第4章 衍射强度和结构因子
4.1 衍射法测定晶体结构的一般步骤
利用衍射法测定晶体结构的一般步骤示意于图4.1。在图中，中间一列从最上面的“晶体”到最后的“结论和应用”，表达出测定结构各阶段所要关注的内容和要得到的主要信息。
要获得比较理想的衍射数据，测定出准确的结构，首先必须获得质量较好的晶体。在单晶衍射中，好的晶体的标准是根据晶体的性质配合仪器的要求挑选出合适的尺寸、外形接近球形、晶粒表面洁净、没有黏附物。根据晶体的性质加以保护，使在整个收集衍射数据过程不变质，稳定地安置在测角头上。
用四圆衍射仪收集衍射数据，晶体不需要定向安置，但需严格地调心，使晶体的中心和衍射仪四个圆的圆心重合在一起。晶体安置、调心后，在正式收集衍射信息前，需要按衍射仪使用要求先收集少量衍射数据(例如30个衍射点)，进行指标化，测定晶体的晶胞参数、晶系和晶体对称性所属的衍射群，还要推导出晶体在测角器上的取向矩阵。这些由少量衍射数据所获得的晶体对称性和晶体的取向，是正式收集晶体衍射数据的基础，十分重要，不能有错，必要时要反复核对。
图4.1中列出衍射强度→结构振幅→相角→结构因子等4个步骤，它们都涉及晶体倒易空间的信息。这些数据的下标hkl是衍射指标，将它标在每个物理量上，说明对每个hkl是独立的。hkl的数目很多，少则数百，多可达数十万，由晶胞参数a,b,c的大小和所用X射线的波长(λ)决定。a,b,c的数值大，倒易点阵参数a*,b*,c*的数值小，在倒易空间中，倒易点阵点的密度大；波长(λ)短，Ewald球的半径(1/λ)大，能产生衍射的衍射点就多。每个衍射点的衍射强度除了与晶体结构中晶胞内原子种类和数目有关，即和结构振幅有关外，还和许多物理因素以及实验条件有关，而且这些因素对每个衍射产生的影响程度也不相同，需要加以处理、校正和还原，才能得到同一标度的结构振幅|Fhkl|。本章后面几节主要就是说明有哪些因素和衍射强度有关，应当怎样进行处理、校正，才能获得所需的|Fhkl|。虽然现在各种商品衍射仪器都有对衍射强度进行处理、校正和还原的计算程序，但这些知识对正确地测定晶体结构、深入地了解结构和性质的关系是很有价值的。
将结构振幅|Fhkl|和相角αhkl结合，得到结构因子Fhkl：
有了结构因子就可通过Fourier变换，将倒易空间的信息变换为晶体空间的信息，得到晶体的实际结构。衍射hkl的相角不能从衍射实验直接得到，使相角问题成为测定晶体结构的关键。图4.1中心线左侧小框架中列出几种测定结构的方法，实质上就是测定相角的方法。小框架和中心线上所列的虚线箭头，由相角
结构因子电子密度函数结构模型测定结构方法相角，这是一种循环反复进行的过程，表示测定的结构模型要多次反复地进行修正，以便获得精确的结构。
图4.1晶体结构测定一般步骤示意图
为使读者更明确地理解上述过程，本章4.2节介绍测定晶体结构涉及的一些概念和方法。接着在本章以后各节中，详细介绍获得衍射强度到结构因子的数据过程中，涉及倒易空间信息的相关内容。第5章将系统地介绍测定晶体结构各种方法的原理和特点。有关晶体结构数据的应用将在第8章中讨论。