同步辐射应用专题考试.word

同步辐射应用专题简答60分（任选4题）1.组合材料学通过在一块基片上合成大量密集排列的微量材料样品阵列，并快速表征每个微量样品的特性，筛选/优化新材料。

在此工作中同步辐射可以发挥很大的作用，现已发展了哪些手段，并用于哪些材料性质的表征？（高琛，组合化学）答：并行合成：Mix&Split，液滴喷射、阵列燃料、四元方案、成分梯度，GAAG高通量表征：照相术，扫描光谱仪、FTIR光谱成像，阵列微四探针、SEMM（介电、压电、磁电）、X射线分析，μSIMS，合成表征一体化组合材料学的应用：荧光材料、磁电材料、光催化材料，无铅压电。

（或超导、磁阻、发光、铁电、电光、催化、半导体、沸石、金属合金、……）2. 同步辐射紫外单光子电离与传统的电子轰击电离相比有哪些优势？（潘洋，质谱）答：同步辐射单光子电离与传统的电子轰击电离相比，有以下优势：a,它的能量可调，可以避免碎片离子的产生. b,它的能量分辨比电子轰击电离要高，通过扫描光子能量，可以区分同分异构体。

3。

与透射电镜相比，软x射线显微术主要有哪些优势？（蒋诗平，软X射线显微）答：（1）相对于光镜，分辨率更高；相对于电镜，样品较厚且无需脱水和染色等处理。

（2）.可以利用元素对X射线吸收差异进行样品内微区元素分析。

（3）利用元素的共振吸收差异进行XANES或EXAFS成像，在细胞水平上研究蛋白质、核酸等重要生命物质。

4。

何谓VUV光子的量子剪裁？试以Gd-Eu为例图示说明其光跃迁过程？（戚泽明，稀土发光材料）答：高能VUV光子经发光材料转换为两个低能光子的过程就是量子剪裁过程，又称为双光子发射，这样的材料称之为量子剪裁材料。

Gd3+-Eu3+组合体系量子剪裁：第一步，当Gd3+离子被激发到6Gj后，Gd3+的6Gj态就要和Eu3+的7Fj态通过交叉弛豫传递，使Gd3+回到较低的6Pj激发态，同时Eu3+被激发到5D0态并直接返回基态而先发射一个红光光子。

第二步是处于6Pj态的Gd3+把剩余的激发能传递给另一个Eu3+，使Eu3+处于高激发态，随后快速弛豫到5Dj态。

导致Eu3+按一定的分支比产生5Dj（j=1,2,3）→7Fj的跃迁，再发出一个红光光子。

5。

以铜粉为例，简述XAFS 实验步骤和数据分析过程？（韦世强，XAFS ） 制备样品 放置样品锁好棚屋门，按灭复位按钮，开锁连锁控制机构，打开光闸BS2 预扫（粗测跳高） 采集数据 保存数据 保存数据 数据处理 求μ-E 曲线 • (2) 背景扣除 • (3) μ0拟合 • (4) E →k 转换• (5) 求χ(k)及加权和加窗 • (6) 快速Fourier 变换 • (7) Fourier 滤波 • (8) 曲线拟合6. 什么是费米面？测量费米面的意义和在？（徐法强，费米面的测量） 答：费米面：k 空间占有电子与不占有电子区域的分界面。

费米面定义为倒易晶格空间的等能面，它是电子占据态和非占据态的分界面。

例如，如果电子有如下色散关系：/2mk 22 )(k E则费米面就是一个半径为kf 的球。

如果k 表示Bloch 矢量，那么在第一Brillouin 区，对于每一部分占据的能带都将有一个分离的费米面。

因为只有费米面附近的电子参与电导和其它电子输运过程，因此费米面的测量尤为重要。

固体材料的许多特性，如电导、磁阻、超导以及铁磁性等, 都是由靠近费米边的电子决定的。

费米边代表基态电子能够占据的最高能级，其相应能够的能量范围约几个热能单位kT，其中室温下kT=25毫电子伏特。

自从上世纪九十年代中期以来，光电子能谱实验的能量和动量分辨率有了大幅度的提升，费米边以下十个电子伏特甚至更低能量电子的测量都可以实现。

7. 激光的强度高，单色性好，为什么好多国家还要拼命建同步辐射装置？现在新建的同步辐射装置与二代光源有什么区别？答：同步辐射是相对论性带电粒子在磁场的作用下沿曲线运动时沿向前发射的电磁波，覆盖了从红外到硬X射线的各种波长。

由于光谱连续、亮度高、准直性好，又有偏振、脉冲时间结构和可精确计算等特点，与其它光源相比，具有无可比拟的优越性。

因此在物理学、化学、生命科学、材料科学、信息科学、能源和环境科学以及许多高科技领域中都有广泛的应用。

第三代同步辐射光源的强度、发散角、分辨率、圆偏振度等指标相比第二代都有数量级的提高，第三代是大量使用插入件而设计的低发射度储存环。

三代光源的主要区别——电子束团的发散度：第一代光源的电子束团发散度为几百纳米弧度；第二代在150－40纳米弧度之间；第三代则在20纳米弧度以下。

第一、二代光源主要从弯铁引出光束，第三代光源从直线段的插入件引出。

用插入件来获得高质量的同步辐射光，是第三代同步辐射光源的主要象征。

8。

吸收光谱的原理是什么？同步辐射吸收光谱有哪几类？他们的特点和研究的对象，目的各是什么？原理：同步辐射应用基础（第一部分）P103-104分类：真空紫外吸收光谱，红外吸收光谱特点，研究对象和目的：同步辐射应用基础（第一部分）P122-142 综合考虑9。

