Il diffrattometro a raggi X (XRD)È uno strumento chiave per l'analisi della struttura cristallina dei materiali. Il suo principio fondamentale si basa sulla diffusione coerente dei raggi X da parte degli atomi cristallini. Misurando l'angolo di diffrazione (l'angolo tra la direzione dei raggi X incidenti e quella diffratta) e analizzando il modello di diffrazione in combinazione con la legge di Bragg, è in grado di decodificare accuratamente informazioni strutturali chiave come il tipo di cristallo, la spaziatura interplanare e le costanti reticolari. Ciò fornisce una base oggettiva per l'identificazione della composizione del materiale e l'analisi di fase.

I. Principio fondamentale: il legame fondamentale tra angolo di diffrazione e struttura cristallina

Il ruolo ponte della legge di Bragg: quando i raggi X colpiscono un cristallo, gli atomi disposti periodicamente diffondono i raggi X. Un segnale di diffrazione viene prodotto quando le onde diffuse dai piani cristallini adiacenti (piani paralleli formati dalla disposizione atomica) soddisfano la condizione per l'interferenza costruttiva. Questa condizione è descritta quantitativamente dall'equazione di Bragg: 2d·peccatoio= nl(dove *d* è la spaziatura interplanare,ioè metà dell'angolo di diffrazione, *n* è l'ordine di diffrazione elè la lunghezza d'onda dei raggi X). In questa equazione, la lunghezza d'onda dei raggi Xlè noto (ad esempio,l= 1,54 Å per un bersaglio di rame). Misurando l'angolo di diffrazione 2io, la spaziatura interplanare *d* può essere calcolata. Questa spaziatura *d* serve come un'impronta digitale caratteristica della struttura cristallina—diverse disposizioni atomiche in cristalli diversi danno luogo a valori *d* distinti e corrispondenti angoli di diffrazione.

Il significato strutturale dell'angolo di diffrazione: l'angolo di diffrazione riflette direttamente la dimensione della spaziatura interplanare. Un *d* più piccolo si traduce in un sin maggiore.ioe quindi un angolo di diffrazione più grande 2io(ad esempio, i piani cristallini con elevata densità atomica hanno tipicamente d più piccoli e angoli più grandi). Al contrario, un d più grande si traduce in un angolo di diffrazione più piccolo. Ad esempio, per l'alluminio cubico a facce centrate, il suo piano (111) ha una spaziatura d di circa 2,338 Å, corrispondente a un angolo di diffrazione 2iodi circa 38,4°; mentre per il ferro cubico a corpo centrato, il suo piano (110) ha una spaziatura *d* di circa 2,027 Å, corrispondente a 2θ ≈44.7°Le differenze negli angoli di diffrazione consentono una rapida differenziazione tra i tipi di struttura cristallina.

II. Il processo di decodifica: dai dati dell'angolo di diffrazione alle informazioni strutturali

Identificazione di fase: corrispondenza dell'impronta digitale dell'angolo di diffrazione: ogni fase cristallina ha un modello di intensità relativa dell'angolo di diffrazione univoco (ad esempio, una scheda PDF standard). Durante un test XRD, lo strumento esegue la scansione attraverso una gamma di angoli di diffrazione 2io(tipicamente 5°a 90°) e registra l'intensità del picco di diffrazione a ciascun angolo. Il valore misurato 2ioi valori dei picchi vengono confrontati con le schede PDF standard. Se gli angoli di diffrazione corrispondono entro una deviazione specificata (ad esempio,≤0,2°) e i rapporti di intensità dei picchi sono coerenti, la presenza di quella fase nel materiale è confermata. Ad esempio, in un materiale in lega, se il modello misurato mostra picchi di diffrazione a 2io= 43,3°, 50.4°e 74,1°, corrispondente alla scheda PDF standard per il rame, conferma la presenza di una fase di rame.

Calcolo della costante reticolare: quantificazione precisa delle dimensioni dei cristalli: la costante reticolare (ad esempio, *a* per un cristallo cubico) è un parametro chiave che descrive la periodicità della disposizione atomica e può essere calcolata dall'angolo di diffrazione e dagli indici di Miller (hkl). Per un cristallo cubico, la relazione tra la spaziatura interplanare *d* e la costante reticolare *a* è: d = a /√(H²+ k²+ l²). Combinando questo con la legge di Bragg si ottiene: a = nλ √(H²+ k²+ l²) / (2 peccatoio). Misurando iliovalore per picchi di diffrazione ad alto angolo (ad esempio, 2io> 60°per ridurre l'errore di misura) e sostituendo gli indici di Miller noti (ad esempio, per i piani (200) o (220)), è possibile calcolare la costante reticolare *a*. Ciò aiuta a identificare le distorsioni reticolari (ad esempio, variazioni di *a* dovute allo stress applicato, che causano spostamenti nell'angolo di diffrazione).

Analisi delle dimensioni e dello stress dei cristalliti: sottili variazioni nell'angolo di diffrazione: quando i grani del materiale vengono raffinati, i picchi di diffrazione si allargano. Utilizzando la formula di Scherrer (B= Kl/ (D cosio), DoveBè l'allargamento del picco, D è la dimensione dei cristalliti e K è una costante), combinata con l'angolo di diffrazioneioe larghezza del piccoB, è possibile calcolare la dimensione dei cristalliti D. Se esiste uno stress interno, il reticolo subisce una deformazione elastica, causando una variazione della spaziatura interplanare *d*, che a sua volta porta a uno spostamento dell'angolo di diffrazione—la sollecitazione di trazione aumenta d, diminuendo 2io; lo stress compressivo diminuisce d, aumentando 2ioL'entità di questo spostamento angolare consente un'analisi quantitativa dello stress interno.

III. Vantaggi tecnici: analisi strutturale accurata ed efficiente

Il diffrattometro XRDdecodifica la struttura del materiale attraverso l'analisi dell'angolo di diffrazione senza danneggiare il campione (test non distruttivo). Offre un'elevata risoluzione (precisione dell'angolo di diffrazione fino a±0,001°) e può identificare fasi in tracce presenti a livelli bassi fino all'1%. Il processo di analisi è rapido (una singola scansione richiede in genere circa 10-30 minuti) e può fornire simultaneamente informazioni strutturali multidimensionali, tra cui composizione di fase, costanti reticolari e dimensioni dei cristalliti. È ampiamente utilizzato nell'analisi strutturale in settori come materiali metallici, ceramiche, polimeri e minerali, fornendo dati di base a supporto della ricerca e sviluppo sui materiali e del controllo qualità.