同步辐射衍射实验基本原理

同步辐射衍射实验基本原理第一页，共二十九页，2022年，8月28日来源X光光子受到样品中电子的相干散射，由于样品中原子排列的性质（如周期对称性等）导致强度的调制，产生强度的极大或者其它分布。强度的分布反映了样品中原子位置的信息，通过一定的处理方法可以获得这些信息。第二页，共二十九页，2022年，8月28日衍射是如何产生的？单个电子对入射的X光产生弹性散射（Tompson散射）；周期性排列的原子（晶体）由于相干性（衍射）在某些特定的方向使得出射的X光出现极大。第三页，共二十九页，2022年，8月28日衍射出现极大的条件Laue方程晶体的空间结构、Miller指数晶体的空间结构：点阵；空间群等概念可以在晶体学的参考书找到。第四页，共二十九页，2022年，8月28日点阵：布拉菲（Bravais）点阵平移群只有14种，即14种Bravais点阵。7个晶系。顶点+可能的体心、面心三斜（初基三斜）初基单斜；单面心单斜；初基正交；单面心正交；体心正交；面心正交；初基四方；体心四方；（为什么没有面心四方？）初基六方；初基三方初基立方；面心立方；体心立方。第五页，共二十九页，2022年，8月28日点群点群有32种，和晶系有关。我们最熟悉的立方晶系相关的点群有：T，Th，O，Td，Oh。第六页，共二十九页，2022年，8月28日空间群230个空间群：晶体微观结构的对称操作群一共只有230种可能性。等效点：有对称性操作联系的点称为等效点，这些点的物理性质完全一致（对称性的体现）。第七页，共二十九页，2022年，8月28日Laue方程散射矢量必须等于某一个倒易矢量：s=s0+h倒易矢量是分立的。因此对一个晶体，其产生衍射的方向是分立的。各个衍射峰以倒易矢量来标志：hkl第八页，共二十九页，2022年，8月28日Bragg公式可以将发生衍射的条件描述为X光被晶体中一系列的“镜面”反射，但是出现“反射”的角度不是任意的，只有满足Bragg条件才可以。不同的反射面以（hkl）标志。第九页，共二十九页，2022年，8月28日Miller指数hkl也称为Miller指数。它代表了倒易空间一个点阵方向，实空间一系列平行晶面的法线方向；倒易空间和实空间互为傅立叶变换的关系。第十页，共二十九页，2022年，8月28日衍射和散射所能研究的体系非常广泛。原先对于晶体（衍射），近来由于同步辐射的发展，对非晶态物质的研究得到发展。单晶衍射：结构测定；多晶衍射：相分析、微缺陷、结构分析；散射（非晶）：研究非晶态物质的重要手段。第十一页，共二十九页，2022年，8月28日X射线衍射的发展历史M.V.Laue于1912年验证了晶体的衍射；（1914年诺贝尔物理学奖）Bragg父子测定了NaCl晶体结构；（1915年诺贝尔物理学奖）；DNA双螺旋结构；（1953年诺贝尔医学和生物学奖）肌红蛋白结构；（1963年诺贝尔物理学奖）；第十二页，共二十九页，2022年，8月28日同步辐射的出现，使得解析像蛋白质这样复杂的结构成为比较简单的技术，大大促进了结构生物学的发展。高亮度：对于衍射很弱的晶体很必要，同时减少了辐射损伤；准直性：质量不佳的晶体也能获得好的数据；聚焦性：小的晶体也能进行实验；能量可调：解决相位问题的关键。第十三页，共二十九页，2022年，8月28日多晶衍射1915年Debye，Scherrer和Hull提出多晶衍射（粉末衍射）的方法；可以测定晶体结构；可以得到材料中应力、缺陷分布的情况；快速鉴定材料中相成分；实验方便，对样品要求较低。第十四页，共二十九页，2022年，8月28日同步辐射的出现大大强化了多晶衍射的功能。高亮度：含量很少的相能够鉴定，实验时间减少；准直性：衍射分辨率提高，使得结构解析、线形分析等更加准确可靠；能量可调：反常散射手段应用（结构解析），应力分布。第十五页，共二十九页，2022年，8月28日实验描述一束尽可能平行（准直性好）、聚焦的X光照射到样品上，记录出射的、能量不变的X光强度的空间分布。几个主要的部分：光源、光学系统、样品、衍射仪、探测器。第十六页，共二十九页，2022年，8月28日光源：同步辐射，常规X光源，（中子、电子等）；（单色光或白光）光学系统：获得尺寸小、有足够准直性的入射光束；样品：单晶、多晶、非晶；衍射仪：单轴、四圆衍射仪等；探测器：点、线、面探测器。第十七页，共二十九页，2022年，8月28日实验设置第十八页，共二十九页，2022年，8月28日不同的样品和实验条件下的衍射单色光、单晶：白光、单晶：Laue衍射单色光、多晶：粉末衍射白光、多晶：能量色散衍射；单色光、非晶：散射第十九页，共二十九页，2022年，8月28日单色光、单晶衍射测定晶体结构最常用、最准确的方法；也是目前最活跃的研究领域，特别是生物大分子结构测定；同步辐射是最有效的光源；需要单晶。第二十页，共二十九页，2022年，8月28日Laue衍射速度快，可以作为时间分辨的实验手段；结构解析非常复杂，目前还在发展中；可能是今后（第四代同步辐射）结构研究的主流手段。第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日粉末衍射快速、方便的实验手段；能给出相当多的信息；方法学在发展中；材料、化学等小分子结构研究中必不可少的手段；第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日能量色散衍射灵敏度高，适合于非常微小的样品；在极端条件下的结构研究中有很大的作用；然而随着实验仪器和分析手段的发展，逐渐被角度色散的粉末衍射替代；第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日散射研究非晶材料的有力手段；和XAFS不同，它能给出材料中总体的结构信息，而不是局域的结构信息。第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日散射非周期结构的物质可以研究；可以得到样品中原子分布的信息；同步辐射可以提供很短的波长，很高的强度和分辨率，对散射实验非常有利。第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日小角散射：通过角度很小的散射强度分布获得样品中密度分布的信息。适合于诸如纳米材料，生物大分子等体系的研究：得到颗粒或生物大分子的形状、分布等信息。分辨率较低，但是对样品和实验的要求较低。第二十六页，共二十九页，2022年，8月28日大角散射：类似粉末衍射的实验方法，类似XAFS的处理方法，得到的信息类似XAFS。平均的结构信息。要求测量到很大的衍射矢量值：短波长、大角度，高强度，所以需要同步辐射。第二十七页，共二十九页，2022年，8月28日多种方法的综合同步辐射提供了各种手段，各有千秋。关键是如何利用这些方法来获得需要的信息。不同方法的结果互相印证