引入

怎么知道一个分子的原子在三维空间中怎么排列?

为什么晶体能把 X 射线“分开”?

为什么 XRD 测不准氢原子的位置?

化学中确定分子三维结构最直接的方法是 X 射线衍射(XRD)。晶体中的原子排列具有周期性,X 射线波长与原子间距相当(),因此晶体可以作为 X 射线的三维衍射光栅。

正文

定义

X 射线衍射是 X 射线在晶体周期性结构中发生相干散射,在特定方向产生衍射极大值的现象。通过分析衍射图样可以反推晶体的原子排列。

布拉格方程

将晶体看作由平行晶面组成,X 射线在不同晶面上散射。当相邻晶面散射光的光程差等于波长的整数倍时,发生相长干涉:

符号含义单位
晶面间距
布拉格角(入射角)度
衍射级数整数
X 射线波长

注意 是入射光线与晶面的夹角,不是与法线的夹角。这一点容易搞错。

为什么需要特定波长

由布拉格方程,要产生可观测的衍射:

所以 。原子间距约 –,因此 X 射线波长应在同一量级。

辐射类型波长能否用于晶体衍射
可见光–不能(波长太长)
X 射线–能
电子–能(电子衍射)
中子–能(中子衍射)

衍射图样的物理含义

信息来源决定因素
衍射方向(角度)布拉格方程晶胞大小和形状
衍射强度结构因子晶胞内原子的种类和位置

通过测量大量衍射点的角度和强度,可以反推出晶胞中电子密度的三维分布,从而确定原子位置。

晶体与非晶体的区别

特征晶体非晶体
原子排列长程有序(周期性)短程有序,长程无序
XRD 图样锐利的衍射峰弥散的宽散射峰
熔点固定软化温度范围

“锐峰 vs 宽包”是判断晶态最直接的方法。完全无序的液体和气体没有布拉格峰。

实际应用

方法适用信息
单晶 XRD高质量单晶完整三维结构(原子坐标、键长、键角)
粉末 XRD多晶粉末物相鉴定、晶胞参数
小角散射(SAXS)纳米结构颗粒尺寸、形状
蛋白质晶体学蛋白质晶体生物大分子结构

粉末 XRD 被称为“物相指纹”:每种晶体有独特的峰位组合,与数据库比对即可鉴定物相。

局限

X 射线与电子云相互作用,因此:

局限原因
氢原子位置难确定氢只有一个电子,散射弱
难以区分原子序数相近的元素电子数相近,散射能力接近
需要晶体样品非晶态、液体、气体不适用
可能受辐射损伤高强度 X 射线会破坏生物样品

与其他衍射方法的对比

方法相互作用对象优势
X 射线衍射电子云常规结构分析
中子衍射原子核对轻原子(氢)敏感
电子衍射电子云(静电势)可测纳米晶体、气体分子

中子不带电,能穿透电子云直接与原子核作用,所以能精确定位氢原子,弥补 XRD 的不足。

常见误区

错误说法问题
“XRD 能直接看到原子”是反推电子密度分布
“布拉格角是与法线的夹角”是与晶面的夹角
“所有固体都能做 XRD”需要长程有序
“XRD 能测出所有原子的位置”氢原子通常测不准

引出

X 射线衍射的物理本质与光的衍射相同,只是“光栅”换成了三维晶体。

晶体的周期性结构在物理学中有更系统的描述,见晶体结构与布拉维格子。

中子衍射可以补充 XRD 的不足——中子与原子核直接作用,对轻原子(如氢)更敏感。