电子散射原理

中子散射原理中子散射是一种重要的物理现象，它在材料科学、物理学和核工程等领域都有着重要的应用。

中子散射原理是指中子在与物质相互作用时发生散射现象的基本规律和机理。

通过研究中子散射原理，可以深入了解物质的结构、性质和动力学行为，为材料设计、新能源开发和生命科学研究提供重要的实验手段和理论依据。

中子散射原理的基本过程是中子与原子核或电子发生相互作用，从而改变其运动状态并产生散射。

中子在物质中的散射过程可以分为弹性散射和非弹性散射两种情况。

弹性散射是指中子与物质发生碰撞后，保持能量和动量守恒的散射过程，不改变中子的能量。

非弹性散射则是指中子在与物质相互作用时，发生能量损失或转移的散射过程，导致中子能量的改变。

中子散射原理的研究可以通过测量散射中子的能量和角度分布，来获取物质的结构信息。

通过分析散射中子的散射角度和能量变化，可以得到物质中原子的位置、间距、热振动等信息。

这对于研究材料的晶体结构、磁性结构、液体结构等具有重要意义。

同时，中子散射还可以用于研究材料的动力学行为，比如材料的扩散、固溶、相变等过程。

除了对材料的研究，中子散射原理还在生命科学和医学领域有着重要的应用。

中子散射可以用来研究生物大分子的结构和动力学行为，比如蛋白质、核酸等生物大分子的结构和功能。

通过中子散射技术，可以揭示生物大分子在溶液中的构象和结构变化，为药物设计和疾病治疗提供重要的信息。

此外，中子散射原理还在能源和环境领域有着广泛的应用。

中子散射可以用来研究材料的热导率、热膨胀系数、核燃料的性能等，为新能源材料的设计和优化提供重要的实验手段。

同时，中子散射还可以用来研究环境污染物的分布和转化，比如土壤中的重金属离子、水体中的有机物等。

总之，中子散射原理是一种重要的物理现象，它在材料科学、物理学、生命科学、医学和能源领域都有着广泛的应用。

通过研究中子散射原理，可以深入了解物质的结构和性质，为材料设计、新能源开发和生命科学研究提供重要的实验手段和理论依据。

散射原理透射光强为l l h K e I e I I α-+-==0)(0h ：散射系数 K ：吸收系数 α：衰减系数（实际测量中得到的）散射是指电磁波通过某些介质时，入射波中一部分能量偏离原来传播方向而以一定规律向其他方向发射的过程。

散射可以用电磁波理论和物质电子理论解释：入射的电场使粒子中的电荷产生振荡，振荡的电荷形成一个或多个电偶极子，它们辐射出次级的球面波，因为电荷的振荡与入射波同步，所以次级波与入射波有相同频率，且有固定的相位关系。

在大气散射过程中，散射粒子的尺度范围很大，从气体分子（约10-4μm ）到气溶胶（约 1μm ）、小水滴（约 10μm ）、冰晶（约 100μm ），以及大雨滴和雹粒（约 1cm ）。

通常以尺度数α = 2π/λ作为判别标准，其中r 为粒子半径，λ为波长。

按α的大小可以将散射过程分为三类：(1) α << 1，即 r < λ 时的散射，称为 Rayleigh 散射或分子散射；(2) 1< α < 50，即 r ≈ λ 时的散射，称为 Mie 散射或大颗粒散射；(3) α > 50，即 r>> λ 时的散射，属于几何光学散射范畴。

对于大气中的粒子（假设是各向同性的），散射光分布型式相应于入射光方向是三维空间对称的，依赖于尺度数 α，其典型情况如图 3.1 所示图3.1 三种尺度粒子的散射强度的角分布型式Rayleigh 散射和 Mie 散射的实质，都是大气分子或气溶胶粒子在入射电磁波作用下激发，而产生振动的电偶极子或多极子，并以粒子为中心向四周辐射出与入射波频率相同的散射波，都属于弹性散射。

