X射线衍射（XRD）是确定固体材料晶体结构、相组成和微观结构特性的权威技术。它利用单色X射线被晶格中原子的周期性排列散射所产生的相长干涉。XRD在材料科学、地质学、制药和固态化学中不可或缺，用于识别未知晶相并量化其相对丰度。

支配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射线束以角度θ照射晶体样品时，来自连续晶面的散射X射线仅在光程差等于波长的整数倍时才发生相长干涉。每组晶面（hkl）在特定的2θ角度产生一个衍射峰。

晶格是由晶胞参数（a、b、c；α、β、γ）定义的原子的重复三维排列。衍射峰的位置和强度编码了晶格几何信息，而相对强度则编码了原子位置（结构因子）。粉末XRD测量多晶样品，其中所有晶粒取向同时存在，产生强度 vs. 2θ的衍射图。单晶XRD测量单个完整晶体，提供完整的三维结构测定，包括键长和键角。

物相鉴定通过将测量衍射图与国际衍射数据中心（ICDD）粉末衍射文件（PDF）等数据库中的参考图样进行比较来进行。现代搜索匹配软件自动执行此过程，通过特征峰位置和相对强度识别物相。定量相分析使用Rietveld精修方法，该方法通过结构、微结构和仪器参数的最小二乘优化，将基于晶体结构模型的计算图样拟合到观察图样。

谢乐公式将衍射峰的展宽与平均晶粒尺寸（相干散射域尺寸）相关联：τ = Kλ / (β cosθ)，其中 τ 是晶粒尺寸，K 是形状因子（~0.9），β 是峰的半峰宽（FWHM），以弧度为单位。峰展宽分析也用于评估微观应变。XRD在药物多晶型筛选（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（识别膨胀性粘土）、水泥化学（熟料相定量）和失效分析（腐蚀产物和薄膜相鉴定）中有着广泛应用。