X光散射技术
(重定向自X-射线衍射)
X光散射技术或X射线衍射技术(英語:X-ray scattering techniques)是一系列常用的非破壞性分析技術,可用於揭示物質的晶體結構、化學組成以及物理性質。这些技术都是以观测X射线穿过样品后的散射强度为基础,并根据散射角度、极化度和入射X光波长对实验结果进行分析。X光散射技术可在許多不同的條件下進行分析,例如不同的溫度或壓力。
发明
该方法是由马克斯·冯·劳厄于1912年发明的,他因而获得诺贝尔物理学奖。
原理
X光的本质是一种电磁波,而电磁波能够发生衍射,即绕开障碍物传播。该方法利用的就是这个原理。之所以采用X光,是因为X光的波长与大多数分子或者晶胞大小相差不多,能够在分子或晶体的微观结构中发生衍射,同时也会被分子或者晶胞吸收一部分,而且穿透力适中,从而可以类似于穿透式电子显微镜那样,通过接收经过分子之后的X光,而得到清晰的图谱。
X光繞射技术
X光繞射(X-ray diffraction)技术可以用于研究分子的构象或形态。X光繞射技术是基于X光在穿过长程有序物质所发生的弹性散射。“繞射动力学理论”对晶体的散射现象给出了更为复杂的描述[1]。以下列出的是X光繞射的相关技术:
- 单晶X射线繞射:用于解析晶态物质中分子的整体结构,研究范围可以从小的无机小分子到复杂的大分子,如蛋白质;可用单色性X光(德拜法)或连续波长X光(即“劳厄法”)进行研究。
- 粉末衍射:也是一种获得晶体(微晶)结构的方法,所用样品为多晶态或粉末固态晶体。粉末繞射通常用于鉴定未知物质,主要通过将衍射数据与繞射数据国际中心(International Centre for Diffraction Data,ICDD)中的繞射数据库进行比较。这一技术或可用于鉴定非均一态的固体混合物,确定其中含量相对丰富的晶态物质;而且,当与网格修正技术(如Rietveld修正)连用时,还可以提供未知物质的结构信息。粉末繞射也是确定晶态物质晶系的常用方法,并可用于测定晶体颗粒的大小。
- 薄膜繞射。
- X射线极图分析:用于分析和测定晶态薄膜样品中晶态方位。
- X射线回摆曲线分析法:用于定量测量晶态物质的粒度大小和镶嵌度散布。
散射技术
弹性散射
即使是非晶态物质(非长程有序),也可能可以用依赖于单色性X光的弹性散射的方法来研究:
- 小角X射线散射:在散射角2θ接近0°时,对样品的X射线散射强度进行测量,以获取纳米到微米量级上的分子结构信息。[2]
- X射线反射率:用于分析和测定单层或多层薄膜的厚度、粗糙度和密度。[3]
- 广角X射线散射:测量散射角2θ大于5°。
非弹性散射
当非弹性散射的X射线的能量和角度被监测时,相关的散射技术就可以用于探测物质的能带结构:
实际应用
本方法对于化学和生物学的发展有着极大的贡献。至2013年为止,通过此方法进行科研而获得诺贝尔奖的科学家,就至少有6人。他们是
- 1914年,马克斯·冯·劳厄(德国),获得诺贝尔物理学奖。
- 1915年,布拉格父子(英国),获得诺贝尔物理学奖。
- 1936年,彼得·德拜(英国/荷兰),获得诺贝尔化学奖。
- 1962年,奥森等3人[谁?],获得诺贝尔生理学或医学奖。
- 1964年,艾伦·劳埃德·霍奇金(英国/埃及),诺贝尔化学奖。
- 1985年,赫伯特·豪普特曼等3人,诺贝尔化学奖。
单晶解析
1970年开始,乔治·谢尔德里克开发用于晶体解析的SHELX软件,广受欢迎[4]。
参考文献
- ^ (英文)Azároff, L. V.; R. Kaplow, N. Kato, R. J. Weiss, A. J. C. Wilson, R. A. Young. X-ray diffraction. McGraw-Hill. 1974.
- ^ (英文)Glatter, O.; O. Kratky. Small Angle X-ray Scattering. Academic Press. 1982 [2008-01-24]. (原始内容存档于2012-02-11).
- ^ (英文) Holy, V. et al. Phys. Rev. B. 47, 15896 (1993).
- ^ Sheldrick, G. M. A short history of SHELX. Acta Crystallographica Section A: Foundations of Crystallography. 2008-01-01, 64 (1) [2024-04-12]. ISSN 0108-7673. doi:10.1107/S0108767307043930. (原始内容存档于2022-05-07) (英语).