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材料现代测试研究方法

小角度散射综述

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2015年10月

摘要

综述了小角x射线散射（SAXS)的发展历史及国内外的发展趋势。SAXS是在

纳米尺度(1～100nm)上研究物质结构的主要手段之一，它是在原光束附近小角

度范围内电子对x射线的散射。通过对散射图形或散射曲线的观察和分析可解析

散射体的形状、尺寸以及它们在空间和时间上的分布等信息。历史上SAXS发展

比较缓慢，不仅是因为小角相机的装配操作麻烦，还因为受x射线强度的限制,

曝光时间很长，对于一些弱散射体系如蛋白质溶液、高聚物等就难以测定。随着

同步辐射装置的发展，以同步辐射为光源的小角散射实验站成了SAXS实验的主

要基地.尽管SAXS理论和方法还不成熟，但其发展势头强劲。

关键词：小角x射线散射；同步辐射；研究进展

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1．基础介绍

自发现X射线以来，已经发展了多种基于X射线的物质结构分析测试手段,

它们被广泛地应用于生产及科研实践中。在纳米尺度（1～100nm）上研究物质

结构的主要手段之一就是小角X射线散射，或称X射线小角散射（smallangle

X—rayscattering，SAXS），也有称小角x光散射。X射线是一种波长介于

0．001~10nm的电磁波.

当一束极细的X射线穿过存在着纳米尺寸的电子密度不均匀区的物质时，X

射线将在原光束方向附近的很小角域（一般散射角为3°~5°)散开，其强度一

般随着散射角的增大而减小，这个现象称为小角X射线散射（SAXS).由于X射线

是同原子中的电子发生交互作用，所以SAXS对于电子密度的不均匀性特别敏感，

凡是存在纳米尺度的电子密度不均匀区的物质均会产生小角散射现象。

根据电磁波散射的反比定律，相对于波长来说(应用于散射及衍射分析的X

射线波长在0.05~0.25nm之间），散射体的有效尺寸与散射角呈反比关系。所以，

SAXS并不反映物质在原子尺度范围内的结构，而是相应于尺寸在1～100nm区

域内的结构.这样，样品通常就被看成是一个连续介质,用平均密度法和围绕平均

密度的起伏来表征。因而，散射被看成由具有某种电子密度的散射体引起，这种

散射体被浸在另一种密度的介质之中，也就是说样品可被看作是由介质和弥散分

布于其中的散射体组成的两相体系。分散于一定介质中的微粒子（如胶体)和固

态基质中的纳米尺寸的孔隙(如多孔材料中的孔隙）均是典型的散射体。散射图

样反映了散射体的空间关系(几何关系),是时间范围内的平均结果，并与散射体

和介质的电子密度之差呈正比。通过对散射图形或散射曲线（散射强度一散射角)

的观察和分析可解析散射体的形状、尺寸和分布等信息。SAXS能进行多种定性

分析（体系电子密度的均匀性、散射体的分散性、两相界面是否明锐、每一相内

电子密度的均匀性、散射体的自相似性等）和定量分析（散射体尺寸分布、散射

体体积分数、比表面、界面层厚度、分形维数等）。

利用SAXS技术可以表征物质的长周期、准周期结构和测定纳米粉末的粒度

分布,揭示材料的内部细微结构，解释材料学的一些加工过程，化学化工领域的

一些化学反应过程，并且作为唯一能测试3维蛋白质结构的测试手段，X射线小

角度散射技术在生物研究，生命科学中的角色越来越重要。国内的学者已经将该

技术广泛应用于尺度属纳米级的各