同步辐射应用基础
同步辐射应用基础(第二章同步辐射X射线衍射) 研究生课程讲义
X射线在医学诊断、治疗中的应用非常
伦琴
广泛，特别是X射线诊断技术，已经成
为现代医学不可缺少的工具。
X射线是波长介于紫外线和γ射线 间的 电磁辐射。X射线是一种波长很短的电 磁波，其波长约介于0.01~100埃之间。
第一张X光照片
X射线衍射（一）— 历史
1912年德国物理学家劳埃（ue) 发现 晶体的衍射现象。1914年获得了第二个诺贝 尔物理奖。
2) 增加X射线强度的方法：
①增加管电流；②增加管电压。 增加管电流，可使单位时间内轰击阳极靶的电子数目增 多，从而使Ni增加；增加管电压，可产生频率更高的光 子，即能量更高的光子。 3) X射线的强度表示：通常用管电流的毫安数(mA)间接 表示X射线的强度。 4) 总辐射能量表示：
X射线总辐射能量与X射线的强度和照射时间成正比。 因此，用管电流毫安数与照射时间的乘积表示X射线总 辐射能量。
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射（五）— 实验
1. 峰位 定性相分析，确定晶系，指标化， 计算晶胞参数等
2 . 峰强 计算物相含量，计算结晶度 3 . 峰形 估计结晶度高低，计算晶粒尺寸 (谢乐公式)
X射线衍射（五）— 实验
X射线衍射分析可给出材料中物相的结构及元素的 状态信息, 根据实验得到的d-I/I0一套数据，与已知 的标准卡片数据对比，来确定相应的未知物相。 XRD物相定性分析
2.为后人在不同领域的研究打下了理论基础
X射线衍射（二）— 原理
常规X射线的产生
产生X射线的方法有多种，常用的产生X射线的 方法是：用高速运动的电子束轰击一障碍物—— 阳极靶。受到靶的阻碍作用，电子的动能转变为 X射线光子的能量。
产生X射线的两个基本条件是: 1)有高速运动的电子流； 2)有适当的障碍物—靶来阻止电子的运动。
同步辐射技术在生命科学中的应用研究
同步辐射技术在生命科学中的应用研究同步辐射技术（Synchrotron Radiation）是一种高度强化的x射线照射技术，可以发出高能量、高亮度和高空间解析度的x射线，有很广泛的应用。
近年来，同步辐射技术在生命科学领域中的应用研究得到了广泛关注，其在生命科学、医学领域中有很多重要的应用。
同步辐射技术在生命科学领域中的应用可以从以下三个方面进行阐述：一、结晶学同步辐射技术在结晶学中有很重要的作用。
通过同步辐射技术，可以获取到结晶原子之间的距离信息，从而确定蛋白质的三维结构。
这个技术已经成为了分子生物学的基础技术之一。
同时，同步辐射技术也可以应用于大分子复合物的结晶，比如在各种生命过程中参与的复合物，它不但可以帮助解析大分子复合物的结构，还可以为药物发现、生物工程项目和抗体设计等提供指导。
二、成像技术同步辐射技术可以应用于生物成像技术的开发，这个技术可以帮助人们探索生物体内的各种细胞和分子的三维图像。
例如，同步辐射技术可以用于生物切片成像，这个方法可以把一些非常薄的样本切片成100微米，然后将这些切片照射成x射线，再通过计算机重组成三维图像。
这个方法可以做到细胞和细胞器级别的分辨率。
同步辐射成像技术在生物医学中的应用也很广泛，可以应用于机体脏器、组织器官和分子成像，是疾病检测和治疗的重要工具。
三、生物大分子结构测定同步辐射技术将成为研究生物大分子结构的关键工具，如蛋白质、核酸和生物大分子的组装体。
同步辐射成像技术在这个领域的应用，包括斑点扫描技术, 衍射模式, 非晶态成像模式等，它们都可以提供更高分辨率的结构信息，特别是对蛋白质和核酸等生物分子的直接图像化研究。
同步辐射技术在生命科学中的应用和研究，在为生物学家提供更深入的了解，以及为分子医学和疾病诊断的开发提供支持方面都有着重要的作用。
随着同步辐射技术的不断进步和应用，相信将有越来越多的新成果涌现出来，从而推动生命科学、医学的发展。
同步辐射纳米成像技术的发展与应用
同步辐射纳米成像技术的发展与应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!同步辐射纳米成像技术的发展与应用导言随着纳米科技的快速发展，对于材料、生物和医学领域微观结构的研究需求日益增长。
同步辐射及其应用(讲义)
同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。
尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。
近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。
同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。
据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。
我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。
1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。
其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。
这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。
现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。
1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。
这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。
同步辐射技术在生物学中的应用
同步辐射技术在生物学中的应用同步辐射技术(Synchrotron Radiation, SR)是一种高亮度、强偏振、连续谱和低时间展宽的光源，由于其在物理、材料科学和化学等领域的应用，被广泛认识和使用。
