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X射线衍射仪的原理
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X射线衍射仪的原理

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  • 发布时间:2020-08-28
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【概要描述】X射线晶体学是用于确定晶体的原子和分子结构的技术,其中晶体结构导致入射X射线束衍射到许多特定方向。

X射线衍射仪的原理

【概要描述】X射线晶体学是用于确定晶体的原子和分子结构的技术,其中晶体结构导致入射X射线束衍射到许多特定方向。

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X射线晶体学是用于确定晶体的原子和分子结构的技术,其中晶体结构导致入射X射线束衍射到许多特定方向。通过测量这些衍射光束的角度和强度,晶体学家可以产生晶体内电子密度的三维图像。根据该电子密度,可以确定晶体中原子的平均位置,以及它们的化学键,它们的晶体学障碍和各种其他信息。
由于许多材料可以形成晶体 - 例如盐,金属,矿物,半导体,以及各种无机,有机和生物分子 - X射线晶体学已经成为许多科学领域发展的基础。在其使用的最初几十年中,该方法确定了原子的大小,化学键的长度和类型,以及各种材料(尤其是矿物和合金)之间的原子级差异。该方法还揭示了许多生物分子的结构和功能,包括维生素,药物,蛋白质和核酸如DNA。 X射线晶体学仍然是表征新材料的原子结构和通过其他实验看起来相似的辨别材料的主要方法。 X射线晶体结构还可以解释材料的不寻常的电子或弹性特性,阐明化学相互作用和过程,或者作为设计抗疾病药物的基础。
在单晶X射线衍射测量中,晶体安装在测角仪上。测角仪用于将晶体定位在选定的方向。用精细聚焦的单色X射线束照射晶体,产生规则间隔点的衍射图案,称为反射。使用傅里叶变换的数学方法将在不同取向下拍摄的二维图像转换成晶体内电子密度的三维模型,并结合样品已知的化学数据。如果晶体太小或内部构造不够均匀,可能会导致分辨率(模糊)甚至误差。
X射线晶体学与确定原子结构的几种其他方法有关。类似的衍射图案可以通过散射电子或中子产生,其同样通过傅里叶变换解释。如果不能获得足够大小的单晶,可以应用各种其他X射线方法来获得不太详细的信息;这些方法包括纤维衍射,粉末衍射和(如果样品未结晶)小角度X射线散射(SAXS)。如果所研究的材料仅以纳米晶体粉末的形式获得或者具有差的结晶度,则可以应用电子晶体学方法来确定原子结构。
对于所有上述X射线衍射方法,散射是弹性的;散射的X射线具有与入射X射线相同的波长。相比之下,非弹性X射线散射方法可用于研究样品的激发,如等离子体激元,晶体场和轨道激发,磁子和声子,而不是原子的分布。

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