第0章+散射基础：散射探针

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1、序论散射基础：散射探针ElementsofScattering:ScatteringProbes王焕华中科院高能所北京同步辐射实验室Outline•X射线•中子•电子•光散射光与物质的相互作用具有最根本的重要性！•光合作用——养育万类！•可见光——认识宏观世界！•认识微观世界——X射线、电子、中子高能辐射区γ射线能量最高，来自于核能级跃迁波长x射线来自内层电子能级的跃迁光学光谱区紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁可见光红外光来自分子振动和转动能级的跃迁波谱区微波来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁无线电波来自原子核自旋能级的跃迁长Nature'sDimensionsQunShen,Phy

2、sicsColloquium,CornellUniversity,October20,2003humanhairmicrochipGe/SidotsHelisomaSi(111)7x7SipillarsReoviruscheekcellplantsonioncellyeastH2Oant100μmRibosomeCystine10−110−210−310−410−510−610−710−810−910−10Size(m)Plants&AnimalsX-raycrystallographyMicro-organismsTEMCellsOrganellesSmallmoleculesNaked

3、eyeMacromoleculesAtomsOpticalmicroscopyElectronmicroscopyNMRUltrasound,MRIAFMX-rayradiologySTM3采用X射线研究晶体的结构就是X射线晶体学的研究内容。•WhyX-rays?–CuKaWavelength,1.5416Å–verysimilartodistancebetweenbondedcarbonatoms•Whycrystals?–Hugenumberofmoleculesinsameorientation•Whyelectrondensity?–charge/mass:electrons>>a

4、tomicnucleiorprotons–electronsacceleration⇒electromagneticradiation§0.1X射线(X-Rays)X射线:λ在10-2⎯102Å范围内的电磁波，又称X光。•1895，W.C.Röntgen发现X射线。X射线管A-K+伦琴X射线K─阴极，A─阳极(钼、钨、铜等金属)A─K间加几万伏高压，以加速阴极发射的热电子•1912，MaxvonLaue,Friedrich和Knipping用X射线照射ZnS晶体，发现：a)X射线是波长极短的电磁波。b)晶体是由周期性原子阵列构成。c)晶体产生独特的X射线衍射图样。晶体劳厄斑·劳厄·X射线·

5、·准直缝•1914，W.L.Bragg和W.H.Bragg发现衍射图样可以用来测定晶体中原子的相对位置（即分子结构）。X射线与物质的基本作用及其应用吸收谱、光刻、微•吸收细加工、成象、软X光显微术、心血管造影、微束CT样品反射、散射、衍射、•散射小角散射、漫散射、非弹性散射、圆二色谱、形貌术电子光电子谱、光离子•光电子谱、荧光谱、光激离子励脱附原子X射线的重要性♦X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法。◊在物质的微观结构中，原子和分子的距离(1－~10Å)正好落在X射线的波长范围内(10-2－102Å)，所以物质(尤其是晶体)对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。◊迄

6、今为止，超过95％的物质结构是用X射线方法解出的。常用的：0.1～2Å波长太长：样品和空气对X射线吸收太大波长太短：衍射线过分集中在低角度区♦X射线提供了种类繁多的其它各种无损探测方法，在科学技术中有重要的应用，发挥着不可替代的作用。如XPS、XAFS、CD、XRF、SAXS等等。花絮：与X射线相关的诺贝尔奖1.1901年，伦琴由于发现X射线而获得了第一次诺贝尔物理学奖。2.1914年，劳厄由于利用X射线通过晶体时的衍射，证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖。3.1915年，布拉格父子因用X射线研究晶体结构而分享了诺贝尔物理学奖。4.1917年，巴克拉由于发现标识X射线获得诺贝尔物

7、理学奖。5.1924年，西格班因在X射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。6.1927年，康普顿与威尔逊因发现X射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。7.1936年，德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖。8.1946年，缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学.医学奖。9.1954年，鲍林由于在化学键的研究以及阐明复杂的物质结构而获得诺贝尔化学奖（与X射线衍射研究密不可分）。