小角X射線散射

前言

20世紀(jì)30年代初，Krishnamurti、Mark、Hendricks和Warren用X射線觀察炭粉、纖維素和膠體粉末時，發(fā)現(xiàn)了小角區(qū)域的漫散射現(xiàn)象。此后，Guinier、Fourent、Debye、Porod和Kratky等人相繼提出、建立和發(fā)展了小角X射線散射理論，由此誕生了獨立于X射線衍射學(xué)的一個嶄新方法——小角X射線散射。小角X射線散射現(xiàn)已發(fā)展成為研究亞微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的一種技術(shù)和手段，被廣泛應(yīng)用于聚合物、生物大分子、凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)等學(xué)科，研究的領(lǐng)域涉及合金、懸浮液、乳液、膠體、高分子溶液、天然大分子、液晶、薄膜、聚電解質(zhì)、復(fù)合物、納米材料和分形等。在發(fā)達(dá)國家，已把小角X射線散射用于在線測試，作為監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的一種常用工具。關(guān)于小角X射線散射的專著，最早并最為經(jīng)典的是1955年由Guinier和Fourent撰寫的《SmallAngle Scattering of XRays》，但此書早已絕版。此外，還有Beeman(1965年)、Bonse和Hart(1967年)、Glatter和Kratky（1982年）分別署名的《Small Angle XRay Scattering》等專著。然而，這些書在我國可能只有很少的高等院校和科研單位的圖書館里藏有，國內(nèi)有關(guān)X射線衍射的專著中涉及此方面的內(nèi)容不系統(tǒng)，也不全面，使對小角X射線散射方法感興趣并欲掌握的科研工作者感到困難重重，尤其是高等院校和科研單位里需要用小角X射線散射進(jìn)行科研的高年級學(xué)生和研究生等，渴望了解和學(xué)習(xí)這方面的知識和技術(shù)，卻深感圖書資料的缺乏。隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，掌握現(xiàn)代分析技術(shù)，了解物質(zhì)各層次的結(jié)構(gòu)，探討結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，已成為科研人員必備的技能。本著這種愿望，作者根據(jù)長期的積累編寫了這本系統(tǒng)、全面介紹小角X射線散射理論、測試方法、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的專著。為了使初學(xué)者容易理解，對小角X射線散射的基本理論和原理由淺入深、循序漸進(jìn)地進(jìn)行描述，對涉及的常用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行詳細(xì)而又明了的推導(dǎo)，對測試方法和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行詳盡而又細(xì)致的介紹。我國在小角X射線散射方面的研究和應(yīng)用因受上述原因和儀器等制約，起步較晚，研究較少。當(dāng)前，高等院校和科研單位正處于小角X射線散射儀更新?lián)Q代之際，人才輩出之時，希望本書能對我國在此方面的研究開展和深入起到一點推動或積極作用。由于作者水平有限，對小角X射線散射的理解還很膚淺，盡管傾心努力，難免還存在疏漏之處。在此，熱誠歡迎廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)、全面地介紹了小角X射線散射理論、測試方法、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用。內(nèi)容包括：小角X射線散射理論，如X射線的基本性質(zhì)、散射的基本原理、稀疏體系中各種形狀粒子的散射公式、稠密體系中粒子之間的散射干涉現(xiàn)象、從統(tǒng)計理論描述各種體系的散射、界面層厚度的計算以及熱漫散射（即背景散射）等；儀器裝置、測試方法和數(shù)據(jù)處理，有關(guān)參數(shù)的計算方法；小角X射線散射在各領(lǐng)域研究中的應(yīng)用實例以及如何從散射曲線中獲取形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)信息。本書可作為高等院校材料科學(xué)、生物科學(xué)等專業(yè)的高年級本科生和研究生的選修課教學(xué)用書，也可供從事X射線衍射和小角X射線散射方面研究的科研人員參考。