简述X射线显微原理和分类，同步辐射显微术和常规光源显微术的区别是什么？答：当物体置于X射线的传播路径上时，X射线与物质相互作用而被吸收与散射，X 射线的振幅和相位发生改变。

X射线显微术可以利用这种振幅与相位的变化，建立物体的显微图像。

主要分为四种基本类型，软X射线接触显微成像术，投射式X射线显微术，扫描投射式式X射线显微术以及软X射线全息显微术。

同步辐射显微术相对于光学显微镜，它有更高的分辨率，能够观测到样品内部的精细结构；相对于电子显微镜，它能观测较厚的生物样品（微米量级，约为完整的细胞线度），可以保持样品在含水状态以及选择使用合适的软X射线波长而增加成像的衬度，因而可以避免样品的脱水和染色。

10。

同步辐射可研究磁性材料，简述其原理和对同步辐射光束线的要求？由于弯铁产生的同步辐射光是由平行于电子轨道面的线偏振光与垂直于轨道面的线偏振光叠加的，因此在偏离轨道面处获得的同步辐射光是（椭）圆偏振的。

在光束线的前端和前置镜之间设置一个可运动的取光孔，通过选择不同的取光孔，即可得到（椭）圆偏振或线偏振的X光。

光束线提供的单色化的X光的主要参数如下：能量范围：100—1000eV能量分辨本领：在1000eV处为1000光子通量：当分辨本领为1000时，不低于108/s偏振度：不低于0.6答：`磁圆二色性效应与Farady效应不同，磁圆二色性（Magnetic Circular Dichrosm Effect，MCD）效应是源于物质对左旋、右旋光的吸收不同。

MCD基本模型如下图所示：样品置于外加磁场中，一束线偏振光通过样品，入射方向与外加磁场平行，出射光将变成椭圆偏振光。

我们知道，可以将一束线偏振光分解为振幅相等的左旋与右旋光的叠加，如下图（a）；由于样品对左、右旋光的吸收不同，经过样品后的出射的左旋与右旋光的振幅将不同，故合成后的光即椭圆偏振光，如下图（b）。

其中I表示透射光强度。

但不论那种表达式，其实质都是表示物质对左旋与右旋光的吸收程度的差异。

对MCD信号的表达式没有一个统一的标准定义，有人定义为对左旋与右旋光的吸收系数之差，还有另一种定义是以角度表示：软X射线磁圆二色——铁磁材料和处于磁场中的其他磁性材料存在一个宏观上的磁化。

从量子力学的观点来看，交换相互作用将产生一个自旋量子化的择优取向，使原来简并的基态分裂成mj个子能级。

或者说，自旋向上和向下的电子数密度不再相等。

每个能级的X射线吸收峰强度同光子的自旋方向有关，这意味着宏观上磁化的材料对左旋和右旋光子的吸收强度不等，即产生了磁圆二色效应。

由于原子对软X射线散射截面特别大，软X射线范围的磁圆二色特别受人关注。

填空题：20分：1。

光电子能谱中E k=hv-E b-ø，各项的物理意义Ek为电子的动能；hv为光子能量；Eb为电子的束缚能；ø为逸出功。

Ef为费米能级；Ei为电子初态。

2。

软x磁性园二色中电偶极跃迁的选择定则（宇称选择定则）电偶极跃迁产生的条件是初态和末态波函数具有相反的宇称。

这种由波函数奇偶性决定的选择定则叫做宇称选择定则。

而宇称选择定则存在的必要条件是体系必须具有反演对称中心。

3。

同步辐射X射线高分辨衍射利用了同步辐射的什么特点？波长连续可调；具有比常规光源强几个量级的X射线亮度；准直性好；光源稳定，有稳定的出光位置。

4（Raman散射）拉曼散射（Raman scattering），光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。

又称拉曼效应。

1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。

1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。

拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi 与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。

拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。

以经典理论解释拉曼散射时，认为分子以固有频率vi振动，极化率（见电极化率）也以vi为频率作周期性变化，在频率为v0的入射光作用下，v0与vi两种频率的耦合产生了v0、v0+vi和v0-vi3种频率。

频率为v0的光即瑞利散射光，后两种频率对应拉曼散射谱线。

拉曼散射的完善解释需用量子力学理论，不仅可解释散射光的频率差，还可解决强度和偏振等一类问题。

拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。

用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。

自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象[1]。

拉曼散射共分为两类型：1、共振拉曼散射（resonance Raman scattering）：当一个化合物被入射光激发，激发线的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡然增加，这个效应被成为共振拉曼散射。

共振拉曼光谱是激发拉曼光谱中较活跃的一个领域，原因在于：（1）拉曼谱线强度显著增加，提高了检测的灵敏度，适合于稀溶液的研究，这对于浓度小的自由基和生物材料的考察特别有用；（2）可用于研究生物大分子中的某一部分，因为共振拉曼增强了那些拉曼谱线是属于产生电子吸收的集团，其他部分可能因为激光的吸收而被减弱；（3）从共振拉曼的退偏振度的测量中，可以得到正常拉曼光谱中得不到的分子对称性的信息。