X 射线衍射 (XRD) 是确定固体材料的晶体结构、相组成和微观结构特性的权威技术。它利用了晶格中原子周期性排列所散射的单色 X 射线的相长干涉。 XRD 在材料科学、地质学、制药和固态化学中不可或缺，可用于识别未知晶相并量化其相对丰度。

控制 XRD 的基本关系是 布拉格定律：“nλ = 2d sinθ”，其中“n”是整数（衍射级数），“λ”是 X 射线波长，“d”是晶格的面间距，“θ”是入射角。当单色 X 射线束以 θ 角照射晶体样品时，仅当路径长度差等于波长的整数倍时，来自连续晶面的散射 X 射线才会发生相长干涉。每组晶面 (hkl) 都会在特定的 2θ 角处产生衍射峰。

晶格由由晶胞参数（a、b、c；α、β、γ）定义的原子、离子或分子的重复三维排列组成。衍射峰的位置和强度编码晶格几何形状，而相对强度编码原子位置（结构因子）。 粉末 XRD 测量多晶样品，其中所有微晶取向同时存在，生成强度与 2θ 的衍射图。 单晶 XRD 可测量形状良好的单一晶体，并提供完整的三维结构测定，包括键长和角度。

相识别通过将测量的衍射图与数据库中的参考图进行比较，例如国际衍射数据中心 (ICDD) 粉末衍射文件 (PDF)。现代搜索匹配软件使这一过程自动化，通过特征峰位置和相对强度来识别相。 定量相分析 使用 Rietveld 精修方法，该方法通过结构、微观结构和仪器参数的最小二乘优化将计算模式（基于晶体结构模型）与观察到的模式相匹配。

谢乐方程将衍射峰的展宽与平均微晶尺寸（相干散射域尺寸）联系起来：“τ = Kλ / (β cosθ)”，其中“τ”是微晶尺寸，“K”是形状因子 (~0.9)，“β”是峰的半峰全宽 (FWHM)，以弧度表示。峰展宽分析也用于评估微应变。 XRD 广泛应用于药物多晶型筛选（同一药物的不同晶型可能具有不同的溶解度和生物利用度）、粘土矿物学（识别可膨胀粘土）、水泥化学（熟料相定量）和失效分析（腐蚀产物和薄膜相识别）。