除此之外，SR技术在生物学中也有着广泛的应用，从微观到宏观，从结构到功能，都可以为生命科学研究提供重要的信息。
一、 X-射线结晶结构学晶体学是研究晶体内部结构的学科，而X-射线衍射技术是现代晶体学的核心技术之一，该技术能够解析分子内部结构，探究分子间相互作用，对于研究生命体系的结构和功能至关重要。
同步辐射技术能够提供更强的X-射线衍射光束，使得晶体衍射数据的精度更高，同时也缩短了数据收集时间和样品需求量，这对于高通量结晶筛选和结构解析等方面都具有很大的帮助。
二、倍频特征光谱学倍频特征光谱学(Two-Photon Excitation Fluorescence, TPEF)是利用倍频特性产生的激发光在生物样品中激发荧光分子，通过检测激发荧光来进行样品成像。
同步辐射技术提供了高亮度和高偏振的光束，使得TPEF成像的信噪比更高，分辨率更高，并且使得荧光标记材料的选择更加广泛。
三、 X-射线荧光光谱学X-射线荧光光谱学(X-ray Fluorescence, XRF)是利用X-射线在样品中产生的荧光来分析样品成分和组成的一种分析技术。
同步辐射技术提供了高能量、高亮度、高偏振和高纵向空间聚焦的X-射线光源，可以实现高分辨率、高灵敏度和元素选择性较高的XRF 方法。
该技术在生物地质化学、环境生态、生物医学等领域中具有较为广泛的应用。
四、 X-射线吸收光谱学X-射线吸收光谱学(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS)是一种研究原子和分子内部结构、化学状态和相互作用的评价方法，是确定生命科学系统中特异性金属离子结合位置和键合情况的关键技术之一。
同步辐射技术的狭缝束和线探测器使得XAS信号的采集速度更快、精度更高，同时也能够探测到更低浓度的元素。
薄膜多层膜的反射
综合上面的两个公式的结果即是 Fresnel 方程式：
a a a a 2 2 2i a (a 2 a 2 ) 2i c r a a a a 2 2 2i a (a 2 a c2 ) 2i 2a 2a t 2a a a a a 2 2 2i a (a 2 a 2 ) 2i c
2 1 1 x ~1 x 2
2 gs 2 2 ( s s ) i
1 e 2 na 2 0 0 1 f ( ) if 2 ( ) 2 2 1 2 0 m 4 c
2 na re 2 0 e 0 1 f ( ) if ） 1 2 ( ) （re 2 2 4 0 mc
re 2 re 2 2 re [1 f ( ) / Z ] 2 2 k2 2 n r 2 na re a e f ( ) f ( ) 2 2 k
2015/12/30 同步辐射应用基础 7
2!
) 1
a c 2
根据典型的数值， 大约在几个毫弧度左右。
2015/12/30 同步辐射应用基础 10
2． 在X射线区域的 Snell 公式及 Fresnel 方程
在界面交界处（ z=0）利用边界的连续性条件，包括波函 数
ae
ikr
以及它们导数的连续性条件，可得到X射线区
0.11382 atoms / A
Zna 0.68292 electrons / A3
na re 2 6 [ Z f ( )] 3.0609 10 2 2 n r a e f ( ) 1.8258 109 2
光电子学在同步辐射中的应用
光电子学在同步辐射中的应用同步辐射是一种强大的工具，在科学研究和工业生产中得到了广泛的应用。
这种辐射形式可以利用电子加速器或储存环产生。
这种辐射发射出的光束具有很高的亮度和较窄的谱线宽度，因此它能够提供高质量的X射线、紫外线和红外线，这些优秀的性能使得同步辐射在多个领域发挥着重要的作用。
同时，光电子学在同步辐射实验中也是至关重要的，这篇文章将重点探讨光电子学在同步辐射实验中的应用。
一、同步辐射实验中的光电子学基础同步辐射实验主要利用光电效应，探测和分析材料中的表面和界面状态以及电荷传输过程。
光电子学是一种研究光与物质相互作用的科学。
光电效应是光与物质相互作用的基本过程之一，它是将光能转化为电能的过程。
光子被物质吸收后，将能量转移给其束缚电子，使得其束缚能减小。
当其束缚能小于光子能量时，产生电子转移出物质，成为自由电子，这就是光电效应。
光电反应一般都是非弹性过程，即光子能量被传递给物质中的电子。
利用光电子学，可以得到关于物质能带、电建、表面态、界面态、电荷分布等方面的信息。
二、光电子学在同步辐射实验中的应用1. 电子能谱学同步辐射实验中，利用电子能谱仪可以得到材料的全息图，通过仔细分析样品表面和界面的电子能谱，可以探测材料的能带结构和电子状态密度。
由于同步辐射谱线宽度很窄，分辨率非常高，因此电子能谱学在同步辐射实验中应用广泛，包括硬X射线光电子能谱（HAXPES），软X射线光电子能谱（SXPES），以及角度分辨能谱学等。
2. 能量分散X射线光电子显微镜能量分散X射线光电子显微镜是一种高分辨率的表面分析工具，其测试精度可以达到纳米级别。
这种显微镜通过扫描电子束和紫外线激励，观测样品表面的光电发射情况，并通过分析发射电子的能量和角度来确定发射源，从而确定样本表面的化学成分。
同时，能量分散X射线光电子显微镜还可用来表征材料的电荷分布和原子运动学，因此在材料科学中有着广泛的应用。
3. 能量分辨和动态光电子研究随着同步辐射实验技术的不断发展，能量分辨和动态光电子研究已经成为研究材料中元激发态行为的重要工具。
同步辐射技术及其应用ppt课件
纳米材料 复合材料 磁性材料 超导材料 ••• 材料
集成电路
MEMS NEMS
催化剂
无损检测 疲劳分析
材凝 料聚 科态 学物
理
超微光刻
微纳加工
同 步 辐 射 应 用
39
能源
资源 矿产 环境
能
石油
源
煤炭
高
太阳能
效
利
用
地质成因、勘探
稀土金属利用
燃烧反应 光化学反应 电化学反应
地球科学
环境污染监测分析 与治理
2004．12 2006．9 2007．7 2008．3 2008．4 2008．8 2008．12 2009.1-2009.4 2009．4
