x線回折法とは？初心者にも分かる基本と実生活での活用例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

x線回折法とは何か

x線回折法とは、結晶の内部構造を「見る」ための科学の方法です。ここでは中学生にも分かるように、やさしく説明します。

X線という光の一種を試料に照射すると、原子の規則正しい位置により光が回折します。その回折パターンを分析すると、結晶の格子間隔や対称性を知ることができます。

ポイントは、波の性質と結晶の規則性です。波は、規則正しく並ぶ原子の間を通ると、特定の角度で強く反射します。

どうして重要なのか

材料を作るときや、未知の結晶を同定するときに役立ちます。医薬品の結晶の安定性を調べたり、地質の鉱物を同定したり、半導体の素材を設計したりする場面で使われます。

また、非破壊で内部構造を調べられる点も大きな利点です。試料を壊さずに情報を取り出せるので、貴重な材料の分析に適しています。

測定の流れ

基本的な手順を、初心者にも分かるように順を追って説明します。

1. 試料を用意する。粉末状の試料が最も一般的ですが、薄膜や単結晶も測定します。

2. X線を発生させ、試料に照射します。

3. 回折パターンを検出して、2θなどの角度データを集めます。

4. 得られたデータを解析して、格子間隔dや結晶系を推定します。

ここで覚えておきたいのがブラーグの法則です。Braggの式 nλ = 2d sin θ に従い、波長λと回折角θ、格子間隔dの関係を表します。これを使って、回折ピークの位置からdを求め、結晶の直交・六方・立方などの構造を判断します。

実例

例えば、日常的には塩化ナトリウムNaClの結晶を想定します。粉末試料として測定すると、回折パターンにいくつかのピークが現れます。ピークの位置や強さを比較することで、NaClが「立方晶」という結晶系をもつことが分かります。実務では、これをもとに純度を評価したり、欠陥の有無を調べたりします。

用語	説明
X線	波長が短い光の一種。原子と相互作用して回折を起こす。
回折	波が障害物を回り込んで広がる現象。結晶では特定の角度で強い回折が起きます。
格子面	結晶の原子が規則的に並ぶ平面のこと。
Braggの法則	回折角と格子間隔の関係を説明する式。nλ = 2d sin θ。

よくある質問

質問	回答
なぜX線を使うのですか	波長が短く原子スケールの情報を得られるため、結晶の微細構造を読み取るのに適しています。
実験で難しい点は何ですか	試料準備とデータ解析です。欠陥や微細構造の影響を考慮する必要があります。

まとめ

x線回折法は、結晶の内部構造を非破壊で解く強力な技術です。波の性質と結晶の規則性を組み合わせて、格子間隔や結晶系を推定します。初学者には、まず測定の流れとBraggの法則の理解から始めると良いでしょう。

x線回折法の同意語

X線回折法: 結晶の格子面から生じるX線の回折パターンを利用して、結晶構造や格子定数を解明する代表的な分析手法です。
エックス線回折法: X線回折法と同義。読み方の表記ゆれ。
X線回折分析: X線回折のパターンを用いて、結晶構造や相同定を行う分析作業です。
エックス線回折分析: X線回折分析の読み方の違い。X線回折を用いた分析全般を指します。
X線回折測定: X線回折現象を測定する過程を指す表現で、データ取得の意味を含みます。
エックス線回折測定: X線回折測定の表記揺れ。
XRD法: XRDはX-ray Diffractionの略称。X線回折法を指す一般的な略語です。
XRD: X-ray diffractionの略称。回折法を総称する略語として広く使われます。
粉末X線回折法: 粉末状の試料を対象にX線を回折させ、結晶構造・相同定・格子定数決定などを行う手法です。
単結晶X線回折法: 単結晶サンプルを用いて高精度な結晶構造解析を行う手法です。
粉末X線回折分析: 粉末試料のX線回折パターンを解析して、結晶情報を得る分析法です。
単結晶X線回折分析: 単結晶試料のX線回折データを解析して結晶構造を決定する分析法です。

