从核心来看，X射线荧光（XRF）和X射线衍射（XRD）回答了关于材料的两个根本不同的问题。XRF识别存在的化学元素及其相对含量，而XRD识别晶体结构，即这些原子如何排列成特定的化合物或相。
区分它们最简单的方法是，将XRF视为识别材料由什么组成（其元素成分），而XRD则识别这些成分如何组合在一起（其晶体结构或相）。
XRF告诉您什么：元素配方
X射线荧光是一种用于元素分析的非破坏性技术。它通过用高能初级X射线轰击样品来操作。
基本原理
当初级X射线撞击样品中的原子时，它可以将电子从内层轨道中击出。这会产生一个不稳定的空位，该空位立即被来自更高能量外层轨道的电子填充。
当这个电子“落入”空位时，它会释放出次级或“荧光”X射线。这种荧光X射线的能量对于其起源的元素来说是独一无二的，就像一个元素的指纹。
输出：元素列表
XRF探测器测量来自样品的所有荧光X射线的能量和强度。
这会产生一个光谱，告诉您存在哪些元素（例如，铁、铜、镍、锌），并通过测量强度，得出它们的近似浓度。它本质上为您的材料提供了一个元素部件清单。
XRF的常见应用
- 合金识别：快速验证金属的牌号和成分。
- 质量控制：确保原材料符合元素规范。
- 环境筛查：检测土壤中的重金属污染，如铅或砷。
- 艺术与考古：在不损坏文物的情况下分析颜料或文物的元素组成。
XRD告诉您什么：晶体蓝图
X射线衍射是一种用于确定晶体材料原子和分子结构的技术。它主要不识别元素。
基本原理
XRD的工作原理是，将X射线束射向样品，并测量X射线束散射或“衍射”的角度。为此，材料必须是晶体，这意味着其原子以规则、重复的晶格排列。
这种衍射只发生在特定角度，此时散射的X射线会发生建设性干涉，这种现象由布拉格定律描述。这些角度与晶格中原子平面之间的间距直接相关。
输出：结构指纹
XRD扫描的结果是衍射图，它绘制了X射线强度与衍射角的关系。这种模式是特定晶体结构的独特指纹。
例如，金刚石和石墨都是纯碳（XRF只会显示“碳”）。然而，它们的XRD图谱完全不同，因为它们的原子排列在截然不同的晶体结构中。XRD可以区分它们，将一个识别为“金刚石”，另一个识别为“石墨”。
XRD的常见应用
- 矿物学：识别岩石样品中存在的特定矿物。
- 制药：区分多晶型物（同一种药物的不同晶体形式），它们可能具有不同的生物利用度。
- 材料科学：确定合成材料、陶瓷或聚合物中存在的晶相。
- 失效分析：识别失效部件中的腐蚀产物或意外相。
了解权衡
没有哪种技术是普遍优越的；它们的价值完全取决于您需要回答的问题。了解它们的局限性是有效使用它们的关键。
XRF的局限性
XRF在检测非常轻的元素（通常比钠（Na）轻的元素）方面非常差，例如碳、氧、氮和锂。它也主要是一种表面敏感技术，因此如果样品不均匀，整体成分可能有所不同。
XRD的局限性
XRD最大的局限性是它需要晶体样品。非晶态材料，如玻璃或许多聚合物，不具备衍射所需的有序原子结构，因此不会产生清晰的图谱。此外，分析多种晶相的复杂混合物可能具有挑战性。
两者结合的强大之处
XRF和XRD结合使用时异常强大。XRF可以告诉您样品含有硅和氧。XRD则可以告诉您这些SiO₂是以结晶石英、方石英的形式存在，还是非晶态熔融石英（玻璃）。
为您的目标做出正确选择
要选择正确的方法，您必须首先明确您的分析目标。
- 如果您的主要重点是元素验证：使用XRF确认合金的元素组成，检查受限重金属，或量化主要元素。
- 如果您的主要重点是结构识别：使用XRD识别特定的矿物或化合物，检查不需要的晶相，或确认合成材料的结构。
- 如果您的主要重点是全面表征：两者都使用。首先使用XRF获取元素组成，然后使用XRD了解这些元素是如何结构性结合的。
选择正确的工具始于对您的材料提出正确的问题。
总结表：
| 技术 | 回答的问题 | 原理 | 最适合 |
|---|---|---|---|
| XRF | 存在什么元素？ | 测量样品发出的荧光X射线。 | 元素组成、合金识别、质量控制。 |
| XRD | 原子如何排列？ | 测量晶格的衍射角。 | 识别晶相、矿物、多晶型物。 |
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