53
54
谢谢！
55
利用多种组合方法进行研究是新一代光源上一个明显的趋势
43
分子环境科学
在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物 的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。
目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和 放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。
44
地球科学应用
地球科学的根本目的是了解地球演变的过程， 预测未来的发展，了解金属、矿石、化石燃料 在地壳中的聚集情况，这些都是与人类的生存 环境和资源密切相关的。
生
命
健 康
生命科学 生物技术
医药学 医药技术
分子生物学 细胞生物学 神经生物学 病毒学、免疫学 毒理学•••
药物设计 病理、药理 医学诊断与 治疗
结
生物大分
构
子结构
生
物
细胞、组
学
织结构
生物医学成像 射线治疗
同 步 辐 射 应 用
同步辐射应用基础
•
1 n2
nlm (r,,) Rnl (r)Y(,) Rnl (r)( )()
主量子数
n 1,2,3,,
角量子数 l 0,1,2,3., n 1
磁量子数
m 0,1,2,,l
•能级En是简并的， 其简并度
n1 (2l 1) 1 2(n 1) 1n n2
l 0
2
定态微扰论
▪ 如果体系的哈密顿算符不显含时间
i
k•
Rn
k
r
平移晶格矢量，波函数仅增加一个位相因子
3、倒格子和波矢
1)倒格子
布拉维格子中的所有格矢都可表示为
Rn
n1 a1 n2
a(n2 1n,n3 a2,3n3为整数)
ai
为晶格原胞的基矢。
我们定义满足
ex
p
i
Gh
•
Rn
1
Gh • Rn 2m
全部 G端h 点的集合，构成该布拉维格子（正 格子）的倒格子，Gh称为倒格矢
mk
▪ 在t=0到t=t的一段时间内，由k态到m态的跃迁几 率
wmk (t)
cm(1) (t) 2
Amk 2 4 2
sin 2 (mk )t / 2 (mk ) / 2 2
▪ 当t充分大时，利用数学公式
sin 2 x
x2
( x)
( )
▪ 单位时间的跃迁几率
Wmk
dwmk dt
r
k
E
u
r
k k
边界条件为
u
k
r
Rn
u
k
r
对应于每一个k，应有无穷个分立的本征值。
此时电子状态应有两个量子数n和k表示，相应 的能量和波函数应写为
同步辐射应用基础(第八章同步辐射X射线荧光分析) 研究生课程讲义
能量色散型 Energy
Dispersive Spectrometer
（二）仪器构造与原理
（二）仪器构造与原理
两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。
同步辐射X射线！
（二）仪器构造与原理
分光系统
分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的 X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射线以θ角射到晶体，如 果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波 长为λ/2，λ/3等高级衍射。改变θ角，可以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长 的X射线可以分开。
（一）基础理论与知识
2)缺点：
① 由于X射线荧光光谱分析是一种相对的比较分 析，定量分析需要标样对比，而且标样的组分与被测 样的组分要差不多。
② 原子序数低的元素，其检出限及测定误差一般 都比原子序数高的元素差；对于超轻元素(H、Li 、Be)， 目前还不能直接进行分析。
③ 检测限不够低，>1 µg.g-1 ④ 仪器相对成本高，普及率低。
（三）样品制备与分析
3.2 定性与定量分析
（三）样品制备与分析
岩石样品
Ba 250μm 成图
Ba 1mm 成图
（四）线站介绍与实例分析
北京同步辐射光源：X射线荧光微分析实验站-4W1B
（四）线站介绍与实例分析
上海光源：硬 X 射线微聚焦及应用光束线站-BL15U
（四）线站介绍与实例分析
纳米污染
（一）基础理论与知识
⑦ 制样简单，试样形式多样化，块状、粉末、糊状、液体 都可以，气体密封在容器内也可分析。
⑧ X射线荧光分析也能表面分析，测定部位是0.1mm深以上 的表面层，可以用于表面层状态、镀层、薄膜成分或膜厚的 测定。能有效地用于测定膜的厚度(10层)和组成（几十种元 素）。
同步辐射技术简介及其应用
7
应用
生物科学应用： 生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发展最快、重大成果最多的领域 蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是生物技术与生物产业的源泉
凝聚态物理与材料科学： 凝聚态物理与材料科学是同步辐射应用最为广泛的领域,几乎所有的同步辐射技术方法都得到了广泛应用 X射线衍射：单晶衍射、粉末衍射、表面衍射 X射线散射：漫散射、磁散射、非弹性散射、小角散射、反射率、驻波法 SR吸收谱： XAFS、荧光谱学、MCD、光电子能谱 成像技术：X射线显微、软x射线显微、光电子显微、X射线全息(荧光全息、吸收全息)、X射线 相干衍射
10
谢谢欣赏
同步辐射光作为一种新型的强光源，具有高 亮度、高强度和宽频谱等特性，它不仅在物理、 化学、生物学等基础研究领域，而且在医学、环 境和工业等应用领域也有广泛应用。
3
特点
空间发散角： 常规X射线：半球面发射 同步辐射：圆锥发射
4
特点
时间结构： 同步辐射具有一定的时间结构。由于电子速度接近光速，两个 辐射脉冲间隔实际是非常近的。 常规X射线为连续发射，同步辐射为脉冲发射。
