材料射線衍射和散射分析

前言

　　把射線（包括X射線、電子束、中子束、同步輻射等）照射到材料（物質(zhì)）上，射線便與物質(zhì)發(fā)生交互作用，如吸收、散射、衍射和本身被激發(fā)等，從而產(chǎn)生各種各樣的信號，用探測器和記錄系統(tǒng)接收、記錄這些信號，然后通過數(shù)據(jù)處理和分析，可獲得被研究材料（物質(zhì)）的晶體結(jié)構(gòu)、成分和原子狀態(tài)等信息?！恫牧仙渚€衍射和散射分析》既是上述方面的一本專著，也是相關(guān)專業(yè)的研究生教材或參考教材。它所闡述的內(nèi)容既是材料研究、試制和生產(chǎn)以及材料實際應(yīng)用領(lǐng)域極其重要的測試手段和分析方法，也是把材料的晶體結(jié)構(gòu)、成分和原子狀態(tài)等和材料的性能聯(lián)系起來，把材料在實際應(yīng)用中的晶體結(jié)構(gòu)、成分和原子狀態(tài)的變化與材料性能的變化聯(lián)系起來，研究材料物理的重要測試方法和分析手段。本書所指的材料是廣義上的材料，因此可作為高等學(xué)校材料科學(xué)與工程、化學(xué)、化學(xué)工程與技術(shù)、地質(zhì)與礦床、藥學(xué)、建筑材料、農(nóng)藥和土壤等方面的高年級學(xué)生、研究生、教師作教學(xué)參考書和工作參考書，也可供科研院所從事新材料、新藥品、射線散射衍射新技術(shù)等領(lǐng)域研究、開發(fā)的研究生和研究人員參考?！　∥覈谶@方面的教學(xué)和教材出版大致分為以下三個階段?！　〉谝浑A段是1960年－1966年，當(dāng)時的大學(xué)多是五年制，少數(shù)大學(xué)為六年制，當(dāng)時冶金系分物理冶金、化學(xué)冶金專業(yè)，物理系設(shè)金屬物理專業(yè)，化學(xué)系設(shè)金屬化學(xué)專業(yè)。物理冶金和金屬物理專業(yè)開設(shè)的兩門重要的材料分析課程是金屬X射線學(xué)和金相學(xué)，當(dāng)時有許順生著的《金屬X射線學(xué)》和馮根源翻譯的《X射線金屬學(xué)》（Cullity B D.Elements ofX.ray Diffraction.2nd cd。.Ad.dison.WeslcyRcading，Mass，1956.）兩本教材。　當(dāng)時（1960-1966）的上?？茖W(xué)技術(shù)大學(xué)金屬物理專業(yè)由許順生教授親自講授120學(xué)時的《金屬X射線學(xué)》，此書由上海科學(xué)技術(shù)出版社出版，先后重印三次。

內(nèi)容概要

本書是材料科學(xué)與工程學(xué)科研究生教學(xué)用書。    “材料射線衍射和散射分析”是基于材料中物質(zhì)對入射線的吸收、散射、衍射和本身被激發(fā)等現(xiàn)象，對材料晶體結(jié)構(gòu)、成分和原子狀態(tài)進行分析和研究的學(xué)科分支，涉及譜學(xué)、散射和衍射等多種技術(shù)及其在材料分析中的應(yīng)用。在對材料結(jié)構(gòu)分析的一般概念、晶體學(xué)基礎(chǔ)和磁結(jié)構(gòu)、X射線運動學(xué)衍射理論基礎(chǔ)、射線衍射散射實驗方法等四章作為基礎(chǔ)簡介后，在“材料適用衍射分析”綱要下，分物相衍射分析、點陣參數(shù)的精確測定、內(nèi)應(yīng)力的測定與分析和多晶織構(gòu)測量和單晶定向四章介紹。依據(jù)射線衍射、散射領(lǐng)域的新技術(shù)，材料結(jié)構(gòu)和材料熱點之間的學(xué)科交叉列出若干專題加以介紹。衍射譜的線形分析、二維X射線衍射分析的原理、方法及應(yīng)用、X射線多重衍射的原理、方法及應(yīng)用、X射線異常散射分析及應(yīng)用、X射線同步輻射成像術(shù)及其應(yīng)用、X射線與同步輻射光譜術(shù)六章屬于新技術(shù)專題；晶體結(jié)構(gòu)的實驗測定、晶體缺陷的衍襯成像觀察和研究、薄膜和一維超點陣材料的X射線分析、非晶材料的X射線散射分析、聚合物和高分子材料的X射線分析、納米材料和介孔材料的X射線分析六章為材料分析專題；材料動力學(xué)結(jié)構(gòu)的非彈性散射分析(第21章)是考慮原子的振動、分子鍵的振動、轉(zhuǎn)動和振-轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)，是近十年來材料研究的活躍領(lǐng)域。最后一章(第22章)材料結(jié)構(gòu)的綜合研究是全書的總結(jié)，建議讀者盡可能用多種實驗手段和實驗方法對結(jié)構(gòu)做綜合分析和研究，才能做出較全面的正確結(jié)論。其中，合金中元素(部分或全部)取代后的原子占位問題這一節(jié)尚未見到其他書中有介紹。    全書可作為高等學(xué)校材料科學(xué)與工程、化學(xué)、化學(xué)工程與技術(shù)、地質(zhì)與礦床、藥學(xué)、建筑材料、農(nóng)藥和土壤等方面的高年級學(xué)生、研究生、教師的教學(xué)參考書和工作參考書，也可供科研院所從事新材料、新藥品、射線散射衍射新技術(shù)等領(lǐng)域的研究、開發(fā)的研究生和研究人員參考。

