過程中晶體結構的變化。

10、電子和光電材料

研究半導體材料的晶體結構、缺陷和摻雜。分析光電材料的晶體相和結構性能關系。

這些領域的研究和應用依賴于XRD技術提供的詳細結構信息，有助于理解材料和化學物質的基本性質及其在不同條件下的行為。

前面，我們討論了XRD能做什么

下面讓我們看看XRD的歷史

XRD的歷史

首先，當然是作為技術基石的X射線，這個名字：Wilhelm Conrad R?ntgen

威廉·康拉德·倫琴，

這也是第一屆諾貝爾物理學獎的得主。

Wilhelm Conrad R?ntgen

1895年發現了X射線。

僅僅一年之后，X射線就開始應用在醫療領域

John Hall Edwards

1896年的1月11日在伯明翰拍攝了第一張X光照片。

對于XRD，必須提到的是：William Lawrence Bragg與父親William Henry Bragg爵士 和以他們名字命名的布拉格方程，布拉格方程說明了X射線在晶體中衍射的方式和衍射峰的位置，從而揭示了晶體中原子的排列方式。使用布拉格公式，科學家可以通過X射線衍射圖來確定晶體中原子的種類、排列和間距等信息，從而深入研究物質的性質與特性。1915年，他們因此獲得了諾貝爾獎。

William Henry Bragg  

通過 X 射線衍射解決的第一個晶體結構是硫化鋅

William Lawrence Bragg 

1915年諾貝爾物理學獎有史以來最年輕的獲獎者（25歲）。

讓我們看看因為有了XRD而獲得的突破……

 XRD  

1. 彼得·德拜（Peter Debye） - 1936年諾貝爾化學獎：德拜因對分子的結構和對X射線衍射的應用研究獲獎。他的工作包括開發了對氣體分子的結構進行分析的技術，這對于理解氣體的物理化學性質至關重要。

   
   

2. 詹姆斯·德懷特·沃特森（James D. Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick） - 1962年諾貝爾生理學或醫學獎：他們因揭示了DNA的雙螺旋結構而獲獎，這一發現建立在XRD技術提供的關鍵數據之上，特別是由羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）和莫里斯·威爾金斯（Maurice Wilkins）收集的X射線衍射圖像。

   
   

3. 多蘿西·克勞福特·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin） - 1964年諾貝爾化學獎：霍奇金因利用X射線衍射技術揭示了復雜有機分子的三維結構，包括維生素B12、青霉素和胰島素的結構而獲獎。

   
   

4. 曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）、羅納德·諾雷施（Ronald Norrish）和喬治·波特（George Porter） - 1967年諾貝爾化學獎：他們因對極快化學反應的研究獲獎，其中包括使用XRD技術分析化學反應的中間體和產物結構。

   
   

5. 亞倫·克盧格（Aaron Klug） - 1982年諾貝爾化學獎：克盧格因他在蛋白質-核酸復合物的結構研究方面的貢獻，尤其是利用XRD和電子顯微鏡結合的方法來研究這些復雜結構。

   
   

6. 赫伯特·豪普特曼（Herbert A. Hauptman）和杰羅姆·卡爾（Jerome Karle） - 1985年諾貝爾化學獎：他們因發展了確定小分子晶體結構的直接方法而獲獎，這些方法在XRD數據分析中至關重要。

   
   

7. 羅伯特·科爾（Robert Curl）、哈羅德·克羅托（Harold Kroto）和理查德·斯莫利（Richard Smalley） - 1996年諾貝爾化學獎：他們因發現富勒烯（一種碳的特殊形態）而獲獎。XRD技術在表征富勒烯的結構中發揮了重要作用。

   
   

8. 羅杰·科恩伯格（Roger Kornberg） - 2006年諾貝爾化學獎：科恩伯格的研究涉及真核轉錄的分子基礎，他使用了X射線晶體學來解析相關的蛋白質復合物的結構 。

   
   

9. 阿達·尤納特（Ada Yonath）、托馬斯·斯泰茨（Thomas Steitz）和維內特·拉馬克里斯南（Venkatraman Ramakrishnan） - 2009年諾貝爾化學獎：他們因研究核糖體的結構和功能而獲獎。通過XRD技術，他們成功解析了核糖體的高分辨率結構，揭示了蛋白質合成的分子機制。

   
   

10. 布萊恩·科比爾卡（Brian Kobilka） - 2012年諾貝爾化學獎：科比爾卡在研究G蛋白偶聯受體（GPCRs）的過程中使用了XRD設備。這項工作對于理解細胞信號傳導機制至關重要 。

由此，我們不難發現XRD技術是推動現代科學發展的核心技術之一。它在解析分子結構、理解生物過程和開發新材料等方面的應用，使得它在科學研究中具有無可替代的重要性。

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