分子环境科学： 在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。 目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。
9
应用
同步辐射的产业应用： 同步辐射具有重要应用前景的产业领域：
生物技术与制药 化工：催化剂研究 半导体工业：超微光刻工艺与检测技术 MEMS/NEMS：微纳加工
8
应用
地球科学应用： 地球科学的根本目的是了解地球演变的过程，预测未来的发展，了解金属、矿石、化石燃料在地壳中的聚集 情况，这些都是与人类的生存环境和资源密切相关的。 利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端高温、高压条件 下物质结构、状态变化，弄清地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了解矿物的物理特性与原子尺度结构的 关系等。
同步辐射原理与应用简介
第十五章 同步辐射原理与应用简介§周映雪 张新夷目 录1. 前言2．同步辐射原理2.1 同步辐射基本原理2.2 同步辐射装置：电子储存环2.3 同步辐射装置：光束线、实验站2.4 第四代同步辐射光源2.4.1自由电子激光（FEL）2.4.2能量回收直线加速器（ERL）同步光源3. 同步辐射应用研究3.1 概述3.2 真空紫外（VUV）光谱3.3 X射线吸收精细结构（XAFS）3.4 在生命科学中的应用3.5 同步辐射的工业应用3.6 第四代同步辐射光源的应用4．结束语参考文献§《发光学与发光材料》（主编：徐叙瑢、苏勉曾）中的第15章：”同步辐射原理与应用简介”，作者：周映雪、张新夷，出版社：化学工业出版社 材料科学与工程出版中心；出版日期：2004年10月。
1. 前言同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好、有时间结构等一系列优异特性，已成为自X光和激光诞生以来的又一种对科学技术发展和人类社会进步带来革命性影响的重要光源，它的应用可追溯到上世纪六十年代。
1947年，美国通用电器公司的一个研究小组在70MeV的同步加速器上做实验时，在环形加速管的管壁，首次迎着电流方向，用一片镜子观测到在电子束轨道面上的亮点，而且发现，随加速管中电子能量的变化，该亮点的发光颜色也不同。
后来知道这就是高能电子以接近光速在作弯曲轨道运动时，在电子运动轨道的切线方向产生的一种电磁辐射。
图1是当时看到亮点的电子同步加速器的照片，图中的箭头指出亮点所在位置。
那时，科学家还没有意识到这种同步辐射其实是一种性能无比优越的光源，高能物理学家抱怨，因为存在电磁辐射，同步加速器中电子能量的增加受到了限制。
大约过了二十年的漫长时间，科学家（非高能物理学家）才真正认识到它的用处，但当时还只是少数科学家利用同步辐射光子能量在很大范围内可调，且亮度极高等特性，对固体材料的表面开展光电子能谱的研究。
随着同步辐射光源和实验技术的不断发展，越来越多的科学家加入到同步辐射应用研究的行列中来，同步辐射的优异特性得到了充分的展示，尤其是在红外、真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光、激光、红外光源等常规光源不能开展的研究工作，有了同步辐射光源后才得以实现。
同步辐射技术应用及发展
同步辐射技术应用及发展摘要：同步辐射是圆周运动和蛇行运动时高速电子发射的亮的电磁波，分别有连续和准单色的光谱。
真空紫外软X射线、硬X射线和红外线波段是优秀的光，被应用在基础科学、工程学、生物学、医学和环境科学。
本文叙述了同步辐射的特点、发生的方法及其应用实例，通过介绍其在生命科学、生物医学、高分子结构分析等领域的应用研究，说明同步辐射广泛的应用。
关键词：同步辐射，生命科学、生物医学、高分子结构分析1 绪论1947年，美国纽约州通用电气公司实验室的电子同步加速器首次在可见光范围内观察到了强烈的辐射，从此这种辐射被称为“同步辐射。
同步辐射是强度高、覆盖频谱范围广、可以任意选择所需波长，而且连续可调，是继激光光源之后的又一种新型光源。
同步辐射发现9年后，美国康奈尔大学用真空紫外波段同步辐射对稀有气体的吸收进行了系统研究，并取得了重要成果，从而使人们认识到同步辐射可作为真空紫外波段和X射线光源。
直到1974年，美国斯坦福直线加速器中心的研究小组在SPEAR对撞机上用同步辐射开展物理、化学、生物学方面的研究，使同步辐射的应用得到了迅猛的发展。
1.1 同步辐射的发现1947年4月16日，在美国纽约州通用电气公司的实验室中正在调试一台新设计的能量为70MeV的电子同步加速器，这台加速器与其他类型的电子加速器的一个重要不同点是它的真空室是透光的，原想这样可方便地观察到真空室里的装置(如电极位置)情况，但竟导致了一个重大发现。
就在这一天的调试中一位技工偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”。
经仔细分析，说明不是气体放电，而是加速运动的电子所产生的辐射，被称为同步辐射。
试验指出，这种辐射光的颜色随电子能量的变化而变化。
当电子能量降到40MeV时，光的颜色变为黄色;降到30MeV时，变为红色，且光强变弱;降到20MeV时，就看不到光了。
同步辐射的发现在当时科学界引起了轰动，不少科学家着手研究这种辐射的性质。
同步辐射应用基础(第三章原位X射线衍射) 研究生课程讲义
SnO2
高压原位X射线衍射
高温原位X射线衍射
Yang Li et. Al., J. Mater. Chem., 2011, 21, 6944
原位X射线衍射
The authors thank beamline BL14B1 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility) for providing the beam time.
