Phương pháp nhiễm xạ tia X (XRD) là một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến, để nghiên cứu vật liệu, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể vật chất.
Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới tinh thể thì mạng tinh thể này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Khi đó những tia phản xạ ở trên cùng một mặt phẳng sẽ cùng pha vì hiệu quang trình của chúng bằng không. Mặt khác, các nguyên tử, ion này được phân bố trên các mặt phẳng song song.
Hình 2.1. Sơ đồ minh họa khi chiếu tia X lên một họ mặt mạng.
Để có hiện tượng nhiễu xạ thì hiệu quang lộ phải bằng một số nguyên lần bước sóng thì các tia phản xạ từ họ mặt mạng của tinh thể được tăng cường (cùng pha) tức là:
𝟐𝟐.𝐬𝐬𝐬 𝛉=𝐬𝐧
Phương trình này được gọi là phương trình Vulf-Bragg hay còn gọi là điều kiện nhiễu xạ Bragg. Phương trình này biểu thị mối liên hệ giữa độ dài khoảng cách giữa hai mặt phẳng nguyên tử song song (d), góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ (θ)
và bước sóng của tia X (λ), n là bậc nhiễu xạ, là những nhóm vị trí ghi nhận tia X nhiễu xạ từ mẫu có cường độ khác nhau, n = 1 tương ứng với vị trí ghi nhận cường độ tia X lớn nhất (n là số nguyên). Đây là phương trình cơ bản cho việc xác định bước sóng của tia X hay khảo sát cấu trúc tinh thể.
Nhận thấy rằng, chỉ những họ mặt phẳng song song thỏa mãn định luật Bragg mới cho chùm tia nhiễu xạ có thể quan sát được và muốn thỏa mãn định luật Bragg bức xạ phải có bước sóng λ ≤ 2d (để sinθ ≤1). Nếu định luật Bragg không được thỏa mãn thì sự giao thoa thực chất sẽ không có vì cường độ nhiễu xạ thu được là rất nhỏ. Căn cứ vào các cực đại nhiễu xạ trên giản đồ nhiễu xạ Rơnghen xác định được 2θ. Từ đó tính ra d theo hệ thức Vulf- Bragg, so sánh gía trị d tìm được với d của mẫu chuẩn thì sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể cuả mẫu phân tích. Vì vậy, phương pháp này thường được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể và vật chất. Định luật này cũng trở thành định luật tổng quát cho hiện tượng nhiễu xạ trên tinh thể của tất cả các loại bức xạ, kể cả điện tử hay neutron được phát hiện sau này.