x線回折法の対義語・反対語

非回折法: 回折を使わず、他の原理で材料の情報を得る分析法の総称。X線回折の代替・補完として位置づけられ、成分・局所構造・性質を別の手法で調べます。
直接像観察法: 結晶そのものを直接観察・撮影する方法。光学顕微鏡や電子顕微鏡で結晶の形状・欠陥などを視認します。回折パターンの解析ではありません。
X線吸収分光法（XAS）: X線の吸収特性から局所原子環境や化学状態を推定する手法。回折による長距離秩序の情報とは異なる局所情報を得ます。
ラマン分光法: 分子振動を利用して化学結合・組成・構造の手掛かりを得る光学法。結晶の長距離秩序を回折で解くのではなく、分子レベルの情報を提供します。
赤外分光法（FT-IR）: 分子振動を測定し、官能基や結合の情報を把握する手法。回折解析とは別の軸で材料の情報を得ます。
質量分析法（MS）: 試料の成分・分子量・分子構造の情報を質量スペクトルとして取得する分析法。結晶構造の決定には直接用いませんが、組成を特定するのに有用です。
NMR（核磁気共鳴分光法）: 原子核の磁気特性を利用して局所環境や分子構造の情報を得る。結晶回折での長距離秩序の解析とは別の観点です。
X線蛍光分析法（XRF）: 材料の元素組成を定量・定性する手法。結晶のレイアウトや格子構造の直接決定には使われず、成分情報に焦点が当たります。

x線回折法の共起語

粉末X線回折: 粉末状の試料から得られる回折データを用いて、主に相の同定や結晶性評価を行う解析手法。
単結晶X線回折: 単結晶の原子配置や格子定数などを高精度に決定する解析。
ブラッグの法則: 回折が起こる角度と平面間隔、波長の関係を示す式。2d sin θ = nλ（nは整数）で表される。
回折パターン: 試料により得られる回折強度を角度2θに対して表したグラフ。相の同定や結晶性の評価に使われる。
2θ法（2θ-θ法）: 粉末XRDで最も一般的な測定法で、試料を回折格子に対して角度2θでスキャンする方法。
格子定数／格子常数: 結晶の単位胞の辺の長さや角度を表す指標。a、b、cやα、β、γを含む。
格子面（hkl）: 結晶内の特定の平面を表す指標。hklはミラー指数で表される。
相の同定: 未知の試料中に含まれる結晶相を特定する作業。
相定量: 混在する相の割合を数量的に評価する作業。
結晶構造解析: 原子配置・格子対称性・格子定数を決定する解析の総称。
シュレル式（Scherrer式）: 回折ピークの半値幅から結晶粒径を推定する経験式。
FWHM（半値幅）: ピークの高さの半分に相当する幅。結晶粒径やひずみの指標になる。
ピーク位置: 回折ピークが現れる角度のこと。新相の同定に重要。
ピーク強度: 各回折ピークの強さ。相の同定や混相の識別に役立つ。
背景（バックグラウンド）: 回折データ上の連続成分。背景除去が前処理として必要。
データベース（JCPDS/PDFデータベース）: 標準的な相のXRDパターンを参照するデータベース。
データ処理ソフト: GSAS、FullProf、TOPAS など、回折データの解析・フィットに使うソフトウェア。
Rietveld法: 粉末回折データ全体をモデルに基づいてフィットさせ、結晶構造を refine する高度な解析法。
薄膜X線回折: 薄膜材料の結晶構造・配向・膜厚を評価する特別な適用形態。
高角度X線回折／低角度X線回折: 高角度は結晶粒子の微細構造情報、低角度は薄膜・表面情報に適する領域。
試料前処理: 粉末化・均一な充填・測定条件の整備など、正確なXRD測定の準備作業。
内部標準法: 測定のキャリブレーションのために既知成分を混ぜて用いる方法。

