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同步辐射应用总论 散射和吸收 X射线照射到样品上 主要与样品中的电子发生作用； 主要发生的现象： 相干散射：空间连续，有高强度点； 非相干散射：空间连续，能量连续，某些方向，某些能量有高强度； 光电效应：Ｘ光把一些内壳层电子激发出去，产生光电子以及后续的退激过程（荧光、俄歇电子等）； 产生热：Ｘ光沉积下来的能量最后转化为热。 各种不同的现象及可能的应用（一） 透射线：直接穿透，但是强度有损失（各种相互作用都能引起强度衰减）。 透过强度与入射X线波长的关系，就是物质的吸收光谱。其上存在着的精细结构，称X射线吸收精细结构（XAFS），用来测定吸收原子的电子结构及配位结构。 同步辐射最有特色的实验手段之一。 各种不同的现象及可能的应用（二） 相干散射：由弹性碰撞产生的，可以相互干涉。 晶体的相干散射只有少数方向相互加强，产生强度极大，称为衍射线。X射线衍射（XRD）是用来测定晶体结构、多晶材料的相结构、晶粒大小、晶粒取向及微结构的。 应用非常广泛。 产生相干的示意图 Laue方程 晶体的倒易点阵（reciprocal lattice）矢量可以表示为： h = ha* + kb* + lc* 入射X光波矢： 出射X光波矢： 衍射出现的方向必须满足Laue方程： s = s0 + h XRD实验设置 可以进行的实验方法及获得的信息 样品可以多种多样； 主要获得整体的结构信息； 相成分；晶体结构（晶胞中原子位置）；结构上的缺陷（包括晶粒大小、应变、各种点缺陷、位错、面缺陷）；样品中晶粒的取向等等。 同步辐射的优越性 高强度：衍射弱的晶体（蛋白质晶体）、含量少的相，弱的衍射可以得到（对结构解析非常重要：判断消光规律以确定空间群）； 准直性：大大提高分辨率，对于结构解析、线形分析至关重要； 能量可调：解决相位问题的关键。 各种不同的现象及可能的应用（三） 非相干散射：这是因非弹性碰撞产生的，如康普顿散射。 可用来测定原子中的动量分布及研究化学键等。 正在发展的技术，只有在同步辐射上才能进行实验（强度很弱，需要高的入射光强）。 Compton Scattering 各种不同的现象及可能的应用（四） 光电效应：入射光子能量足够高，把样品中内壳层电子（或价带电子）激发到真空能级以上，形成自由电子（光电子）。 光电子谱（PES）能够探测这些光电子的能量、动量、空间分布，从而得到样品中电子状态的信息，推断化学结合，能带结构等。 同步辐射能够完成一些特定的PES研究。 Photoelectric effect Photon with energy 40keV enters Photoelectron from K-shell with energy (40-33.2)=6.8keV exits Electron from M- to K-shell Characteristic radiation at (33.2-0.6)= 31.6KeV in a random direction. The Atom now has positive charge 实验装置 入射光源：软X光，紫外（几个eV到几个keV）； 分析器：分析电子能量（动能），现在使用的是静电电子能量分析器； 样品能够转动，移动； 必须在超高真空下进行实验； 昂贵而且复杂的实验。 能完成的工作 XPS：化学状态分析； UPS：价带信息； 同步辐射能完成的实验有CIS（恒定初态谱），CFS（恒定末态谱），共振光电子谱，角分辨UPS在同步辐射上有特别的优势（表面态的研究）。 都是利用同步辐射能量可调的特点。 偏振性在研究表面吸附上有优势。 XPS of Copper-Nickel alloy 芯态电子 这些电子在PES谱上表现为一系列的峰，结合能的位置是和具体的元素，具体的电子壳层有关的。因此可以确定样品中（主要是表面）的元素信息。 化学位移：同一种元素、同一个壳层的电子结合能与化学状态有关。 自旋-轨道耦合引起的劈裂可以观察到，也与化学状态有关。 Chemical Shifts- Electronegativity Effects Chemical Shifts- Electronegativity Effects Electronic EffectsSpin-Orbit Coupling Electronic EffectsSpin-Orbit Coupling Electronic EffectsSpin-Orbit Coupling Electronic EffectsSpin-OrbitCoupling Electronic Effects- Spin-Orbit Coupling 同步辐射应用总论 二次效应 二次效应 X光激发样品中的电子