同步輻射衍射實驗基本原理

同步輻射衍射實驗基本原理第一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五來源X光光子受到樣品中電子的相干散射，由于樣品中原子排列的性質(zhì)（如周期對稱性等）導(dǎo)致強度的調(diào)制，產(chǎn)生強度的極大或者其它分布。強度的分布反映了樣品中原子位置的信息，通過一定的處理方法可以獲得這些信息。第二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五衍射是如何產(chǎn)生的？單個電子對入射的X光產(chǎn)生彈性散射（Tompson散射）；周期性排列的原子（晶體）由于相干性（衍射）在某些特定的方向使得出射的X光出現(xiàn)極大。第三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五衍射出現(xiàn)極大的條件Laue方程晶體的空間結(jié)構(gòu)、Miller指數(shù)晶體的空間結(jié)構(gòu)：點陣；空間群等概念可以在晶體學(xué)的參考書找到。第四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五點陣：布拉菲（Bravais）點陣平移群只有14種，即14種Bravais點陣。7個晶系。頂點+可能的體心、面心三斜（初基三斜）初基單斜；單面心單斜；初基正交；單面心正交；體心正交；面心正交；初基四方；體心四方；（為什么沒有面心四方？）初基六方；初基三方初基立方；面心立方；體心立方。第五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五點群點群有32種，和晶系有關(guān)。我們最熟悉的立方晶系相關(guān)的點群有：T，Th，O，Td，Oh。第六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五空間群230個空間群：晶體微觀結(jié)構(gòu)的對稱操作群一共只有230種可能性。等效點：有對稱性操作聯(lián)系的點稱為等效點，這些點的物理性質(zhì)完全一致（對稱性的體現(xiàn)）。第七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五Laue方程散射矢量必須等于某一個倒易矢量：s=s0+h倒易矢量是分立的。因此對一個晶體，其產(chǎn)生衍射的方向是分立的。各個衍射峰以倒易矢量來標(biāo)志：hkl第八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五Bragg公式可以將發(fā)生衍射的條件描述為X光被晶體中一系列的“鏡面”反射，但是出現(xiàn)“反射”的角度不是任意的，只有滿足Bragg條件才可以。不同的反射面以（hkl）標(biāo)志。第九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五Miller指數(shù)hkl也稱為Miller指數(shù)。它代表了倒易空間一個點陣方向，實空間一系列平行晶面的法線方向；倒易空間和實空間互為傅立葉變換的關(guān)系。第十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五衍射和散射所能研究的體系非常廣泛。原先對于晶體（衍射），近來由于同步輻射的發(fā)展，對非晶態(tài)物質(zhì)的研究得到發(fā)展。單晶衍射：結(jié)構(gòu)測定；多晶衍射：相分析、微缺陷、結(jié)構(gòu)分析；散射（非晶）：研究非晶態(tài)物質(zhì)的重要手段。第十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五X射線衍射的發(fā)展歷史M.V.Laue于1912年驗證了晶體的衍射；（1914年諾貝爾物理學(xué)獎）Bragg父子測定了NaCl晶體結(jié)構(gòu)；（1915年諾貝爾物理學(xué)獎）；DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；（1953年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生物學(xué)獎）肌紅蛋白結(jié)構(gòu)；（1963年諾貝爾物理學(xué)獎）；第十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五同步輻射的出現(xiàn)，使得解析像蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)成為比較簡單的技術(shù)，大大促進了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展。高亮度：對于衍射很弱的晶體很必要，同時減少了輻射損傷；準(zhǔn)直性：質(zhì)量不佳的晶體也能獲得好的數(shù)據(jù)；聚焦性：小的晶體也能進行實驗；能量可調(diào)：解決相位問題的關(guān)鍵。第十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五多晶衍射1915年Debye，Scherrer和Hull提出多晶衍射（粉末衍射）的方法；可以測定晶體結(jié)構(gòu)；可以得到材料中應(yīng)力、缺陷分布的情況；快速鑒定材料中相成分；實驗方便，對樣品要求較低。第十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五同步輻射的出現(xiàn)大大強化了多晶衍射的功能。高亮度：含量很少的相能夠鑒定，實驗時間減少；準(zhǔn)直性：衍射分辨率提高，使得結(jié)構(gòu)解析、線形分析等更加準(zhǔn)確可靠；能量可調(diào)：反常散射手段應(yīng)用（結(jié)構(gòu)解析），應(yīng)力分布。第十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五實驗描述一束盡可能平行（準(zhǔn)直性好）、聚焦的X光照射到樣品上，記錄出射的、能量不變的X光強度的空間分布。幾個主要的部分：光源、光學(xué)系統(tǒng)、樣品、衍射儀、探測器。第十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五光源：同步輻射，常規(guī)X光源，（中子、電子等）；（單色光或白光）光學(xué)系統(tǒng)：獲得尺寸小、有足夠準(zhǔn)直性的入射光束；樣品：單晶、多晶、非晶；衍射儀：單軸、四圓衍射儀等；探測器：點、線、面探測器。第十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五實驗設(shè)置第十八頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五不同的樣品和實驗條件下的衍射單色光、單晶：白光、單晶：Laue衍射單色光、多晶：粉末衍射白光、多晶：能量色散衍射；單色光、非晶：散射第十九頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五單色光、單晶衍射測定晶體結(jié)構(gòu)最常用、最準(zhǔn)確的方法；也是目前最活躍的研究領(lǐng)域，特別是生物大分子結(jié)構(gòu)測定；同步輻射是最有效的光源；需要單晶。第二十頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五Laue衍射速度快，可以作為時間分辨的實驗手段；結(jié)構(gòu)解析非常復(fù)雜，目前還在發(fā)展中；可能是今后（第四代同步輻射）結(jié)構(gòu)研究的主流手段。第二十一頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五粉末衍射快速、方便的實驗手段；能給出相當(dāng)多的信息；方法學(xué)在發(fā)展中；材料、化學(xué)等小分子結(jié)構(gòu)研究中必不可少的手段；第二十二頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五能量色散衍射靈敏度高，適合于非常微小的樣品；在極端條件下的結(jié)構(gòu)研究中有很大的作用；然而隨著實驗儀器和分析手段的發(fā)展，逐漸被角度色散的粉末衍射替代；第二十三頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五散射研究非晶材料的有力手段；和XAFS不同，它能給出材料中總體的結(jié)構(gòu)信息，而不是局域的結(jié)構(gòu)信息。第二十四頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五散射非周期結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可以研究；可以得到樣品中原子分布的信息；同步輻射可以提供很短的波長，很高的強度和分辨率，對散射實驗非常有利。第二十五頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五小角散射：通過角度很小的散射強度分布獲得樣品中密度分布的信息。適合于諸如納米材料，生物大分子等體系的研究：得到顆?；蛏锎蠓肿拥男螤?、分布等信息。分辨率較低，但是對樣品和實驗的要求較低。第二十六頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五大角散射：類似粉末衍射的實驗方法，類似XAFS的處理方法，得到的信息類似XAFS。平均的結(jié)構(gòu)信息。要求測量到很大的衍射矢量值：短波長、大角度，高強度，所以需要同步輻射。第二十七頁，共二十九頁，編輯于2023年，星期五多種方法的綜合同步輻射提供了各種手段，各有千秋。關(guān)鍵是如何利用這些方法來獲得需要的信息。不同方法的結(jié)果互相印證