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X射线衍射是一种重要的结构分析技术。X射线是波长在0.01到10纳米范围内的电磁波，这个波长与原子间距相当，约为0.1纳米。当X射线遇到晶体中规律排列的原子时，会发生衍射现象，即波在遇到障碍物时发生弯曲和散射。正是由于X射线波长与原子间距相当，使得X射线能够探测晶体的原子结构。
晶体具有原子规律排列的周期性结构，形成三维晶格。当X射线照射到晶体时，每个原子都会散射X射线。由于晶体的周期性结构，来自不同原子的散射波在特定方向上会发生建设性干涉，形成衍射峰。只有当光程差等于波长的整数倍时，才会产生建设性干涉，这就是X射线衍射的基本原理。
布拉格定律是X射线衍射的核心理论基础。当X射线照射到晶体的相邻晶面时，每个晶面都会反射X射线。为了产生建设性干涉，来自相邻晶面的反射光线之间的光程差必须等于波长的整数倍。通过几何分析可以得出，光程差等于2d乘以sin θ，其中d是晶面间距，θ是入射角。因此布拉格定律为：n λ等于2d sin θ，其中n是衍射级数。
XRD实验装置主要由X射线源、样品台和探测器组成。在θ-2θ扫描模式中，样品绕其轴心转动角度θ，同时探测器绕同一轴心转动角度2θ。这样的几何配置确保了入射角和衍射角相等，满足布拉格条件。当扫描角度变化时，不同的晶面族依次满足衍射条件，在探测器上形成衍射峰。衍射峰的强度与结构因子和多重性因子相关，峰的位置对应特定的晶面间距。
XRD图谱分析是确定晶体结构的关键步骤。衍射峰的位置直接对应晶面间距，通过布拉格定律可以计算得出。峰的强度反映结构因子，与原子种类和位置相关。峰的宽度则与晶粒大小和应变有关。每个衍射峰都对应特定的米勒指数，如(100)、(110)、(111)等晶面族。通过对比标准数据库，可以确定未知样品的晶体结构类型和晶格参数，这使得XRD成为材料科学中不可或缺的分析工具。