作者簡介

　　姜傳海，男，1963年9月生，漢族，教授，博士生導(dǎo)師。1983年7月畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理系金屬物理專業(yè)，2000年1月獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，2001年12月于上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后出站，并留校工作至今，2007年法國國立高等工程技術(shù)學(xué)院（ENSAM）高級訪問學(xué)者。多年從事材料表征等領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。開設(shè)有材料組織結(jié)構(gòu)表征、X射線衍射原理與技術(shù)、無損檢測、材料近代物理測試方法、不完整晶體結(jié)構(gòu)及其分析方法、同步輻射技術(shù)及其應(yīng)用等課程。主持和參加國家及省部級科研項目20余項。累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇，被SCI及EI檢索100余篇。合編教材3部?，F(xiàn)擔(dān)任上海市物理學(xué)會X射線與同步輻射專業(yè)委員會主任，中國晶體學(xué)會粉末衍射專業(yè)委員、中國機械工程學(xué)會理化檢驗分會委員、中國殘余應(yīng)力學(xué)術(shù)委員會秘書長等職務(wù)?！　顐麇P，男，1939年8月生，侗族，教授。1963年6月畢業(yè)于上?？茖W(xué)技術(shù)大學(xué)金屬物理專業(yè)。1963年7月－1988年9月在中國科學(xué)院上海冶金研究所從事材料物理和X射線衍射應(yīng)用方面的研究。1988年10月－1993年5月先后應(yīng)美國EXXON研究與工程公司和美國.Biosym技術(shù)有限公司邀請，在美國長島Brookhaven國家實驗室從事材料同步輻射和中子衍射散射合作研究。1993年6月－1999年8月在上海大學(xué)物理系任教，先后給研究生開設(shè)激光光譜學(xué)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的理論與方法、同步輻射應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用物理前沿系列講座等課程。先后在各種期刊雜志上發(fā)表相關(guān)論文60多篇。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 材料結(jié)構(gòu)分析的層次和內(nèi)容  1.2 譜學(xué)的定義及其分類  1.3 射線與物質(zhì)的交互作用  1.4 衍射與散射分析發(fā)展簡史  1.5 “材料射線衍射和散射分析”的內(nèi)容和主要特色第2章 晶體學(xué)基礎(chǔ)和磁結(jié)構(gòu)  2.1 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點陣空間  2.2 晶體結(jié)構(gòu)的點對稱和點群  2.3 晶體結(jié)構(gòu)的微觀對稱和空間群  2.4 二維晶體學(xué)和表面結(jié)構(gòu)  2.5 磁結(jié)構(gòu)與磁對稱性  2.6 倒易點陣  2.7 晶體的極射赤面投影  2.8 金屬鍵與金屬及其合金的晶體結(jié)構(gòu)  2.9 共價鍵與共價晶體的結(jié)構(gòu)  2.10 離子鍵和離子晶體的結(jié)構(gòu)  2.11 分子鍵和分子、晶體的結(jié)構(gòu)  2.12 混合鍵和復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)  主要參考文獻第3章 X射線運動學(xué)衍射理論基礎(chǔ)  3.1 衍射幾何理論——布拉格方程  3.2 單個晶胞散射強度  3.3 單個理想小晶體散射強度  3.4 實際多晶體衍射強度  3.5 理論衍射圖譜的模擬計算實例  主要參考文獻第4章 射線衍射散射實驗方法  4.1 普通X射線源和電子射線源  4.2 中子射線源  4.3 同步輻射光源  4.4 X射線探測器和記錄系統(tǒng)的發(fā)展  4.5 X射線衍射分析的照相法  4.6 