جهاز حيود الأشعة السينية (حيود الأشعة السينية)يُعدّ جهازًا أساسيًا لتحليل البنية البلورية للمواد. ويعتمد مبدأ عمله على التشتت المتماسك للأشعة السينية بواسطة ذرات البلورة. ومن خلال قياس زاوية الحيود (الزاوية بين اتجاهي سقوط الأشعة السينية واتجاه حيودها) وتحليل نمط الحيود بالتزامن مع قانون براغ، يُمكنه فك تشفير معلومات هيكلية أساسية بدقة، مثل نوع البلورة، والمسافة بين المستويات البلورية، وثوابت الشبكة البلورية. وهذا يوفر أساسًا موضوعيًا لتحديد تركيب المادة وتحليل أطوارها.

أولاً: المبدأ الأساسي: الرابط الجوهري بين زاوية الحيود والبنية البلورية

دور قانون براغ في الربط بين الظواهر: عندما تصطدم الأشعة السينية ببلورة، تعمل الذرات المرتبة دوريًا على تشتيت هذه الأشعة. وتنتج إشارة حيود عندما تحقق الموجات المشتتة من مستويات البلورة المتجاورة (المستويات المتوازية الناتجة عن الترتيب الذري) شرط التداخل البنّاء. ويُعبّر عن هذا الشرط كميًا بمعادلة براغ: 2d·الخطيئةأنا= نل(حيث *d* هي المسافة بين المستويات،أنايمثل نصف زاوية الحيود، و *n* رتبة الحيود، ول(حيث يمثل طول موجة الأشعة السينية). في هذه المعادلة، يمثل طول موجة الأشعة السينيةلمعروف (على سبيل المثال،ل= 1.54 أنغستروم لهدف نحاسي). بقياس زاوية الحيود 2أنايمكن حساب المسافة بين المستويات *d*. وتُعدّ هذه المسافة *d* بمثابة بصمة مميزة لبنية البلورة.—تؤدي الترتيبات الذرية المختلفة في البلورات المختلفة إلى قيم *d* مميزة وزوايا حيود مقابلة.

الأهمية البنيوية لزاوية الحيود: تعكس زاوية الحيود مباشرةً حجم المسافة بين المستويات الذرية. فكلما صغرت قيمة *d*، زادت قيمة الخطيئة.أناوبالتالي زاوية حيود أكبر 2أنا(على سبيل المثال، تتميز المستويات البلورية ذات الكثافة الذرية العالية عادةً بمسافة *d* أصغر وزوايا أكبر). وعلى العكس من ذلك، تؤدي المسافة *d* الأكبر إلى زاوية حيود أصغر. فعلى سبيل المثال، بالنسبة للألمنيوم المكعب ذي المراكز الوجهية، يبلغ تباعد *d* في المستوى (111) حوالي 2.338 أنغستروم، وهو ما يتوافق مع زاوية حيود 2.أناحوالي 38.4°أما بالنسبة للحديد المكعب ذي التمركز الجسمي، فإن مستوى (110) الخاص به يمتلك مسافة بين المستويات تبلغ حوالي 2.027 أنغستروم، وهو ما يعادل 2θ ≈44.7°. تسمح الاختلافات في زوايا الحيود بالتمييز السريع بين أنواع البنية البلورية.

ثانيًا: عملية فك التشفير: من بيانات زاوية الحيود إلى المعلومات الهيكلية

تحديد الطور: مطابقة بصمة زاوية الحيود: لكل طور بلوري نمط فريد لزاوية الحيود - الشدة النسبية (أي بطاقة ملف PDF قياسية). أثناء اختبار حيود الأشعة السينية، يقوم الجهاز بمسح نطاق من زوايا الحيود 2أنا(عادةً 5)°إلى 90°ويسجل شدة ذروة الحيود عند كل زاوية. 2 المقاسةأناتُقارن قيم القمم ببطاقات ملف PDF القياسية. إذا تطابقت زوايا الحيود ضمن انحراف محدد (على سبيل المثال،≤0.2°وإذا كانت نسب شدة الذروة متسقة، يتم تأكيد وجود هذا الطور في المادة. على سبيل المثال، في مادة سبيكة، إذا أظهر النمط المقاس ذروات حيود عند 2أنا= 43.3°50.4°و 74.1°وبما أنه يطابق بطاقة ملف PDF القياسية للنحاس، فإنه يؤكد وجود طور النحاس.

حساب ثابت الشبكة: تحديد دقيق لأبعاد البلورة: يُعد ثابت الشبكة (مثلًا، *a* للبلورة المكعبة) مُعاملًا أساسيًا يصف دورية الترتيب الذري، ويمكن حسابه من زاوية الحيود ومؤشرات ميلر (hkl). بالنسبة للبلورة المكعبة، تكون العلاقة بين المسافة بين المستويات *d* وثابت الشبكة *a* هي: d = a /√(ح)²+ ك²+ل²وبدمج هذا مع قانون براغ، نحصل على: أ = نλ √(ح)²+ ك²+ل²) / (2 الخطيئةأنا). عن طريق قياسأناقيمة قمم حيود الزاوية العالية (على سبيل المثال، 2أناهسسسس 60°لتقليل خطأ القياس، وباستخدام مؤشرات ميلر المعروفة (مثلًا، للمستويات (200) أو (220))، يمكن حساب ثابت الشبكة *a*. يساعد هذا في تحديد تشوهات الشبكة (مثلًا، التغيرات في *a* نتيجة الإجهاد المطبق، والتي تسبب انزياحات في زاوية الحيود).

تحليل حجم البلورات والإجهاد: تغيرات طفيفة في زاوية الحيود: عند تكرير حبيبات المادة، تتسع قمم الحيود. باستخدام معادلة شيرر (ب=كل/ (D كوسأنا)، أينبيمثل اتساع الذروة، وD حجم البلورة، وK ثابتًا)، بالإضافة إلى زاوية الحيودأناوعرض الذروةبيمكن حساب حجم البلورة D. في حال وجود إجهاد داخلي، تتعرض الشبكة البلورية لتشوه مرن، مما يؤدي إلى تغيير في المسافة بين المستويات *d*، والذي بدوره يؤدي إلى انزياح في زاوية الحيود.—يزداد إجهاد الشد d، ويقل 2أنايؤدي انخفاض الإجهاد الانضغاطي إلى زيادة d، مما يزيد 2أنا. يسمح مقدار هذا التحول الزاوي بإجراء تحليل كمي للإجهاد الداخلي.

ثالثًا: المزايا التقنية: تحليل هيكلي دقيق وفعال

جهاز حيود الأشعة السينيةيكشف هذا الجهاز بنية المواد من خلال تحليل زاوية الحيود دون إتلاف العينة (الاختبار غير المتلف). وهو يوفر دقة عالية (دقة زاوية الحيود تصل إلى±0.001°ويمكنه تحديد الأطوار النزرة الموجودة بنسب منخفضة تصل إلى 1%. عملية الاختبار سريعة (تستغرق عملية المسح الواحدة عادةً من 10 إلى 30 دقيقة) ويمكنها توفير معلومات هيكلية متعددة الأبعاد في آنٍ واحد، بما في ذلك تركيب الطور، وثوابت الشبكة، وحجم البلورات. يُستخدم على نطاق واسع في التحليل الهيكلي في مجالات مثل المواد المعدنية، والسيراميك، والبوليمرات، والمعادن، مما يوفر بيانات أساسية لدعم البحث والتطوير في مجال المواد ومراقبة الجودة.