X射线衍射和小角X射线散射详解
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小角x射线衍射缩写是SAXD,小角x射线散射的缩写是SAXS,二者的原理还是有很大的区别的。衍射对应的是周期性结构引起的相干,而散射对应的是电子密度的波动。
小角X射线衍射:
X-射线照射到晶体上发生相干散射(存在位相关系)的物理现象叫衍射,即使发生在低角度也是衍射。例如,某相的d值为31.5A,相应衍射角为2.80°(Cu-Kα),如果该相有很高的结晶度,31.5A峰还是十分尖锐的。薄膜也能产生取决于薄膜厚度与薄膜微观结构的、集中在小角范围内的X射线衍射。在这些情况下,样品的小角X射线散射强度主要来自样品的衍射,称之为小角X射线衍射。对这类样品,人们关心的是其最大的d值或者是薄膜厚度与结构,必须研究其小角X射线衍射。
小角衍射,一般应用于测定超大晶面间距或薄膜厚度以及薄膜的微观周期结构、周期排列的孔分布等问题;
小角X射线散射:
X-射线照射到超细粉末颗粒(粒径小于几百埃,不管其是晶体还是非晶体)也会发生相干散射现象,也发生在低角度区。但是在实验方法、由微细颗粒产生的相干散射图的特征与上述的由超大晶面间距或薄膜产生的小角X射线衍射图的特征完全不同。这就是小角X射线散射。
小角散射则是应用于测定超细粉体或疏松多孔材料孔分布的有关性质。
小角散射得到的结构信息有两类,一个是微颗粒信息,一个是长周期信息。与原子尺度和小分子晶体点阵相比较,可以认为这些是结构的“大尺度”信息。因此小角散射方法主要有这两方面的应用:一个是测量微颗粒形状、大小及其分布,另一个是测量样品长周期,并通过衍射强度分析,进行有关的结构分析。
小角x射线衍射缩写是SAXD,小角x射线散射的缩写是SAXS,二者的原理还是有很大的区别的。衍射对应的是周期性结构引起的相干,而散射对应的是电子密度的波动。
小角X射线衍射:
X-射线照射到晶体上发生相干散射(存在位相关系)的物理现象叫衍射,即使发生在低角度也是衍射。例如,某相的d值为31.5A,相应衍射角为2.80°(Cu-Kα),如果该相有很高的结晶度,31.5A峰还是十分尖锐的。薄膜也能产生取决于薄膜厚度与薄膜微观结构的、集中在小角范围内的X射线衍射。在这些情况下,样品的小角X射线散射强度主要来自样品的衍射,称之为小角X射线衍射。对这类样品,人们关心的是其最大的d值或者是薄膜厚度与结构,必须研究其小角X射线衍射。
小角衍射,一般应用于测定超大晶面间距或薄膜厚度以及薄膜的微观周期结构、周期排列的孔分布等问题;
小角X射线散射:
X-射线照射到超细粉末颗粒(粒径小于几百埃,不管其是晶体还是非晶体)也会发生相干散射现象,也发生在低角度区。但是在实验方法、由微细颗粒产生的相干散射图的特征与上述的由超大晶面间距或薄膜产生的小角X射线衍射图的特征完全不同。这就是小角X射线散射。
小角散射则是应用于测定超细粉体或疏松多孔材料孔分布的有关性质。
小角散射得到的结构信息有两类,一个是微颗粒信息,一个是长周期信息。与原子尺度和小分子晶体点阵相比较,可以认为这些是结构的“大尺度”信息。因此小角散射方法主要有这两方面的应用:一个是测量微颗粒形状、大小及其分布,另一个是测量样品长周期,并通过衍射强度分析,进行有关的结构分析。
一、 什么是X射线小角散射
一种区别于X射线大角(2θ从5 ~165 )衍射的结构分析方法。利用X射线照射样品,相应的散射角2θ小(5 ~7 ),即为X射线小角散射。
二、X射线小角散射的用途
用于分析特大晶胞物质的结构分析以及测定粒度在几十个纳米以下超细粉末粒子(或固体物质中的超细空穴)的大小、形状及分布。对于高分子材料,可测量高分子粒子或空隙大小和形状、共混的高聚物相结构分析、长周期、支链度、分子链长度的分析及玻璃化转变温度的测量。