X射線衍射分析的衍射儀法  4.7 X射線小角散射實驗裝置的發(fā)展  4.8 中子衍射和散射實驗方法  4.9 電子衍射和散射實驗方法  主要參考文獻第5章 物相衍射分析  5.1 物相定性分析的原理和ICDD粉末衍射數(shù)據(jù)庫  5.2 人工檢索、半自動檢索和自動檢索/匹配  5.3 復(fù)相分析和無卡相分析  5.4 單晶電子衍射花樣的物相鑒定  5.5 物相定量分析的原理和強度公式  5.6 采用標(biāo)樣的定量相分析方法  5.7 無標(biāo)樣的定量相分析方法  5.8 大塊樣品定量相分析方法  5.9 物相分析的最新進展  主要參考文獻第6章 點陣參數(shù)的精確測定  6.1 點陣參數(shù)測定的誤差來源  6.2 多晶樣品點陣參數(shù)的精確測定  6.3 測定點陣常數(shù)的實例  6.4 單晶樣品點陣常數(shù)的測定  6.5 點陣常數(shù)測定的幾點討論  主要參考文獻第7章 內(nèi)應(yīng)力測定與分析  7.1 應(yīng)力的分類及其X射線衍射效應(yīng)  7.2 單軸應(yīng)力的測定原理和方法  7.3 平面宏觀應(yīng)力的測定原理  7.4 平面宏觀應(yīng)力的測定方法  7.5 應(yīng)力測定的數(shù)據(jù)處理方法  7.6 三維應(yīng)力及薄膜應(yīng)力測量  主要參考文獻第8章 多晶織構(gòu)測量和單晶定向  8.1 織構(gòu)的分類和表征  8.2 極圖測定及其分析  8.3 反極圖測定  8.4 三維取向分布函數(shù)  8.5 單晶定向與切割  8.6 晶片取向的精確測定和校準  主要參考文獻第9章 X射線衍射譜的線形分析  9.1 X射線衍射的晶粒度寬化效應(yīng)—Scherrer公式  9.2 微觀應(yīng)力(應(yīng)變)引起的寬化效應(yīng)  9.3 堆垛層錯引起的寬化效應(yīng)  9.4 微晶-微應(yīng)力兩重寬化效應(yīng)的分離  9.5 晶粒大小及其統(tǒng)計分布的測定  9.6 分離微晶-層錯和微應(yīng)力-層錯二重寬化效應(yīng)的最小二乘方法  9.7 分離微晶-微應(yīng)變-層錯三重寬化效應(yīng)的最小二乘方法  9.8 分離二重和三重寬化效應(yīng)的計算程序  9.9 幾個具體例子  主要參考文獻第10章 二維X射線衍射分析的原理、方法及應(yīng)用  10.1 二維X射線衍射的定義  10.2 單晶樣品的二維X射線衍射術(shù)  10.3 閃爍計數(shù)管、一維位敏探測器和二維探測器記錄多晶衍射花樣的比較  10.4 多晶二維X射線衍射的原理、實驗裝置和二維探測器  10.5 多晶2D-XRD的應(yīng)用  10.6 二維小角X射線散射  10.7 二維X射線衍(散)射的綜合評論和發(fā)展趨勢  主要參考文獻第11章 X射線多重衍射的原理、方法及應(yīng)用  11.1 多重衍射的基本原理  11.2 獲得多重衍射花樣的實驗方法  11.3 多重衍射花樣的指標(biāo)化  11.4 多重衍射理論簡介  11.5 多重衍射的某些應(yīng)用  主要參考文獻第12章 X射線異常散射分析及應(yīng)用  12.1 異常散射和選擇元素衍射  12.2 相角測定的異常散射方法  12.3 晶體學(xué)中原子位置的分攤問題  12.4 異常寬角散射和粉末差分衍射  12.5 原子有序和非晶材料研究  12.6 異常小角X射線散射  12.7 價態(tài)研究  12.8 衍射異常精細結(jié)構(gòu)  主要參考文獻第13章 X射線和同步輻射成像術(shù)及其應(yīng)用  13.1 概述  13.2 基于吸收襯度的成像術(shù)及其應(yīng)用  13.3 計算機輔助層析成像術(shù)  13.4 基于相位襯度的成像術(shù)及其應(yīng)用  13.5 X射線全息成像術(shù)  13.6 三位一體成像術(shù)和明場像、暗場像  13.7 同步輻射裝置中其他譜學(xué)成像術(shù)  主要參考文獻第14章 X射線與同步輻射光譜術(shù)  14.1 X射線發(fā)射譜及其精細結(jié)構(gòu)  14.2 X射線吸收譜和近限結(jié)構(gòu)  14.3 擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)  14.4 俄歇電子能譜  14.5 光電子能譜  