高温原位X射线衍射
高温样品的检测 （1）样品装入高温室后，要通过保护气氛进行保护（如空气、 氮气或氩气）； （2）把铅玻璃挡在高温室前面，以防X射线伤人； （3）参数设置：
对温度参数进行编辑，设置扫描角度8°/min、电压35kV、 电流300mV、温度参数根据需要设定。
高温原位X射线衍射
Yang Li et. Al., J. Mater. Chem., 2011, 21, 6944
原位X射线衍射
原位(in situ)X射线衍射 分类：高温、高压、充放电、应力 …
高温原位Байду номын сангаас射线衍射
本次课主要有两个目的： （1）了解和掌握高温X射线衍射的原理和实验方法 （2）利用高温X射线衍射研究材料不同温度下的相 变、热膨胀系数等
高温原位X射线衍射
原理图
X射 线发 生器 部分
调压器 高压变压器
原位X射线衍射
原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
同步辐射光源与高压技术的结合
高压原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
高压原位X射线衍射
压力可以改变物质的原子间 距, 在高压下随着物质原子间距 的逐步变小，将使物质的结构 与性质发生重大变化乃至突变。 这种变化正在改变着传统物理 学和化学对物质的认识.
同步辐射及应用
同步辐射及应用同步辐射是什么？同步辐射是一种性能优异的光源，是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。
形象的说，同步辐射的轨迹就如同转动湿漉的雨伞时沿着伞的切线方向飞出的水滴。
由于它最初是在同步加速器上观察到的，所以被称为“同步辐射”。
图1. 同步辐射装置示意图自1965年发现同步辐射以来，经历三代的发展，目前已开始建造第四代同步辐射光源。
同步辐射的亮度也从107增加到1024，大约相当于太阳光亮度的100亿倍和医用X光机的1000亿倍。
如果把光比作一把尺子，那么波长就是尺子上的刻度。
波长连续可调的同步辐射就像一把可以连续调节长度的软尺，包含了从红外线、可见光、紫外线、到X射线等一系列不同波长的光。
同步辐射的另一个特点是准直性好，也就是说方向性好，能把高亮度的光集中在一个很小的区域内沿着某个特定的方向发射出去，类似激光。
不同的同步辐射光源其光的特性也有不同。
以合肥的国家同步辐射实验室（NSRL）为例，它是我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源，由一台能量200 MeV的电子直线加速器作注入器，加速电子至接近光速后注入一台能量为800 MeV的电子储存环中，在一个均匀磁场的作用下，电子在一个环形中运行，在环的不同位置的切线方向上引出十四条光束线，产生的同步辐射光最强区域在真空紫外和软X射线波段；而日本SPRing8光源的储存环能量是8 GeV（居世界第一），其能量是合肥同步辐射光源的十倍，最强波段则在硬X射线波段。
同步辐射能做什么？同步辐射是多学科交叉的研究平台。
当我们想研究特定样品体系时，依照微观尺寸范围选取不同波长的光，而同步辐射宽光谱特性可以保证我们方便地选取和利用不同波长的光。
例如：研究分子团簇的类别时，使用红外光；研究分子间结构时，使用真空紫外光；对原子内部结构进行解析时，则需要X射线。
与可见光一样，同步辐射也具有透射、散射、吸收、衍射等光学特性，使用这些特性对物体进行测试，可以获得原子、电子和分子等信息。
同步辐射xafs
同步辐射xafs同步辐射 xafs 是一种利用核同位素作为中子源，以高能质子轰击重元素原子核，从而引起的各类放射现象。
由于它可直接探测到铀和钍等重元素的天然丰度及其自发裂变产额，因此可应用来进行地球物理勘查和开展实验研究。
同步辐射在石油勘探和环境科学领域也具有广泛的应用前景。
这里有一个物理过程，即铀-235核在裂变时发出大量中子，并使之与一些带正电荷的轻元素（如锶、钡）相碰撞，形成次级中子，最后被一个γ射线探测器所检测。
带负电的钠离子则结合中子后，使铀、镎等金属的电子轨道和能量升高，这就把中子变换为热能，再通过转换效应将热能释放给受激发的带电粒子，导致其运动速度突然增加而辐射出 X 射线；受激发的带电粒子又反冲回去打击另外一个中子，形成下一轮更快的重复辐射过程。
整个过程以连续、不间断的方式周期性地进行着，并且在很短的时间内重复多次。
因此人们看到了大气层上空弥漫着各种奇异的光谱。
同步辐射分析的基础，就是利用这种放射性衰变，寻找重元素的自发放射系。
放射性核素有三种衰变方式：衰变、蜕变和裂变。
在低能下，核裂变主要涉及的是裂变碎片（裂变产额的90%以上是 U3o8）。
而在中等能量下，多数情况下只发生裂变碎片。
对于这样一种核素，除了蜕变和部分裂变以外，有没有其他可能呢？一些先驱者早已做过尝试。
