一、什么是X射线？

X射线是一种电磁辐射，就像可见光一样。电磁辐射是电磁波谱的一部分，它由一组统称为电磁辐射的辐射组成。

电磁辐射种类繁多，例如让我们看到颜色的可见光，能够远距离传输声音的无线电波，甚至我们用来烹饪食物的微波炉。红外线和紫外线来自太阳；红外线是造成全球变暖的元凶，紫外线可以穿透大气层并导致皮肤癌。此外，X射线和伽马射线也属于电磁波谱的一部分，这些射线是由恒星等温度更高、能量更大的物体产生的！

医生或牙医最常使用X射线来检查骨骼和牙齿。X射线的波长在10到0.01纳米之间，比可见光的波长短。

在化学中，X射线的用途之一是X射线晶体学。X射线晶体学是一种确定晶体内原子排列的方法。X射线照射到晶体上后会散射到不同的方向，X射线散射的方式可以帮助研究人员了解晶体的结构。

二、实验室里如何产生X射线？

在实验室中，X射线是在真空管内产生的。高能电子从阴极（正极）发射，撞击阳极（负极）。下图中，通过加热阴极（通常为铜）发射出一束高能电子，这些电子随后向旋转的阳极（通常为钨）行进，撞击阳极后完全停止。撞击释放的能量以X射线的形式释放，然后穿过窗口，朝着预定方向射出。

三、X射线有哪些不同的应用？

X 射线可以穿透密度较低的物体，但无法穿透密度较高的物体。这使得 X 射线成为观察人眼无法穿透的物体的有效工具。X 射线广泛应用于我们生活的方方面面，例如医学、牙科、骨科、计算机轴向断层扫描 (CAT 扫描) 以及实验室。X 射线非常适合无损分析（XRD、EDX 等）。在法医实验室中，它可用于测定任何待测样品中的元素。在运输行业，X 射线用于机场行李扫描，从而揭示任何行李的内部内容。X 射线还用于各行各业的质量控制、质量保证、日常维护和关键部件的监控。

四、什么是晶体？

晶体是由 原子、分子或离子在三维空间 中有序排列的物质构成的。这可以想象成在墙上堆砌砖块（类似于二维有序排列的砖块！）。

五、什么是晶体结构？

晶体结构是指晶体中原子、分子或离子的独特排列。它由一个基序（一组以特定方式排列的原子）和一个晶格组成。基序位于晶格的点上，晶格是三维空间中周期性重复的点阵列。这些点可以被认为是构成相同的微小盒子，称为 晶胞，填充晶格空间。

晶胞边的长度和它们之间的角度称为晶格参数。

自然界中经常观察到，一种元素/分子由于原子周期性排列的差异，可以存在于不同的晶体结构中。材料能够以多种形态或晶体结构存在的特性被称为 多态性。

碳是日常生活中常见的多晶型的例子；它以金刚石和石墨的形式存在，其中金刚石是最坚硬的材料，用于制造切削工具和珠宝。而石墨是一种柔软的材料，用于制造铅笔和润滑剂。下图展示了金刚石和石墨中原子在三维阵列中排列方式的根本区别，它们都由同一种元素碳构成。

六、什么是晶胞和晶格？晶胞和晶格根据原子排列有分类吗？

晶胞是晶体的最小组成部分，是晶体结构中重复序列的代表单位。

晶格是所有晶体的几何基础。晶格可以被认为是点/原子的规则无限排列，其中每个点/原子具有相同的周围环境。这同样适用于一维、二维和三维空间。

三维晶格具有三个非共面的晶格常数（就像鞋盒！），分别由平移矢量 a、b 和 c 表示 （有时分别表示为 x、y 和 z ， 表示三个彼此垂直的顶点），三个顶点 bc、ac 和 ab之间的角度分别 用 α （alpha）、 β （beta）和 g （gamma）表示。

让我们从二维晶格开始，它可以被认为是一个 网络 ，如下所示。

网格是由点（图中粉色圆点！）组成的阵列。上图所示的网格表示围绕每个粉色点（代表原子的位置）的双重旋转对称性。

选择晶胞时，遵循一个通用的晶体学惯例：晶胞是最小的重复单元，其描绘矢量与晶格中的重要对称方向平行或重合。上图中的 a 和 b 是一个可能的晶胞，但如果单独观察，它并不能提供关于晶格对称性的信息。然而， a` 和 b`（绿色）与网络中的对称线（镜像）重合，因此是优选的。

三维晶格（也称为布拉维晶格）可以想象为由规则的网格堆叠而成。如下所示，有 14 种方法可以实现这一点：

14 个布拉维晶格（三维晶格）的晶胞

每个晶格由一个晶胞表示，由三个向量 a、b 和 c勾勒出轮廓。按照惯例，这些向量的选择使得它们既能形成晶格中体积最小的平行六面体，又能与晶格中重要的对称方向平行或重合，因此并非所有常规晶胞都是原始的。在三维空间中，我们会遇到以一对相对面为中心、以体心为中心或以所有面为中心等类型的晶胞。