14.6 紅外吸收譜和紫外譜  14.7 軟X射線磁圓二色譜術(shù)  14.8 Raman譜和非彈性散射譜  14.9 同步輻射中的譜學(xué)聯(lián)合裝置  主要參考文獻第15章 晶體結(jié)構(gòu)的實驗測定  15.1 多晶樣品衍射花樣的Rietveld結(jié)構(gòu)精修  15.2 多晶樣品結(jié)構(gòu)測定的從頭計算法  15.3 單晶樣品的結(jié)構(gòu)測定  15.4 表面和界面的結(jié)構(gòu)研究  15.5 測定晶體結(jié)構(gòu)的相位襯度結(jié)構(gòu)像方法  15.6 自旋結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)的測定  15.7 準晶的衍射效應(yīng)  主要參考文獻第16章 晶體缺陷的衍襯成像觀察和研究  16.1 X射線貌相術(shù)的實驗方法  16.2 電子衍襯成像原理  16.3 X射線和中子衍襯貌相中的襯度  16.4 電子衍襯和X射線及中子衍襯的比較  16.5 貌相圖中缺陷像的分析  16.6 X射線衍襯貌相在單晶生長及單晶器件工藝中的應(yīng)用  16.7 電子衍襯術(shù)在金屬研究中的應(yīng)用  主要參考文獻第17章 薄膜和一維超點陣材料的X射線分析  17.1 薄膜分析的X射線實驗方法  17.2 原子尺度薄膜的研究  17.3 工程薄膜和多層膜的研究  17.4 一維超點陣材料的研究  17.5 晶體不完整性、應(yīng)變的衍射空間和倒易空間圖研究  主要參考文獻第18章 非晶材料的X射線散射分析  18.1 非晶物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)模型  18.2 各向同性非晶物質(zhì)結(jié)構(gòu)的表征  18.3 各向異性非晶物質(zhì)結(jié)構(gòu)的表征  18.4 非晶物質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)  18.5 全徑向分布函數(shù)的WAXS測定  18.6 偏徑向分布函數(shù)WAXS測定  18.7 全取向徑向分布函數(shù)和柱體分布函數(shù)的測定  18.8 EXAFS譜的數(shù)據(jù)分析和非晶局域結(jié)構(gòu)EXAFS測定  18.9 DAFS和EELFS測定非晶局域結(jié)構(gòu)  18.10 液晶的散射(衍射)研究  主要參考文獻第19章 聚合物和高分子材料的X射線分析  19.1 聚合物材料的結(jié)構(gòu)特征和x射線分析范疇  19.2 聚合物結(jié)晶度的測定  19.3 聚合物材料的取向分布和取向度測定  19.4 長周期高分子材料的小角散射測定  主要參考文獻第20章 納米材料和介孔材料的X射線分析  20.1 結(jié)晶納米材料的相分析  20.2 非晶納米材料的局域結(jié)構(gòu)測定  20.3 測定微結(jié)構(gòu)時各有關(guān)參數(shù)的獲得  20.4 納米晶大小、微應(yīng)力及層錯幾率的測定  20.5 納米材料小角X射線散射分析原理  20.6 納米材料顆粒大小及其分布的測定  20.7 納米材料分形(fractal)結(jié)構(gòu)研究  20.8 介孔(meso-pomus)材料的x射線研究  主要參考文獻第21章 材料動力學(xué)結(jié)構(gòu)的非彈性散射分析  21.1 動力學(xué)結(jié)構(gòu)研究理論基礎(chǔ)簡介  21.2 動力學(xué)結(jié)構(gòu)研究的實驗方法  21.3 結(jié)晶物質(zhì)的點陣動力學(xué)研究  21.4 非晶物質(zhì)、聚合物和生物高分子中的動力學(xué)結(jié)構(gòu)  21.5 高Tc超導(dǎo)體的點陣動力學(xué)研究  21.6 小結(jié)  主要參考文獻第22章 材料結(jié)構(gòu)的綜合研究  22.1 X射線、中子、電子衍射的比較  22.2 材料中原子價態(tài)的譜學(xué)綜合研究  22.3 晶體結(jié)構(gòu)的綜合測定  22.4 晶體不完整性的綜合分析  22.5 局域結(jié)構(gòu)的綜合研究  22.6 動力學(xué)結(jié)構(gòu)的非彈性散射綜合研究  22.7 合金中元素(部分或全部)取代后原子的占位問題索引