但是，至今仍未取得成功。
根据已经取得的一些实验资料表明，重元素在放射性衰变链中，可能还存在一条中间衰变链，它与α衰变相比，虽然放出的射线少，能量弱，但半衰期却较长，约达40年左右。
因此人们怀疑，这可能就是铀核的全部衰变链。
对于这样一种放射性衰变链，利用同步辐射 xafs，不仅在理论上可以证实，而且实际应用的前景也是非常乐观的。
目前，美国的一个大型实验室，用大型的同步加速器所收集的同步辐射线束，制造出了包含1亿个原子在内的核乳胶，并对它们进行了初步的分析。
这是近代核技术上的一项巨大突破。
此外，美国还曾用极敏感的中子束，照射一块锆-6合金薄板，并发现在该处微量的锆-60裂变放出一股射线，后来又在加拿大发现一股超铀元素的射线，这说明可能还存在一条铀同位素链。
同步辐射应用基础(第七章XAFS 数据处理之) 研究生课程讲义
Athena软件功能简介
XAFS数据处理
1. 扣除边前本底及归一化 2. 确定E0及E‐k转换 3. 扣除原子吸收本底background 4. Fourier 变换 5. 反Fourier 变换
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 - 1.扣除边前本底及归一化
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 - 1.扣除边前本底及归一化
Athena软件功能简介 文件的打开和保存
Athena软件功能简介 文件的打开和保存
Athena软件功能简介 数据预处理 - 去除glitch和截断
数据预处理 - Deglitch
Athena软件功能简介
①选择plot方式 ②点击Choose a point ③ 在图形窗 口 上选 择需要去除的点(可 以放大显示） ④ 点击 Remove point
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 - 3.扣除原子吸收本底Background
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 -4.Fourier变换
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 -4.Fourier变换
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 -4.Fourier变换
XAFS数据处理的基本流程
充分理解 E空间、k空间、R空间三者之间的联系和转换关系是 掌握 XAFS 数据处理的关键
XAFS数据处理的一般步骤
在E空间中进行
XAFS数据处理的一般步骤
XAFS数据处理的基本流程
XAFS数据处理的一般步骤
Athena软件功能简介
Athena 软件简介 下载安装及界面介绍 Athena主要功能
Athena软件功能简介 XAFS数据处理 - 2.确定E0及E-k转换
同步辐射技术在材料科学中的应用
同步辐射技术在材料科学中的应用同步辐射技术是当代材料科学研究中的重要工具。
它能够为研究人员提供高强度、高亮度、宽能量范围的电磁辐射源，以实时、原位地观测材料的结构、动力学和电子行为。
通过同步辐射技术，科学家们能够深入了解材料的微观结构和性质，从而为新材料的开发和应用提供指导。
同步辐射技术的核心是同步辐射光源，它能够产生高强度的X射线、紫外线、红外线等电磁波，并具有较小的点聚焦尺寸和较窄的能量宽度。
这些特点使得同步辐射光源成为对材料进行非破坏性测试和原位观测的理想工具。
与传统的实验方法相比，同步辐射技术能够提供更为精细和全面的结构及性质描述，为研究材料的构成、相变、界面和表面等方面提供了有力的支持。
在材料科学研究中，同步辐射技术广泛应用于不同类型的材料体系。
下面，我们将分别讨论其在金属、聚合物和纳米材料中的应用。
首先，对于金属材料而言，同步辐射技术能够提供高时间分辨率和高空间分辨率的结构表征。
通过同步辐射X射线衍射技术，可以实时观察到金属材料在不同温度、压力等条件下的晶体结构的变化。
此外，通过同步辐射X射线吸收光谱技术，可以研究金属材料中的电子结构和化学键性质，进而揭示物理和化学反应的机制。
这些研究对于金属材料在能源、储能和制造等领域的应用具有重要意义。
其次，聚合物材料是现代社会中广泛应用的基础材料之一。
通过同步辐射技术，可以对聚合物材料的微观结构和动态行为进行详细研究。
例如，同步辐射中子散射技术可以提供聚合物材料的内部结构信息，揭示聚合物链的排列方式、相分离行为等。
同时，同步辐射红外光谱技术能够研究聚合物材料的分子结构、键的振动及其和材料性质之间的关系。
这些研究为聚合物材料的优化设计和性能改进提供了有力的支撑。
最后，纳米材料作为一种重要的材料体系，具有独特的物理、化学和光学性质，被广泛应用于能源、电子、生物医药等领域。
