小角X射線散射課件

1、小角X射線散射的原理及應(yīng)用材料工程 李青青目錄小角X射線散射的概述小角X射線散射研究對象小角X射線散射方法的優(yōu)點小角X射線散射數(shù)據(jù)處理小角X射線散射的應(yīng)用Small Angle X-ray Scattering一、SAXS的概述1、概念當(dāng)X射線照射到試樣上時，如果試樣內(nèi)部存在納米尺度的電子密度不均勻區(qū)，則會在入射光束周圍的小角度范圍內(nèi)（一般2 5）出現(xiàn)散射X射線，這種現(xiàn)象稱為X射線小角散射或小角X射線散射（Small Angle X-ray Scattering），簡寫為SAXS 。SAXS對于電子密度的不均勻性特別敏感,凡是存在納米尺度的電子密度不均勻區(qū)的物質(zhì)均會產(chǎn)生小角散射現(xiàn)象。2、小角X

2、射線散射發(fā)展史0102031930年，Krishnamutri首先觀察到炭粉、炭黑和各種亞微觀大小微粒的物質(zhì)在入射光束附近出現(xiàn)連續(xù)的散射。1932年，Mark觀察以固態(tài)纖維和膠態(tài)粉末后確認(rèn)了小角度X射線散射現(xiàn)象。1939年，Guinier發(fā)表了計算旋轉(zhuǎn)半徑的公式，即Guinier公式，確立了小角X射線散射理論。0420世紀(jì)60年代和70年代初Ruland和Perret首先把熱漫散射應(yīng)用于高聚物的研究，提出了用熱漫散射表征有序和無序態(tài)的可能性散射現(xiàn)象彈性散射（相干散射）：當(dāng)入射X射線與被照射原子的電子發(fā)生剛性碰撞時，能量不變，只改變傳播方向，而產(chǎn)生與入射線相互干涉的散射。非彈性散射（不相干散射）

3、：當(dāng)入射X射線與被照射原子的電子發(fā)生非剛性碰撞時，X光子本身不但改變傳播方向，還要損失一部分能量傳給電子，而使波長變長，使產(chǎn)生與入射線不相互干涉的散射即為不相干散射。小角X射線散射簡圖小角X射線散射儀基本結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)探測器X射線光源針孔狹縫光學(xué)系統(tǒng)四狹縫光學(xué)系統(tǒng)錐形狹縫光學(xué)系統(tǒng)Kratky光學(xué)系統(tǒng)封閉X射線管旋轉(zhuǎn)陽極X射線管位敏探測器影像板電感耦合探測器小角X射線散射的研究對象X射線衍射（WAXD或XRD)研究對象是固體，而且主要是晶體結(jié)構(gòu)，即原子尺寸上的排列。小角X射線散射（SAXS)，其研究對象遠遠大于原子尺寸的結(jié)構(gòu)，涉及范圍更廣，如微晶堆砌的顆粒，非晶體和液體等。 SAXS研究對象大致可

4、以分為以下兩大類：散射體是明確定義的粒子，如大分子或者分散物質(zhì)的細小顆粒，包括聚合物溶液、生物大分子、催化劑中孔洞等。SAXS可以給出明確定義的幾何參數(shù)，如粒子的尺寸和形狀等。散射體中存在亞微觀尺寸上的非均勻性，如懸浮液、乳液、膠狀溶液、纖維、合金、聚合物等。通過SAXS測定，可以得到微區(qū)尺寸和形狀、非均勻長度、體積分?jǐn)?shù)和比表面積等統(tǒng)計參數(shù)。SAXS的體系分類(a)單散系;(b)稀疏取向系;(c)多分散系;(d)稠密顆粒系;(e)電子密度不均勻顆粒系;(f)任意系;(g)長周期結(jié)構(gòu)塊狀試樣薄膜試樣粉末試樣塊狀試樣太厚，光束無法通過，因此必須減薄粉末試樣應(yīng)研磨成無顆粒感，測試時，需用非常薄的鋁箔

5、（載體）包住，或把粉末均勻攪拌在火棉膠中，制成合適厚度的片狀試樣如薄膜試樣厚度不夠，可以用幾片相同的試樣疊加在一起測試試樣制備要求小角X射線散射方法的特點優(yōu)勢電子顯微鏡方法不能確定顆粒內(nèi)部密閉的微孔,如活性炭中的小孔;而小角X 射線散射能做到這一點制樣簡單研究高聚物流態(tài)過程，例如熔體到晶體的轉(zhuǎn)變過程當(dāng)研究生物體的微結(jié)構(gòu)時，SAXS可以對活體或動態(tài)過程進行的研究研究溶液中的微粒時特別方便某些高分子材料可以給出很強的散射信號，但TEM得不到有效信息小角X射線散射的最新進展它的一個重要應(yīng)用來分析生物大分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化探測器技術(shù)的發(fā)展, 如位敏計數(shù)探測器等的使用, 開辟了異常小角X射線散射(SAX

6、S)研究領(lǐng)域132為了定量研究樣品的長程序結(jié)構(gòu)或參數(shù)的長程規(guī)律,開辟了超小角X射線散射技術(shù).應(yīng)用小角X射線散射研究PAN基碳纖維基體微結(jié)構(gòu)當(dāng)散射角度趨于0時, 散射體的散射強度服從Guinier定律. Guinier近似式給出了小角散射強度與散射角的關(guān)系Porod定律指出, 對于兩相邊界分明的體系, 在長狹縫準(zhǔn)直的條件下, 曲線h3I(h)h2在h大于某一值時, 趨于一直線即符合Porod規(guī)律。當(dāng)兩相界面不明銳, 即界面模糊時, h3I(h)h2曲線值下降, 出現(xiàn)不符合Porod規(guī)律的負(fù)偏離.當(dāng)兩界面間存在畸變及微電子密度起伏, 即熱電子密度起伏時, 體系將產(chǎn)生附加散射.h3I(h)h2曲線下

7、降，出現(xiàn)不符合Porod規(guī)律的正偏離。圖1為短纖維試樣的s3J(s)s2圖.其中s=h/2=2sin,=/2,為散射角,為X射線波長,J(s)為長狹縫準(zhǔn)直條件下的散射強度.短纖維混亂排布試樣(1)經(jīng)過2500碳化處理的PAN基碳纖維的試樣呈現(xiàn)典型的微孔-石墨兩相結(jié)構(gòu),微孔有明銳的界面,石墨基體結(jié)構(gòu)均勻,沒有微密度起伏.束狀纖維固定取向試樣(2)經(jīng)過1340碳化處理的PAN基碳纖維的呈現(xiàn)對Porod規(guī)律的正偏離,表明碳纖維中除存在微孔外,在亂層石墨基體上存在1nm以下小尺寸的微密度不均勻區(qū).參考文獻和資料小角X射線散射-理論、測試、計算及應(yīng)用。朱俞平編著?；瘜W(xué)工業(yè)出版社趙曉雨.小角X射線散射技術(shù)的新進展.重慶文理學(xué)院學(xué)報.2006,10張明，孟繁玲，孟昭富.小角X射線散射研究碳纖維基體微結(jié)構(gòu).自然科學(xué)學(xué)報.1997,06:1-5.孟昭富.