章節(jié)摘錄

　　1.5.1 全書的主要內(nèi)容基于　　1.1節(jié)所述材料結(jié)構(gòu)分析的10個層次和內(nèi)容，將全書分為22章，除緒論外其主要內(nèi)容是：　　（1）晶體學(xué)和衍射理論基礎(chǔ)及散射線衍射實驗方法共三章，即基礎(chǔ)篇?！　。?）物相衍射分析（包括物相定性、定量分析）、點陣參數(shù)的精確測定、材料內(nèi)應(yīng)力的測定和材料織構(gòu)與晶體取向測定共四章，可歸于適用衍射分析。　?。?）專題衍射和散射分析方法及應(yīng)用，包括衍射譜線的線形分析、二維衍射、多重衍射、異常散射、X射線和同步輻射光譜學(xué)、X射線和同步輻射成像術(shù)，共六章。　　（4）衍射和散射分析的應(yīng)用專題，包括結(jié)構(gòu)材料的晶體結(jié)構(gòu)測定、晶體缺陷的衍襯成像觀測、薄膜和一維超點陣材料、聚合物材料、納米材料、非晶體材料的局域結(jié)構(gòu)測定、材料動力學(xué)結(jié)構(gòu)的非彈性散射分析，共七章?！　。?）全書的總結(jié)——材料結(jié)構(gòu)綜合研究，包括三種射線衍射和散射的比較和用盡可能多種衍射散射等分析方法對原子、分子結(jié)構(gòu)的譜學(xué)研究、晶體結(jié)構(gòu)、晶體不完整性、局域結(jié)構(gòu)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)的綜合研究，最后給出“合金中元素（部分和全部）取代后的原子占位”問題研究的方法和動向?！　?.5.2　本書的主要特色和創(chuàng)新點全書在組織結(jié)構(gòu)、章節(jié)安排和內(nèi)容取舍方面都作了認真的推敲，卓具匠心，以體現(xiàn)全書的創(chuàng)新性?！　。?）雖以X射線為主，但將X射線、電子和中子三類衍射散射準平行地介紹，達到了觸類旁通，頗具有啟發(fā)性?！　。?）為了適應(yīng)非材料專業(yè)人士參考，編寫了晶體學(xué)基礎(chǔ)和磁結(jié)構(gòu)、X射線運動學(xué)衍射理論和射線散射衍射實驗方法三章作為基礎(chǔ)，盡可能簡要敘述?！　。?）第5章至第8章的適用衍射分析，應(yīng)用范圍廣泛，借作者數(shù)十年之積累，給出許多生動的具體例子，為讀者提供最適宜的工作參考，特別是“物相衍射分析”一章中的定量分析，在介紹定量分析各種方法時，僅接納原作者的思想和思路，工作方程的推導(dǎo)則從作者建立的“多相樣品的衍射強度公式”。

編輯推薦

　　作者以研究生教材和學(xué)術(shù)專著相結(jié)合的方式把本書介紹給各位材料專業(yè)的碩士、博士生導(dǎo)師和研究生們?！　”緯趯Σ牧辖Y(jié)構(gòu)分析的一般概念、晶體學(xué)基礎(chǔ)和磁結(jié)構(gòu)、X射線運動學(xué)衍射理論基礎(chǔ)、射線衍射散射實驗方法等四章作為基礎(chǔ)簡介后，在“材料適用衍射分析”綱要下，分物相衍射分析、點陣參數(shù)的精確測定、內(nèi)應(yīng)力的測定與分析和多晶織構(gòu)測量和單晶定向四章介紹。最后一章(第22章)材料結(jié)構(gòu)的綜合研究是全書的總結(jié)，建議讀者盡可能用多種實驗手段和實驗方法對結(jié)構(gòu)做綜合分析和研究，才能做出較全面的正確結(jié)論。

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