闲聊X光小角度散射在科研中的一些趣事
李革胜, 2-18-2012
首先, 衍射(diffraction)和散射(Scattering)是不同的, 我们知道光有波粒二象性(wave-particle duality), 衍射是光波的一种物理性质。光波在传播路径中,遇到障碍物,绕过障碍物,产生偏离直线传播的现象称为衍射, 是从光的波的特性的角度来说的。而散射是一种物理现象。物体表面不均匀导致入射光线经过表面反射后发向各个方向,这样的现象统称为散射, 是从光的的特性来说的。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。光和微观粒子的波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人头疼的问题 ,现在也不能说问题已经完全解决。
X光也具有二象性。X射线衍射原理可用布拉格定律来解释。
对于晶体材料, 从布拉格方程:
2dsina=nl
d: 晶面间距;
a:入射角度,
l:入射射线的波长。
这是从X光的粒的特性来说的
现在的X光小角度散射仪大都是根据瑞利散射(Rayleigh scattering)的原理来设计的。它是半径比光的波长小很多的微粒对光的散射。瑞利散射光的強度和入射光波长λ的4次方成反比:
李革胜, 2-18-2012
首先, 衍射(diffraction)和散射(Scattering)是不同的, 我们知道光有波粒二象性(wave-particle duality), 衍射是光波的一种物理性质。光波在传播路径中,遇到障碍物,绕过障碍物,产生偏离直线传播的现象称为衍射, 是从光的波的特性的角度来说的。而散射是一种物理现象。物体表面不均匀导致入射光线经过表面反射后发向各个方向,这样的现象统称为散射, 是从光的的特性来说的。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。光和微观粒子的波粒二象性如何统一的问题是人类认识史上最令人头疼的问题 ,现在也不能说问题已经完全解决。
X光也具有二象性。X射线衍射原理可用布拉格定律来解释。
对于晶体材料, 从布拉格方程:
2dsina=nl
d: 晶面间距;
a:入射角度,
l:入射射线的波长。
这是从X光的粒的特性来说的
现在的X光小角度散射仪大都是根据瑞利散射(Rayleigh scattering)的原理来设计的。它是半径比光的波长小很多的微粒对光的散射。瑞利散射光的強度和入射光波长λ的4次方成反比:
其中是光的光強分布函數。这是从X光的波的特性来说的
也就是說,波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。可以这么讲,散射普遍存在,衍射只在满足布拉格方程时才出现。
但是本质上讲, 布拉格定律和瑞利散射都是在盲人摸象, 以点代面、以偏概全, 得到的结果也是可以得到证实的, 可以作为定性比较实验, 但一般不作为定量实验的唯一判据。因为X光照片和图谱造假实在是太容易了。
实际上, 就是各向同性晶体衍射分析看起来没多大困难,但也需要进行各种校正,一般不校正结果会较差。
对于择优取向体系小角度分析起来现在还是非常不可靠, 因为基本模拟的理论和计算方法和实际有差距, 靠计算和校正得到的结果很不靠谱。现在做小角度分析很时髦, 但真正效果好的大都是在做小角度的衍射分析,也就是低角度衍射峰位置 的分析,而不是真正的散射分析。
有一个误区, 现在小角X射线散射(Small Angle X-Ray Scattering, SAXS)成了研究纳米尺度微结构的重要手段。写论文好像没有小角X射线散射的复杂计算和深奥的波谱, 论文质量就不高。笔者在给Journal of Materials Science 做reviewer时就碰到过这样的例子。
因为根据SAXS理论,只要体系内存在电子密度不均匀,种种原因如孔洞、粒子、缺陷、材料中的晶粒、晶界、非晶粒子结构等,就会在入射X光束附近的小角度范围内 产生相干散射,通过对小角X射线散射图或散射曲线的计算和分析即可推导出微结构甚至介观级别的形状、 大小、分布, 杂质及含量等信息。同时,由于X射线具有穿透性,SAXS信号是样品表面和内部众多散射体的统计结果。但是, 到现在还没有一个放之四海皆准的模拟理论, 大都是近似估计。因为对复杂缺陷的定量化到现在都是一个世界难题。
所以单一的小角X射线散射结果不能作为定量分析的唯一判据, 因为散射结果的可重复性一直是个头痛问题, 而且, X射线作假造假实在是太容易了。必须要有其它分析结果如常TEM, SEM, EDX, Mass Spectrometry等来互相验证。
35分钟写完
也就是說,波長較短的藍光比波長較長的紅光更易散射。瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。可以这么讲,散射普遍存在,衍射只在满足布拉格方程时才出现。
但是本质上讲, 布拉格定律和瑞利散射都是在盲人摸象, 以点代面、以偏概全, 得到的结果也是可以得到证实的, 可以作为定性比较实验, 但一般不作为定量实验的唯一判据。因为X光照片和图谱造假实在是太容易了。
实际上, 就是各向同性晶体衍射分析看起来没多大困难,但也需要进行各种校正,一般不校正结果会较差。
对于择优取向体系小角度分析起来现在还是非常不可靠, 因为基本模拟的理论和计算方法和实际有差距, 靠计算和校正得到的结果很不靠谱。现在做小角度分析很时髦, 但真正效果好的大都是在做小角度的衍射分析,也就是低角度衍射峰位置 的分析,而不是真正的散射分析。
有一个误区, 现在小角X射线散射(Small Angle X-Ray Scattering, SAXS)成了研究纳米尺度微结构的重要手段。写论文好像没有小角X射线散射的复杂计算和深奥的波谱, 论文质量就不高。笔者在给Journal of Materials Science 做reviewer时就碰到过这样的例子。
因为根据SAXS理论,只要体系内存在电子密度不均匀,种种原因如孔洞、粒子、缺陷、材料中的晶粒、晶界、非晶粒子结构等,就会在入射X光束附近的小角度范围内 产生相干散射,通过对小角X射线散射图或散射曲线的计算和分析即可推导出微结构甚至介观级别的形状、 大小、分布, 杂质及含量等信息。同时,由于X射线具有穿透性,SAXS信号是样品表面和内部众多散射体的统计结果。但是, 到现在还没有一个放之四海皆准的模拟理论, 大都是近似估计。因为对复杂缺陷的定量化到现在都是一个世界难题。
所以单一的小角X射线散射结果不能作为定量分析的唯一判据, 因为散射结果的可重复性一直是个头痛问题, 而且, X射线作假造假实在是太容易了。必须要有其它分析结果如常TEM, SEM, EDX, Mass Spectrometry等来互相验证。
35分钟写完