同步辐射技术为研究纳米材料提供了独特的优势。
通过同步辐射X射线衍射技术，可以实时观察纳米材料的晶体结构、表面改性和缺陷行为。
2_X射线波段的辐射和散射
方程左边利用高斯定律，就得到坡印亭定律 的积分形式：
2 2 µ0 H ε 0 E ∂ ( E × H ) ⋅ dA = − ∫∫∫ + dV ∫∫ 2 2 ∂ t Surface Vol . S Stored energy density
2 0 − iω ⇒ ∂ ∂t
− i (ω t − k ⋅r )
d ω dk 3 2π (2π ) dω 2π
e
∞
−∞
(−iω )vT (ω )e e
− iω ( t − r / c )
∂ →= vT (t − r / c) 2 4πε 0 c r ∂t eaT (t − r / c) = 2 4πε 0 c r
2
16π 2ε 0 c 3
∫ ∫
0
2π
π
0
(1 − cos 2 Θ)(−d cos Θ)dφ
2 2 e a 8π = 2 3 c π ε 3 16 0
2011年11月22日 同步辐射应用基础 21
4. 自由电子的散射
在入射场的作用下，自由电子将根据牛顿第二定律， 做振荡运动，电子所受为洛伦兹力：
重新整理各项，可以得到
∂2 E ∂J 1 2 − ∇ρ ε 0 µ0 2 − ∇ E = − µ0 ∂t ∂t ε 0
2011年11月22日
(c ≡
1
ε 0 µ0
)
3
再经适当组合，就是矢量的波动方程 同步辐射应用基础
∂2 1 2 −1 ∂J (r , t ) 2 + c ∇ρ ( r , t ) 2 − 2 ∇ E (r , t ) = c ε 0 ∂t ∂t
同步辐射
同步辐射的发现及形成
超新星爆发的遗迹 - 蟹状星云就是一种自 然界的同步辐射源. 其实早在1054年,中国科学家就观察到了超 新星爆发,中国古代天文学家称呼它为“客星” 这颗星出现在在金牛座的南角上, 出现后的一个 月之内一直相当明亮。在这段期间，耀眼的光 辉约有太阳的40亿倍，它的遗迹在往后的一年 多都还能够看的见，中国天文学家描述这颗星 在四方都有尖尖的光辉而且还带着微红白的颜 色。
同步辐射在近代生物学的应用
• 例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤
同步辐射在近代生物学的应用
• 生物学家依托同步辐射光，能获得生物大分 子的三维结构，进而研究其结构与功能之间 的关系。
同步辐射在医学的应用
可用于肿瘤的诊断和治疗，如测定血液 内一些元素的含量、血管造影、诊断人体内 各种肿瘤和进行微型手术以除去人体特殊部 位的一些异常分子等
同步辐射的特点
• 高准直：同步辐射的发射度极小,准直性可以 与激光相媲美。 • 脉冲性：电子在环行轨道中的分布不是连续的， 是一团一团的电子束作回旋运动，也即，同步 辐射是脉冲光源，脉冲的宽度为100皮秒量级， 脉冲间隔为微秒或亚微米量级。同步辐射具有 时间结构。 • 偏振性：同步辐射具有线偏振和圆偏振性，可 用 来研究样品中特定参数的取向问题。
同步辐射的特点
• 高亮度：同步辐射的亮度比最强的X光管特 征线亮度强万倍以上。用X光机拍摄一幅晶 体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间， 而利用同步辐射光源只需要几秒。 • 宽波谱：覆盖了红外、可见、紫外和X光波 段,是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又 能得到高亮度的光源。利用单色器可以随 意选择所需要的波长,进行单色光的实验。
合肥NSLS：第二代
美国NSLS：第二代射光的亮度 大大提高，并且从波荡器等插入件可引出 高亮度、部分相干的准单色光凭借优良的 光品质和不可替代的作用，第三代同步辐 射光源已成为当今众多学科基础研究和高 技术开发应用研究的最佳光源。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
定态薛定谔方程
▪ 作用在微观粒子上的力场不随时间改变
i t 222V r
▪ 分离变量
Байду номын сангаас,t rf (t)
▪ 求解方程
ihf(t) Ef(t) t
2 2 2 r V r r E r
▪ 方程的解 r,t rexp iEt
▪ 粒子的几率分布与时间无关
r 2 r ex p iE 2 t r 2
光吸收、反射、散射、衍射，光发射，光电发射， 光离化
▪ 同步辐射实验方法 同步辐射--- 物质---出射（二次）粒子 电子-光电子谱 ；光子-光谱；离子-光离化谱 光谱：光（X射线）吸收、光（X射线）荧光、 光（X射线）衍射、光（X射线）散射
▪ 同步辐射应用领域 凝聚态物理、材料科学、原子分子物理、生
同步辐射应用基础
同步辐射光电发射和 光电子能谱概论
▪ 引言