七、晶胞和晶格中原子的不同排列如何帮助确定化合物的晶体结构？

由于晶胞中原子的排列不同，X射线的衍射图也不同。每种结构都有独特的X射线衍射图（类似于人类的指纹），它提供了关于晶胞和晶格中原子确切空间排列的信息。这反过来又提供了关于晶体结构的信息。

八、什么是“物质”？“物质”有不同的种类吗？

物质是指任何具有质量且在一定程度上具有形状的物质。物质主要有三种类型，通常被称为 物质的三种状态 ，我们在日常生活中都会遇到它们。它们是：

1. 气态： 我们呼吸的空气，以及我们轻柔吹拂时感到舒适的空气，都属于气态。这种物质状态的特点是密度低、粘度高、随压力和温度变化而膨胀和收缩大、易于扩散，并且易于在任何容器中均匀分布。我们呼吸的空气由多种元素的气态组成，其中只有氧气可以被人体吸收。

2. 液体： 可乐、咖啡、茶、啤酒和水都属于液态。与气态相比，液体状态属于凝聚态，因为分子/原子相互吸引；吸引力比气态更强。液体比气体更粘稠，因为它们更稠密，流动阻力更大。液体占据一定的体积，不易压缩。

3. 固体： 我们都生活在固体地球上！在物质的固态中，分子/原子/粒子紧密堆积，并被强大的力结合在一起。分子不能自由移动，但它们可以在固定的位置振动。因此，固体具有稳定而确定的形状。根据原子/分子在固体中的排列方式，固体可以进一步分为两种状态：

• 晶体固体：原子/分子在三维空间中呈现出固定的长程有序周期性排列。常见的例子有岩盐、糖、金属钥匙等。
• 非晶态固体：原子/分子在三维空间中无序排列，或仅呈短程有序排列。常见的例子有窗玻璃、棉花糖等。

除了上述三种物质状态外，还有两种 较少遇到的物质状态，它们是：

4. 等离子体： 物质由原子/分子组成，在标准压强和温度（STP）条件下，物质中电子围绕原子核旋转。如果温度足够高，价电子层中的电子将获得足够的动能脱离原子。在这种情况下，电子不再被束缚在围绕原子核的轨道上。这种状态下，气体变成由摆脱原子核引力的带负电电子和因失去一个或多个电子而带正电的离子组成的集合，这种状态称为等离子体态。

5. 液晶： 它们既不是液体也不是固体。它们像液体一样流动，但具有一些与晶体固体相似的特性。它们的应用示例包括平板液晶电视或笔记本电脑/电脑显示器、手机、手表、计算器、ATM 显示器等。

九、物质是如何变成固态、液态或气态的？

在标准压力和温度下，当两种元素的原子（相同或不同）结合时，生成的分子有可能存在于三种物质状态中的一种。控制和决定状态的因素取决于分子间作用力 (IMF)，当给定分子大量存在时，这种作用力将两个原子/分子结合在一起。一般而言，除少数例外，较弱的IMF会导致形成气态，稍强的IMF会导致形成液态，而非常强的IMF会导致生成的分子形成固态。

十、什么是晶体固体？物质是如何结晶的？固体是如何形成单晶和多晶的？

晶体固体是指原子、离子或分子以明确的三维排列方式排列的任何固体。晶体固体通常具有平坦、光滑的表面或面，这些表面彼此之间形成一定的角度。原子、离子或分子的有序排列形成了这些面，也使得固体具有高度规则的形状。石英和钻石是两种常见的晶体固体。

任何凝固成晶体的化合物在自然状态下都以多晶形式存在，很少以单晶形式存在。原子、离子或分子首先形成多晶固体，然后进一步生长形成单晶。为了形成多晶固体，必须有足够数量的原子彼此紧密靠近，这些原子在凝固过程中形成聚集体，最终形成多晶。然而，如果这种凝固和聚集发生在含有过量一个原子/分子的化学系统中，则形成的多晶将充当“种子”，更多的原子/分子在其上结合在一起生长以形成更大的单晶。

十一、什么是X射线衍射？它在化学中有什么应用？

X射线在晶体中被原子反射的现象称为衍射。衍射的X射线会产生一种图案，揭示特定化合物中每个原子的结构方向。

X 射线衍射广泛应用于化学领域，用于表征制药公司生产的有机和无机化合物或手机电池。

XRD 利用 X 射线来测定分子的几何形状。该技术基于长程有序结构（晶体固体）对 X 射线的弹性散射。根据样品的形态和尺寸，XRD 技术分为两类：

1. 如果晶体样品足够大，就可以用 X射线单晶衍射进行分析， 该技术可以解析从简单的无机固体到复杂的大分子的完整结构。当我们说“足够大的晶体”时，请注意，它们对于肉眼来说仍然足够小（大多数情况下就像一粒灰尘！）。