x線回折法の関連用語

X線回折法: X線を試料に照射して回折現象を観察し、材料の結晶構造や相を調べる分析手法。粉末・単結晶・薄膜など多様な試料に適用できる。
ブラッグの法則: 回折の基本条件を表す式。nλ = 2d sin θ。2θの測定値から平面間隔dを求められる。
デブライ・シュレアー回折: 粉末回折の幾何の代表例。粉末状試料の回折リングや円錐状の回折が特徴。
粉末X線回折: 粉末状試料を測定して、結晶方位をランダムに揃え回折ピークを得る手法。相識別や格子定数の決定に用いられる。
単結晶X線回折: 単一結晶を回転させて回折を測定し、原子位置・対称性など詳細な結晶構造を決定する方法。
Miller指数: 回折に関与する結晶面をhklで表す整数。回折ピークの指標として利用される。
面間隔: 結晶面と結晶格子の間隔d。ブラッグの法則で用いられ、d-spacingから結晶平面情報を得る。
格子定数: 単位胞を構成する辺の長さa,b,cと角α,β,γ。結晶系によって値が異なる。
結晶系: 結晶の対称性に基づく分類。立方晶、正方晶、六方晶、四方晶、正交晶、三斜晶など。
スペースグループ: 結晶の全対称性を表す分類。格子対称性と原子位置対称性を統合して表現する。
2θ: 回折ピークの観測角度の2倍。実測値は通常2θとして報告される。
ピーク位置: 回折ピークが現れる2θの値。d-spacingの決定に直結する。
ピーク強度: 各ピークの高さ。相の存在量・配向・散乱因子に影響される。
ピーク幅: ピークの広がり。結晶粒径・ひずみ・粒度分布・機器分解能の影響を受ける。
半峰幅: ピークの半高幅β。結晶サイズ・ひずみ評価に用いられる指標。
Scherrer式: βから結晶粒径Dを推定する式。D ≈ Kλ/(β cos θ)。Kは形状因子、λは波長。
微小ひずみ: 結晶格子の微小な歪みによりピークが広がる原因の一つ。
機器分解能: 測定系の分解能。ピークをどれだけ分離して測れるかを表す。
Cu Kα放射: Cuターゲットから発生する代表的なX線波長。多くの粉末XRDで標準光源として使用。
Co Kα放射: コバルトターゲットの放射。Cu Kαと波長が異なるため用途に応じて選択。
モノクロマト: 特定の波長成分（通常はKα1）を取り出す装置。ピークの分解向上や分析精度向上に寄与。
バックグラウンド subtraction: 測定データから背景信号を除去するデータ処理。ピーク定量の精度を高める。
検出器: 回折信号を検出するデバイス。シンチレーション検出器、固体検出器、位置感知検出器(PSD)など。
θ-2θスキャン: 試料を回転させつつθと2θを連続的に測定する標準的な測定法。
Debye-Scherrer幾何: 粉末試料を円筒状のキャピラリに入れて測定する回折幾何。円錐状の回折が特徴。
試料前処理: 粉砕・均質化・薄膜化・表面処理など、測定条件を整えるための準備。
テクスチャ: 結晶粒の配向性（特定方向への偏り）が見られる現象。回折強度に影響を与える。
基本パラメータ法: 機器の分布関数や伝達関数を理論的に考慮してデータを補正・解析する手法の総称。
ゼロシフト校正: 測定系のゼロ点ずれを補正して、ピーク位置を正確にする作業。
内部標準法: 既知の成分を内部標準として加え、定量精度を高める分析手法。
相識別: 未知サンプルの回折パターンから含まれる相を特定する作業。
相定量分析: 各相の含有量を回折ピークの強度比から定量する分析手法。
粉末データベース(PDF/ICDD): 既知相の回折データベース。ピーク位置を照合して相を同定するために使う。
Rietveld refinement: 粉末回折パターンから結晶構造モデルを最適化する高度な解析法。格子パラメータ・原子位置・占有率・熱振動などを推定。
Le Bail法: 格子パラメータだけを先に適合させ、構造モデルを必要とせずパターンをフィットさせる方法。
Pawley法: データからピークの位置・形状・強度を柔軟にフィットする手法の一つ。
原子位置パラメータ: 結晶内の各原子の座標を表す値。Rietveld解析で最適化対象となる。
格子欠陥: 欠陥（空孔・空位・置換など）が回折パターンに影響を与える要因。