三、X射线小角散射的原理
小角散射效益来自物质内部1~l00nm量级范围内电子密度的起伏,当一束极细的x射线穿过一超细粉末层时,经粉末颗粒内电子的散射,X射线在原光束附近的极小角域内分散开来,其散射强度分布与粉末粒度及分布密切相关。
20世纪初,伦琴发现了比可见光波长小的辐射。由于对该射线性质一无所知,伦琴将其命名为X射线 (X-ray)。到20世纪30年代,人们以固态纤维和胶态粉末为研究物质发现了小角度X射线散射现象。当X射线照射到试样上时,如果试样内部存在纳米尺度的电子密度不均匀区,则会在入射光束周围的小角度范围内(一般2=<6º)出现散射X射线,这种现象称为X射线小角散射或小角X射线散射(Small Angle X-ray Scattering),简写为SAXS 。其物理实质在于散射体和周围介质的电子云密度的差异。SAXS已成为研究亚微米级固态或液态结构的有力工具。
横坐标是散射峰的位置,纵坐标是散射峰的强度,这一点与XRD是类似的。纵坐标的绝对数值没有意义,只是表示相对的强度。
而对于横坐标,XRD的位置通常用角度ө或2ө标示,而SAXS的位置是用q标示的,q一般叫做散射矢量或者散射因子,q与ө有简单的换算关系 q = 4πsinө/λ。在SAXS中由于ө的数值变化范围很小,所以用q标示更方便。
在XRD中,衍射峰对应的ө可以换算出对应的晶面间距,实际上就是样品中一定范围内的周期性长度。在SAXS中物理意义上是一样的,还是样品中一定范围内的周期性长度,只是由于ө值更小,对应的长度也就更大。通俗地讲,这些长度可以是粒径、孔径、层间距等等,甚至是一些不是通常结构尺寸意义的长度。
X射线普通衍射和小角度衍射有何区别
概述
小角度X射线衍射和普通X射线衍射,这是X射线衍射的两个应用方向。它们的英文名称分别是Small Angle X-ray Scattering (SAXS,X射线小角度衍射)和Wide
Angle X-ray Scattering (WAXS,X射线广角衍射)。无论中子衍射、电子衍射还是X射线衍射,其原理都能用布拉格定律来解释,具体的应用场合则因为入射射线的本质和被检测样品的本质不同而有所区别。
从布拉格方程:
2dsinq=nl
我们可以看到这里有三个变量:入射线经过样品时的光程差D(对于一般晶体材料,主要由面间距d决定;对于胶体颗粒,主要由颗粒电子密度起伏决定);入射角度q和入射射线的波长l。电子衍射和普通X射线衍射的区别在于入射线本质不同;普通X射线衍射和小角度X射线衍射在于样品对光程差的贡献不同。
2. X射线衍射与电子衍射
要区分小角度X射线衍射和普通X射线衍射,我们可以先考察X射线衍射和电子衍射的区别。用厄瓦尔德倒易球描述的二者的衍射机理如图1所示。图1a表明电子波长特别小使得倒易球截得的倒易点阵为二维阵列,而所有参与衍射的晶面与电子束的夹角基本都在2°以内,或者说基本平行。例如金的晶胞参数为a=0.4078nm,200KV下的电子波长为0.00251nm,计算得金密排面(111)的衍射角q=0.205°。图1b表明X射线波长与晶体的晶胞尺寸相当,一个衍射角度一般只能激发一个晶面的衍射。为了让所有晶面参与衍射,就必须让倒易球和倒易点阵相互旋转,从而获得大角度范围的衍射谱图。
3. SAXS与WAXS
现在固定X射线波长不变,均为CuKa=0.154nm,设想如果被检测的样品不是粉晶样品,也不是大块单晶(例如单晶衬底和金属),而是晶胞巨大的无机化合物、高分子乃至生物分子这样的具有胶体尺度的样品,常规X射线衍射能获得怎样的谱图和分析出怎样的结论呢?