作者簡介

20世紀(jì)30年代初，Krishnamurti、Mark、Hendricks和Warren用X射線觀察炭粉、纖維素和膠體粉末時，發(fā)現(xiàn)了小角區(qū)域的漫散射現(xiàn)象。此后，Guinier、Fourent、Debye、Porod和Kratky等人相繼提出、建立和發(fā)展了小角X射線散射理論，由此誕生了獨立于X射線衍射學(xué)的一個嶄新方法——小角X射線散射。小角X射線散射現(xiàn)已發(fā)展成為研究亞微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的一種技術(shù)和手段，被廣泛應(yīng)用于聚合物、生物大分子、凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)等學(xué)科，研究的領(lǐng)域涉及合金、懸浮液、乳液、膠體、高分子溶液、天然大分子、液晶、薄膜、聚電解質(zhì)、復(fù)合物、納米材料和分形等。在發(fā)達(dá)國家，已把小角X射線散射用于在線測試，作為監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的一種常用工具。關(guān)于小角X射線散射的專著，最早并最為經(jīng)典的是1955年由Guinier和Fourent撰寫的《SmallAngle Scattering of XRays》，但此書早已絕版。此外，還有Beeman(1965年)、Bonse和Hart(1967年)、Glatter和Kratky（1982年）分別署名的《Small Angle XRay Scattering》等專著。然而，這些書在我國可能只有很少的高等院校和科研單位的圖書館里藏有，國內(nèi)有關(guān)X射線衍射的專著中涉及此方面的內(nèi)容不系統(tǒng)，也不全面，使對小角X射線散射方法感興趣并欲掌握的科研工作者感到困難重重，尤其是高等院校和科研單位里需要用小角X射線散射進(jìn)行科研的高年級學(xué)生和研究生等，渴望了解和學(xué)習(xí)這方面的知識和技術(shù)，卻深感圖書資料的缺乏。隨著科學(xué)的飛速發(fā)展，掌握現(xiàn)代分析技術(shù)，了解物質(zhì)各層次的結(jié)構(gòu)，探討結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，已成為科研人員必備的技能。本著這種愿望，作者根據(jù)長期的積累編寫了這本系統(tǒng)、全面介紹小角X射線散射理論、測試方法、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的專著。為了使初學(xué)者容易理解，對小角X射線散射的基本理論和原理由淺入深、循序漸進(jìn)地進(jìn)行描述，對涉及的常用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行詳細(xì)而又明了的推導(dǎo)，對測試方法和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行詳盡而又細(xì)致的介紹。我國在小角X射線散射方面的研究和應(yīng)用因受上述原因和儀器等制約，起步較晚，研究較少。當(dāng)前，高等院校和科研單位正處于小角X射線散射儀更新?lián)Q代之際，人才輩出之時，希望本書能對我國在此方面的研究開展和深入起到一點推動或積極作用。由于作者水平有限，對小角X射線散射的理解還很膚淺，盡管傾心努力，難免還存在疏漏之處。在此，熱誠歡迎廣大讀者批評指正。

書籍目錄

緒論 　0.1　何謂“小角散射” 　0.2　小角X射線散射發(fā)展概況 　0.3　小角X射線散射的研究對象 參考文獻(xiàn) 第1章　X射線與物質(zhì)的相互作用 　1.1　X射線的基本性質(zhì) 　1.2　X射線的吸收 　1.3　X射線的散射 　1.4　一個電子的散射 　1.5　兩個電子的散射 　1.6　多電子體系的散射 　1.7　多粒子體系的散射 　　1.7.1　粒子內(nèi)的散射干涉 　　1.7.2　粒子間的散射干涉 　1.8　散射體和散射現(xiàn)象的倒易關(guān)系 參考文獻(xiàn) 第2章　稀疏體系的散射 　2.1　球?qū)ΨQ粒子的散射 　　2.1.1　圓球粒子在真空中的散射 　　2.1.2　圓球粒子在介質(zhì)中的散射 　2.2　旋轉(zhuǎn)橢球體粒子的散射 　　2.2.1　取向體系 　　2.2.2　無規(guī)取向體系 　2.3　圓柱體粒子的散射 　　2.3.1　取向體系 　　2.3.2　無規(guī)取向體系 　2.4　細(xì)棒狀粒子的散射 　2.5　圓片狀粒子的散射 　2.6　旋轉(zhuǎn)半徑 　　2.6.1　Guinier公式 　　2.6.2　粒子的尺寸、形狀與旋轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系 　　2.6.3　極細(xì)棒狀或極薄圓片狀粒子的旋轉(zhuǎn)半徑 　　2.6.4　粒子大小分布對散射的影響 　2.7　分子量 參考文獻(xiàn) 附錄Ⅰ　旋轉(zhuǎn)橢球體在取向狀態(tài)時散射公式的推導(dǎo) 附錄Ⅱ　旋轉(zhuǎn)橢球體式（2.32）的推導(dǎo) 附錄Ⅲ　旋轉(zhuǎn)橢球體在無規(guī)取向狀態(tài)時散射公式的推導(dǎo) 附錄Ⅳ　圓柱狀粒子在取向狀態(tài)時散射公式的推導(dǎo) 第3章　粒子間的散射干涉 　3.1　一般描述 　3.2　Zernicke?Prins和Debye?Mencke公式 　3.3　Debye剛體球 　3.4　非晶粒子間的干涉效應(yīng) 　3.5　Hosemann準(zhǔn)晶理論 　　3.5.1　準(zhǔn)晶晶格的統(tǒng)計現(xiàn)象 　　3.5.2　一維準(zhǔn)晶的距離統(tǒng)計分布函數(shù) 　　3.5.3　一維準(zhǔn)晶的晶格因子 　　3.5.4　三維準(zhǔn)晶的晶格因子 　　3.5.5　準(zhǔn)晶的散射強(qiáng)度 　　3.5.6　準(zhǔn)晶的衍射峰寬 　3.6　散射圖像的分析 　　3.6.1　長周期與散射級數(shù) 　　3.6.2　散射峰寬 　　3.6.3　實際的散射圖像 參考文獻(xiàn) 第4章　散射的統(tǒng)計理論 　4.1　Debye?Bueche統(tǒng)計理論 　4.2　統(tǒng)計參數(shù)的計算方法 　　4.2.1　Fourier變換法 　　4.2.2　近似法 　4.3　統(tǒng)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 　　4.3.1　均方電子密度漲落 　　4.3.2　相關(guān)函數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 　　4.3.3　一維相關(guān)函數(shù) 　4.4　理想兩相體系的散射 　　4.4.1　Porod理論 　　4.4.2　Debye?Anderson?Brumberger理論 　4.5　距離分布函數(shù) 　　4.5.1　均勻粒子 　　4.5.2　空心和非均勻粒子 　　4.5.3　粒子間干涉和濃度效應(yīng) 參考文獻(xiàn) 第5章　準(zhǔn)兩相體系的散射 第6章　熱漫散射 第7章　測試裝置、實驗方法和數(shù)據(jù)處理 第8章　應(yīng)用