2. 如果无法形成足够大的晶体，则使用X射线粉末衍射（XRPD）技术分析样品 。晶体材料的粉末会发生X射线衍射。一束X射线穿过具有随机取向微晶的样品，会在远处的屏幕上产生环状图案。XRPD提供的信息量小于X射线单晶衍射，但其更简单、更快速。XRPD可用于确认固体材料的身份，并确定结晶度和相纯度。

十二、XRD 有助于确定结晶化合物的晶体结构和分子式吗？

XRD 是表征晶体材料结构的重要方法。它可以用来测定单晶的晶格参数、单个原子的排列，或用于多晶材料和化合物的相分析。利用 XRD 和 晶体学的知识， 可以确定晶体化合物的晶体结构和分子式。

十三、XRD的原理是什么？

XRD 利用 X 射线来测定分子的几何形状。XRD 技术基于长程有序结构对 X 射线的弹性散射。由于 X 射线的波长与晶体中原子间距相近，因此 X 射线会在晶体中发生衍射。

当X射线束遇到晶体中规则的三维原子排列时，大多数X射线会发生相消干涉并相互抵消，但在某些特定方向上，X射线会发生相长干涉并相互增强。正是这些增强的衍射X射线产生了用于确定晶体结构的特征X射线衍射图。

19世纪初，威廉·L·布拉格（WL Bragg）证明，衍射的X射线就像从晶体内部的一族平面“反射”而来。这些布拉格平面后来以他的名字命名，它们是由原子排列而成的晶体结构，如下图所示。

这些 反射 仅在满足以下方程的特定条件下才会发生：

上述方程也称为布拉格方程。其中， n 为整数（1、2、3……n），λ 为波长， d 为原子平面之间的距离，θ 为 X 射线的入射角。X 射线束的路径更长（但平行），因为它会从相邻的原子平面“反射”。该路径长度差必须等于入射 X 射线束的 1 的整数值，才能发生相长干涉，从而产生增强的衍射光束。

十四、什么是X射线晶体学？

X射线晶体学是一种确定晶体内原子排列的方法，其中一束X射线照射到晶体上并散射到许多不同的方向。根据这些散射光束的角度和强度，可以生成晶体内电子密度的三维图像。根据电子密度，可以确定晶体中原子的平均位置，以及它们的化学键、无序性和其他各种信息。由于许多材料都可以形成晶体——例如盐、金属、矿物、半导体以及各种无机、有机和生物分子。X射线晶体学在许多科学领域的发展中发挥了基础性作用。

十五、什么是晶体结构？

晶体结构是晶体中原子/分子/离子的独特排列。晶体结构由一个模体（一组以特定方式排列的原子/分子/离子）和一个晶格组成。模体位于晶格的点上，晶格是三维空间中周期性重复的点阵列。这些点可以被认为形成相同的尖盒，称为晶胞，填充晶格空间。晶胞边的长度及其之间的角度称为晶格参数。

十六、为什么使用X射线而不是可见光来表征化合物的晶体结构？

X射线和可见光都属于电磁辐射，然而，与能量极低、波长极长的可见光相比，X射线的能量极高，波长极短。X射线的波长短，与晶体中原子间的距离相当，而可见光的波长则很长。

由于结构表征的主要重点是能够看到晶体结构中原子的空间排列，因此与可见光相比，X 射线更为合适。

以下动画可以帮助您了解 X 射线和可见光之间的波长差异以及它们帮助观察晶体结构的能力。

十七、X射线在化学中有哪些应用？

X射线根据其与样品相互作用时产生的现象，有着广泛的应用。这些现象可以分为以下三类：

(a)吸收：X射线束照射到标本上后被吸收。这通常用于医疗目的，通过低能X射线穿过受影响的身体部位来了解骨折等情况。

(b) 散射：是材料分析的基础，通过晶格中的原子排列进行表征。每个晶体由三维规则有序的原子阵列构成；该阵列中的每个原子都具有特定的电子密度，该密度取决于该原子的原子序数。入射的X射线束被这些电子密度散射，并产生衍射图样，可用于 确定 特定化学物质的晶体结构。

(c) 荧光：当样品受到高能X射线照射时，最内层电子会被释放，从而产生荧光现象。由此产生的空隙由下落的外层电子填补。外层电子的能量必须与内层电子的能量相匹配，才能占据内层电子。多余的能量以荧光的形式释放。由于元素周期表中的每个原子都会释放出特定能量，因此可以对任何样品进行定性和定量的 元素分析 。