X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风砂和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。
一、 工作原理
每一种结晶物质，都有其特有的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、单胞中原子（离子或分子）的数目及位置等。这些结构参数在X射线的衍射花样上均有所反映。当X射线束照射在晶体样品上时，由于晶体中原子排列的规则性，各原子散射波互相干涉时，将会在某些方向互相加强，而在另一些方向上互相抵消，合成波的强度随方向而变（见图一）。这些信其可以通过感光胶片（X射线衍射照相法）或计数器记录（XRD）下来，而得到物质的衍射花样或衍射线条谱图。多晶体衍射线条的数目、位置及其强度，就像人的指纹一样，是每种物质的特征，因而可以成为鉴别物象的标志。在混合物中，每种物质（相）的衍射线的强度，是和该物质（相）在混合物中的含量成正比的。根据这一原理，还可以利用XRD实现对混合物中个组分含量的定量分析。
二、 应用实例
1、 青铜器腐蚀产物的研究与处理中的应用
古代青铜器的腐蚀机理和保护处理方法研究，一直是文物保护研究中十分重要的领域。对青铜器腐蚀研究的焦点多集中在青铜粉状锈，即所谓的"青铜病"的研究。对于青铜病的成因及其腐蚀化学机理，许多学者曾做过较为深入的研究，已经有很多报导。虽然学者们的观点不尽相同，但氯化物是导致青铜器循环腐蚀的根源这一观点，已经被文物保护界绝大多数专家和学者们所接受。一般来说，"青铜病"发病产生的腐蚀产物，成份主要为氯铜矿（atacamite, Cu2Cl(OH)3）、副氯铜矿（paratacamite, Cu2 (OH)3Cl）和氯化亚铜（cuprous chloride, CuCl）中的一种或几种，呈淡绿色、粉末状，故常称之为"粉状锈"。在实际工作中，"粉状锈"的颜色和形态特征固然是判断有害锈和无害锈的重要方法，但并非所有的淡绿色的粉末状的腐蚀产物都是有害的"粉状锈"。
在对一件三国时期青铜附耳鼎（见图二）的保护处理过程中，发现在鼎身、鼎耳等多处有较多的粉末状的腐蚀产物，从颜色和形态上看和"粉状锈"十分相似，结构十分酥松，很容易脱落。我们先对其做了硝酸银滴定试验，发现其中并不含Cl离子。基于这种情况，我们又对其进行了XRD分析。分析的结果表明，这种貌似"粉状锈"的腐蚀产物，并不含铜的氯化物，其主要成分为碳酸铅（PbCO3）（见图四）。因其一般也呈粉末状，为与"粉状锈"区别，国内有些学者称之为"酥粉锈"，对其形成的机理和处理办法也进行了一定的探讨。这种特殊的"酥粉锈"本身的化学活性较低，不会像青铜病那样继续循环反应，从而对青铜器的本体构成危害。但是由于其疏松的粉末状结构，使得水、二氧化碳以及空气中其他的有害物质在其中积聚并通过其传递，对铜器的长期保存构成潜在的威胁；另外，由于这种锈的颜色较浅，且结构不稳定，对铜器的陈列效果的影响也是不容忽视的。
这种所谓的"酥粉锈"在得到较好的封闭或者加固，并且使其与外界环境充分的隔离的情况下，不会对铜器产生继续的危害；但由于其酥松的结构和与青铜器整体不和谐的颜色，也不能像对待其他无害锈那样给予整体保留。应该从器物的腐蚀状况和整体的美学效果出发，对其进行选择性的处理。
除了应用于金属文物腐蚀产物的物相成分分析之外，XRD还可以用于壁画、陶瓷器、石器等无机质文物的制作材料和蜕变产物的分析研究。在对文物进行保护处理操作前都要进行系统地分析研究，这一观点已经被国内外文物保护工作者所接受。文物的保护处理必须依据严格的科学原理，还要遵循不改变文物原貌的原则。既要有效地清除文物的病害，又要最小限度的干涉文物，保持其原貌。在保护处理的实际工作中，仅凭经验观察有时很难准确的区分各种蜕变产物。XRD作为一种科学的分析手段，使我们能在工作中准确把握文物的基体和其蜕变产物的成分。利用分析的结果，我们可以根据文物的成分，选择与其相适应的保护方法和材料；对待病害产物，也可根据其成分的不同进行选择性的处理或清除，避免工作中的失误，达到最好的保护效果。
其他应用
文物作为人类古代文化、科技等发展的实物载体，具有鲜明的时代和地域特征。这些特征在文物的制作材料、工艺、形状、纹饰等许多方面都有所反映。利用XRD对文物的制作材料进行研究，探索文物制作材料和其所代表的时代和地域特征之间的关系，可用于对文物的产地的判断，还可以为文物的鉴定提供有力的科学证据。
1985年，加拿大文物保护协会（CCI）的保护科学家们曾利用XRD对一件被作为凡高作品出售的油画颜料进行分析鉴定。分析的结果令人出乎人们预料，在这件所谓的凡高的作品中，居然发现了大量的金红石（rutile）的存在。作为白色颜料使用，二氧化钛（titaniumdioxide）一般以两种状态存在：金红石和锐钛矿（anatase）。锐钛矿作为白色颜料使用是从1925年开始的，而金红石作为白色颜料直到1938年才开始生产。这两种物质具有相同的化学成分而具有不同的晶体结构，XRD是分辨这两种物质非常有效的手段。因为金红石的存在，就使得这幅油画的创作时间不可能早于1938年，这与凡高的生活时期（1853~1890）是不相符的。通过上述分析，基本可以说明这幅所谓的凡高大作，其实是一件赝品！
三、 几点需要探讨的问题
任何分析手段都有其局限性， X射线衍射仪在文物保护研究中时的具体方面，主要体现以下几个方面：
1、 由于测角仪的限制，进行分析时需要取样。而对文物材料的分析而言，无损分析是十分重要的。
2、 采样所需样品量较大，制样过程对所取样品需研磨、粉碎，对样品具有破坏性。
3、 定量分析的精度不高。
针对以上几点不足，为了更好的发挥XRD在文物保护研究中的作用，需要就XRD测角仪的非粉末样品台（架）的设计、少量样品下XRD粉末试样的制备方法等方面，进行较为深入探讨和尝试。
四、 小结
XRD作为现代化科学分析手段，在保护研究中的广泛应用，为我们对文物的科学研究和保护提供了必要的条件。通过XRD分析，使我们能正确全面地把握文物的蜕变产物的信息，以帮助我们确定合理科学的保护方案；剖析文物保护材料的成分结构，选择开发适用于文物保护的新材料；科学分析文的制作材料，为文物的鉴定、防伪提供科学的依据。当XRD与X-射线荧光光谱仪（XRF）、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪（EDX）等分析仪器相结合使用，并与其他仪器的分析结果互相印证时，能为文物保护研究提供更为有力的科学依据。
X射线
X射线是得过物理学家伦琴（1845-1923）在1895年发现的。最早叫伦琴射线。伦琴射线的波长比紫外线更短，人肉眼是看不见的。它的穿透力很强，能使包在黑纸里的照相底片感光。由于X射线的穿透物质的的厚度与物质密度有关，在工业上可以用来检查金属物件内部有没有砂眼、裂缝等缺陷；医学上可以用来透视人体，检查体内病变及骨骼状况。
右图为X射线衍射仪基本构成图。
另外，还有比伦琴射线波长更短的电磁波，叫做г（伽马）射线。