章節(jié)摘錄

插圖：緒論0.1　角散射所謂“小角散射”，顧名思義，是指被研究的試樣在靠近X射線入射光束附近很小角度內(nèi)的散射現(xiàn)象。X射線衍射主要用于研究和分析晶體的結(jié)構(gòu)，建立晶體的原子排列，后來X射線衍射從純晶體學(xué)擴(kuò)展到不完善晶體、微晶的大小，甚至擴(kuò)展到非晶原子結(jié)構(gòu)和液體的研究。小角X射線散射是這些領(lǐng)域之一，現(xiàn)在已發(fā)展成為X射線衍射學(xué)中一個獨立的分支。在X射線衍射理論中有著名的Bregg公式：2dsinθ＝λ式中，d為晶面間距；θ為衍射角（或稱散射角）；λ為X射線波長。對于一定的波長，d和λ之間存在著反比關(guān)系，即區(qū)域結(jié)構(gòu)越大，散射角越小。晶體的結(jié)構(gòu)單元是原子或基團(tuán)，其晶面間距大多小于1.5nm，如用X射線波長（CuKa）λ=0.15nm，則2θ大于5。，并反映的都是衍射現(xiàn)象。對于兩相體系：一相（分散相或稱微區(qū)）分散在另一相（連續(xù)相）中，如合金、半結(jié)晶聚合物、嵌段聚合物、乳液和蛋白質(zhì)溶液等，分散相的區(qū)域結(jié)構(gòu)和間距往往大于1.5nm，有的甚至可達(dá)幾百納米以上，而且分散相的排列周期性很差，反映的大多是散射現(xiàn)象，這種微區(qū)結(jié)構(gòu)或其周期性排列引起的散射或衍射一般都反映在2目小于5。的范圍內(nèi)。因此，一般而言，把2θ大于5。的衍射或散射稱為廣角X射線衍射（Wide Angle X_ray Diffraction，簡稱WAXD或XRD）；把2θ小于5。范圍內(nèi)的散射和衍射稱為小角X射線散射（Small Angle X-ray Seattering，簡稱SAXS）。但是，此5。絕不是定義或劃分廣角X射線衍射和小角X射線散射的嚴(yán)格界限。小角X射線散射理論與廣角X射線衍射理論不同，除了計算微區(qū)結(jié)構(gòu)的周期性（即長周期）排列以外，幾乎用不到Bregg公式，而且在實驗裝置和測試方法上也有所差異。

編輯推薦

《小角X射線散射:理論、測試、計算及應(yīng)用》由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

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