瑞利散射瑞利散射解释了大气中气态分子的光学特性，根据瑞利的观点，天空的蓝色是由于大气中圆形、各项同性的、密度大于周围介质、且大小远远小于波长的粒子的散射造成的。

瑞利散射理论的提出是基于以下几个假设条件（1）粒子尺寸远远小于光的波长，一般 r ≤ 0.03λ时，就认为满足条件。

背散射扫描电镜原理
背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。

其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

能量很高，有相当部分接近入射电子能量，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。

背散射电子像是在扫描电子显微镜中，通过电子枪产生的电子，经过加速电场、偏转磁场后，照射到待检测的样品表面，待检测样品会反射一部分的电子，在扫描电子显微镜的工作镜腔里的背散射电子探头就会检测到这些被反射的电子，进而在检测器上所成的像。

TEM电子衍射的原理TEM是透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope）的简称，是一种使用电子束而不是光束进行观察和分析的显微镜。

TEM利用电子束穿过样品并与样品相互作用，然后将电子衍射的图样转换为样品的结构信息。

TEM电子衍射的原理基于布拉格公式，即nλ = 2dsinθ，其中n为衍射级数，λ为入射电子的波长，d为晶格参数，θ为衍射角。

当电子束穿过晶体时，晶格中的原子对电子束起到散射作用，形成衍射图样。

这些衍射图样即可用来分析晶格信息及其结构。

1.电子源：电子转移系统通过高压电子火花或透射电子枪产生一束高速电子流。

电子束由一系列电磁透镜束聚并形成高能束。

2.准直系统：使用透镜系统将电子束准直，以确保它在整个样品上尽可能平行。

3.样品台：样品台是一个用于支撑样品的平台，样品被安置在这个平台上。

平台上提供了一系列探测器，以捕捉散射的电子。

4.电子与样品相互作用：电子束穿过样品并与样品中的原子相互作用。

原子对电子产生散射效应，并产生衍射图样。

5.探测器：使用一系列探测器来收集电子的散射。

这些探测器可以测量衍射电子的强度和角度，以确定晶体结构。

6.图像形成：电子衍射模式进入与样品台相连的CCD摄像机，生成衍射图像。

通过TEM电子衍射，我们可以得到样品的晶体结构、晶格参数、晶面指数、晶体取向等信息。

这对于理解材料的性质和行为非常重要。

另外，TEM还可以结合其他技术如能谱分析和显微成像技术，实现对样品的更全面的表征。

然而，使用TEM电子衍射还会面临一些挑战。

首先，电子束的能量较高，容易对样品造成辐射损伤，因此需要进行谨慎的操作和控制。

其次，电子束在穿过样品时容易受到散射和多次散射的影响，导致失真和模糊的衍射图样。

这需要使用一些衍射技术如选区电子衍射（Selected Area Electron Diffraction）和倾斜衍射（Precession Electron Diffraction）来克服这些问题并提高分辨率。