▪ 量子力学的基本概念 ▪ 固体能带论基础知识 ▪ 光电发射的物理过程 ▪ 光电子能谱基础
▪ 同步辐射光电子能谱技术及其应用
引言
▪ 同步辐射 红外-可见-紫外-真空紫外-软X射线-硬X射线-射线 ▪ 同步辐射应用装置
同步辐射光源-----光束线-----实验站 ▪ 同步辐射与物质的相互作用
的诞生奠定了基础。
微观粒子的波粒二象性
▪ 经典粒子
H (r,p ,t)E k(r,p ,t) V (r,p ,t)
▪ 经典波
Aex 2 pi r • nt Aex i p k• rt
▪ 德布罗意关系式
E h
p
h
n
k
▪ 德布罗意波长
h h p 2E
H'f 2
H1' f
H2' f
0
H'ff E'
(j 1 ,2 , ,f)
解此久期方程，我们可以得到f个根E’， 即f个能量的一级修正。一级微扰可以将f度 简并完全或部分消除
含时微扰与量子跃迁
▪ 体系原来处于不显含时间t的 H 的0 本征态上,它的包含 时间因子的本征函数系为
n r,tn rexp i(nt)
命科学、信息科学、环境科学、光化学、催化、 医学、农学、微电子、微机械
量子力学的产生
▪
十九世纪末和二十世纪初，物理学的发
展进入了研究微观现象的新阶段，这时许多物
理现象无法用经典理论给以解释。主要有两类，
一类是光（电磁波）的量子属性问题，另一类
是原子结构问题。普朗克和爱因斯坦的光量子
假说，玻尔的原子量子化轨道模型为量子力学
•一个原来处于定态k的体系，在随时间变化的 外场作用下，将有可能跃迁到另一个定态n中
•从t=0到t=t这一段时间内，体系由k态到n态 （即由能级k到n）的跃迁几率为
wkn(t)cn(t)2
•求跃迁几率就必须解含时间的薛定谔方程
U dm d m c n(t)t im 1 Un nc dn (t)U m e nmx ni p m 1t()n (mn)
H E
氢原子能级和波函数
▪ 氢原子是量子力学中少数几个可以精确求解的体系， 我们常常以氢原子的解为基础来处理其它原子和分 子的结构
22 24Z e20rE
2 r 2 2 r r 2 r s 1 i n si n s1 2 i n 2 U r E
▪ 它所满足的薛定谔方程为
in t
H0 n
•从某一时刻（t=0）起，体系受到某种外场的 作用,而表征该外场的力函数显含时间t
i tr,tH (t) r,tH 0U (t) r,t
•将 r在, t
的H含0 时间的完备基中展开
r ,t nc n ( t) n r ,t nc n ( t)n r ex ip n t)(
•体系受微扰后
E E 0 E ' E ''
0 ' ''
•非简并微扰
E0 k
0 k
E'H'k k kH'kd
'
n
'
Hn' k
k n
n
•简并微扰
f
0
c(0) i ki
i1
f
ci(0)(H'ji E'ji)0
i1
H1' 1E' H2' 1
H'f 1
H1' 2 H2' 2 E'
•能级En是简并的， 其简并度
n 1(2 l 1 )12 (n 1 ) 1 nn2
l 0
2
定态微扰论
▪ 如果体系的哈密顿算符不显含时间
H(H0H')E
▪
H
0
的本征方程可以精确求解
H0n nn
▪ H ' 相对很小，因此可以把它看成微扰。无微扰
时体系处于定态k、k，那么，E和k差不多， 和k也十分接近。
h 15A012.25A
2eV V
V
波函数
▪ 自由粒子波函数
Ae
p
xpiEt r• p
它描写的是动量为
p
，能量为E的自由粒子的运动状
态。
▪ 波函数的统计解释：它描述的是处于相同条件下的
大量粒子的一次行为或是一个粒子的多次重复行为
薛定谔方程
▪ 波函数对时间t求一次偏导
i E t
▪ 对坐标求一次和二次偏导
(r,,)R (r)Y (,)
•氢原子能级 氢原子波函数
En
Z2e4 32022
•1 n2
n ( r l ,m ,) R n ( r ) l Y (,) R n ( r ) l () ()
主量子数
n1 ,2 ,3 , ,
角量子数 l 0 ,1 ,2 ,3 . ,n 1
磁量子数
m 0 , 1 , 2 , , l
• 利用微扰论
r,t r,t 0 r,t ' r,t ''
•展开系数的关系式
c m ( t) c m ( 0 )( t) c m ( 1 )( t) c m ( 2 )( t)
cm (0)(0)cm (0)(t) mk
在未受微扰的情况下，体系处于定态k的几 率为1，而处于其它定态的几率为零。
c m (1 )(0 ) c m (2 )(0 ) 0
在t=0时，波函数的各级修正为零。
i p
2 2 p2
▪ 质量为的自由粒子
E
Ek
p2
2
2 2 E 2
i2 2
t 2
▪ 考虑势函数的一般表达式
i t 222V r,t
▪ 态的迭加原理：如果1、2、3n描写的 都是体系可能的状态，那么它们的线性迭加描 写的也是体系可能的状态
c 1 1 c 2 2 c n n c n n