Các hạt vi mơ có lưỡng tính sóng-hạt, chúng vừa là hạt nhưng cũng vừa là sóng. Hiện tượng các hạt vi mơ bị nhiễu xạ trong tinh thể là do bản chất sóng của chúng. Có hai quan niệm về hiện tượng nhiễu xạ: i) Hiện tượng phản xạ của các sóng điện từ từ các mặt phẳng song song của một họ mặt phẳng của tinh thể, trong đó có xảy ra hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ; ii) Hiện tượng tán xạ đàn hồi (sau tán xạ bước sóng khơng thay đổi): Các sóng tán xạ từ các điểm khác nhau của tinh thể, thoả mãn các điều kiện giao thoa và tăng cường lẫn nhau. Bản chất vật lý của
hiện tượng nhiễu xạ tia X liên quan đến cấu trúc tinh thể được thể hiện bởi định luật Bragg. Tia X có bước sóng vào cỡ khoảng cách các nút lân cận trong mạng Bravais. Do đó khi chiếu tia X vào mạng tinh thể sẽ có hiện tượng nhiễu xạ. Phân tích các ảnh nhiễu xạ ta có thể thu được thông tin về cấu trúc của mạng tinh thể. Năm 1913, Willam L. Bragg đã xây dựng lý thuyết nhiễu xạ tia X. Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai mặt phẳng mạng song song và gần nhau nhất có khoảng cách d (hình 2.7):
Hình 2.7. Mơ hình minh họa của định luật nhiễu xạ Bragg.
Tia X có năng lượng cao nên có khả năng xuyên sâu vào trong lòng vật liệu, gây ra phản xạ trên nhiều mặt mạng tinh thể (hkl) ở sâu phía dưới. Mỗi một mặt phẳng trong họ mặt mạng tinh thể (hkl) có chùm tia phản xạ riêng. Từ hình 2.6, ta thấy hiệu quang trình giữa hai phản xạ từ hai mặt phẳng liên tiếp bằng 2dsin . Hiện tượng giao thoa giữa các sóng phản xạ chỉ xảy ra khi hiệu đường đi của hai sóng bằng số nguyên lần bước sóng. Điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ được viết dưới dạng:
2dsin =n (2.2) Đó là phương trình Bragg; trong đó: d - khoảng cách
giữa hai mặt phẳng kế tiếp trong họ các mặt phẳng tinh thể (hkl), - góc giữa tia tới (hoặc tia phản xạ) với mặt phản xạ, n - bậc phản xạ, chỉ nhận các giá trị nguyên dương và là bước sóng của tia tới. Biểu thức (2.2) cịn đúng với nhiễu xạ điện tử, nhiễu xạ nơtron. Những nhận xét rút ra từ định luật Bragg:
- Định luật Bragg là hệ quả tất yếu của đặc trưng cơ bản của tinh thể: trật tự, tuần hồn vơ hạn, và khơng thể hiện bản chất hố học của các ngun tử trên mặt phẳng phản xạ.
- Vì hàm sin chỉ nhận các giá trị 0 < sin < 1 nên phương trình Bragg chỉ có nghiệm khi < 2d. Tức là hiện tượng nhiễu xạ tia X với mạng tinh thể chỉ có thể xảy ra khi bước sóng của tia X sơ cấp cùng bậc vói khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Trong vật liệu bột tinh thể, các họ mặt phẳng (hkl) với dhkl phân bố ngẫu nhiên, để thu nhận tất cả các cực đại nhiễu xạ ta phải chiếu lên mẫu bột chùm tia X đơn sắc ( khơng đổi), thay đổi góc chiếu và quay đầu thu đồng bộ với quay mẫu đến những vị trí thoả mãn phương trình Bragg (2.2) ta sẽ thu nhận được các cực đại nhiễu xạ. Các nhiễu xạ kế được chế tạo dựa trên nguyên lý này. Trường hợp chiếu lên mẫu đơn tinh thể chùm tia X đa sắc ( thay đổi), góc chiếu khơng đổi ta sẽ có ảnh nhiễu xạ Laue.