电泳光散射技术原理
电泳光散射技术（ELS）是一种利用激光照射在样品溶液或悬浮液上，并检
测向前角度的散射光信号的方法。

在样品两端施加一个电场，样品中的带电颗粒在电场力的驱动下进行电泳运动。

由于颗粒的电泳运动，样品的散射光的频率会产生一个频移，即多普勒频移。

通过数学方法处理散射光信号，可以得到散射光的频率移动，进一步得到颗粒的电泳运动速度，即电泳迁移率。

这个技术基于多普勒效应，当带电颗粒在外加电场作用下发生定向移动时，光束照射到颗粒上会引起光束频率或相位发生变化，且颗粒运动速度越快，光的频率变化的也越快。

因此可以通过测量光信号的频率变化来间接测出颗粒的电泳速度，从而求出Zeta电位。

电子衍射仪的原理电子衍射仪（Electron Diffraction）是一种利用电子的波粒二象性进行物质结构研究的重要工具。

其原理是基于量子力学中的德布罗意假设，即任何粒子都具有波动性。

首先，根据电子的波粒二象性，我们可以将电子看作是具有特定波长和频率的波动现象。

电子的波长可以由德布罗意方程计算得到：λ= h / p其中，λ表示电子的波长，h为普朗克常数，p为电子的动量。

根据这个方程，我们可以看到，当电子的动量较小时，即质量较大、速度较慢时，其波长较长；反之，当电子的动量较大时，即质量较小、速度较快时，其波长较短。

在电子衍射仪中，首先需要产生一束具有特定波长的电子。

通常使用热发射电子束或电子枪发射电子，经过漂移管延长距离后，通过一系列的准直和聚焦装置，将电子束聚焦成尽可能细且平行的束。

然后，将这束电子束照射到待研究的样品上。

样品的表面由于微观结构的存在，使得入射的电子波遭受到散射，形成衍射图样。

这些散射波按照特定的角度和强度被电子衍射仪中的检测器所接收。

接收到的散射波经过光学系统的调制和增强处理后，转换成图像，进而通过计算机对衍射图样进行处理和分析。

通过分析衍射图样的结构和特征，可以获得样品的结晶度、晶面间距、晶格常数、晶体的取向以及晶体内部的缺陷等信息。

电子衍射仪的原理可以进一步解释为以下几个关键点：1. 电子波的特性：通过电子的波动性，电子衍射仪可以观察到物质的微观结构信息。

与传统的光学显微镜相比，电子波的波长远远小于可见光的波长，因此电子衍射仪可以获得更高的分辨率。

2. 样品的散射特性：在电子束照射下，样品内部的原子、分子或晶体产生散射现象。

样品的结构和晶体学参数会决定电子束的散射角度和强度。

通过测量散射波的角度和强度，可以得到样品的结构信息。

3. 光学系统的调制和增强：在电子波通过样品后，通过一系列光学系统的调制和增强处理，可以将弱的散射波转换成图像。

这些光学系统包括铅隔板、干涉滤波器、聚焦器等，通过调节这些系统的参数和性能，可以改善图像的质量。

第十章电子衍射一、概述透射电镜的主要特点是可以进行组织形貌与晶体结构同位分析。

若中间镜物平面与物镜像平面重合（成像操作），在观察屏上得到的是反映样品组织形态的形貌图像；而若使中间镜的物平面与物镜背焦面重合（衍射操作），在观察屏上得到的则是反映样品晶体结构的衍射斑点。

本章介绍电子衍射基本原理与方法，下章将介绍衍衬成像原理与应用。

电子衍射的原理和X射线衍射相似，是以满足（或基本满足）布拉格方程作为产生衍射的必要条件。

两种衍射技术所得到的衍射花样在几何特征上也大致相似。

多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环，单晶衍射花样由排列得十分整齐的许多斑点所组成。

而非晶态物质得衍射花样只有一个漫散得中心斑点（图1，书上图10-1）。

由于电子波与X射线相比有其本身的特性，因此，电子衍射和X射线衍射相比较时具有下列不同之处：（1）电子波的波长比X射线短的多，在同样满足布拉格条件时，它的衍射角θ很小，约10－2rad；而X射线产生衍射时，其衍射角最大可接近90°。

（2）在进行电子衍射操作时采用薄晶样品，薄样品的倒易阵点会沿着样品厚度方向延伸成杆状，因此，增加了倒易阵点和爱瓦尔德球相交截的机会，结果使略为偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。

（3）因为电子波的波长短，采用爱瓦尔德球图解时，反射球德半径很大，在衍射角θ较小德范围内反射球的球面可以近似地看成是一个平面，从而也可以认为电子衍射产生的衍射斑点大致分布在一个二维倒易截面内。

这个结果使晶体产生的衍射花样能比较直观的反映晶体内各晶面的位向，给分析带来不少方便。

（4）原子对电子的散射能力远高于它对X射线的散射能力（约高出四个数量级），这使得二者要求试样尺寸大小不同，X射线样品线性大小位10－3cm，电子衍射样品则为10－6～10－5cm，且电子衍射束的强度较大，摄取衍射花样时曝光时间仅需数秒钟，而X射线以小时计。

（5）X射线衍射强度和原子序数的平方（Z2）成正比，重原子的散射本领比轻原子大的多。