小角激光散射PPT学习教案

1、会计学1 小角激光散射小角激光散射 2 第一节第一节 激光和小角激光和小角X射线散射的产生射线散射的产生 一、一、 自发辐射和受激辐射自发辐射和受激辐射 处于基态的原子吸收外来的能量后，被激发到处于基态的原子吸收外来的能量后，被激发到 高能态。当在短暂的时间内跃回至基态时，可能以高能态。当在短暂的时间内跃回至基态时，可能以 光的形式释放其能量。这种光辐射称为自发辐射。光的形式释放其能量。这种光辐射称为自发辐射。 由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的 光，方向不同，初相位也不相同，相干性很差。光，方向不同，初相位也不相同，相干性很差。 如果处于激发

2、态的原子受到与其它发射光子的如果处于激发态的原子受到与其它发射光子的 方向、频率、相位、偏振特性完会相同的入射光的方向、频率、相位、偏振特性完会相同的入射光的 光照射，就会辐射出具有完会相同特征的光子。这光照射，就会辐射出具有完会相同特征的光子。这 种辐射称为受激辐射。种辐射称为受激辐射。 通过受激辐射而引起光放大作用，是激光产生通过受激辐射而引起光放大作用，是激光产生 的原因。的原因。 第1页/共54页 3 二、粒子数反转二、粒子数反转 欲使受激辐射占优势，就必须利用某种方法，使原欲使受激辐射占优势，就必须利用某种方法，使原 子在能级上的正常分布情况（基态原子数子在能级上的正常分布情况（基态

3、原子数激发态原子激发态原子 数）倒转过来（激发态原子数数）倒转过来（激发态原子数基态原子数）。这种现象基态原子数）。这种现象 称为粒子数反转分布。称为粒子数反转分布。 常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射 工作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。工作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。 处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光 通过增益介质时，光就被放大。这一放大作用可用下列公通过增益介质时，光就被放大。这一放大作用可用下列公 式表示式表示 I I = = I I0 0exp(GL)

4、exp(GL) 式中式中 I0为初始光强，为初始光强，I为光通过距离为光通过距离L的增益物质后的的增益物质后的 光强，光强，G为增益系数为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率百分率)，L为工作物质长度。为工作物质长度。 第2页/共54页 4 三三 激光振荡、激光特性和激光器激光振荡、激光特性和激光器 （一）激光振荡（一）激光振荡 在激光工作物质的两端装上反光镜，光就在反光在激光工作物质的两端装上反光镜，光就在反光 镜间多次来回反射。由于光程增长很大，使受激发射镜间多次来回反射。由于光程增长很大，使受激发射 光强急剧增大。这种现象称为激光振荡。光强急

5、剧增大。这种现象称为激光振荡。 产生激光振荡的条件是两个反射镜之间的光必须产生激光振荡的条件是两个反射镜之间的光必须 是驻波，波节在两个反射镜处。是驻波，波节在两个反射镜处。 此外，放大的增益必须超过由于偏离光轴、反射此外，放大的增益必须超过由于偏离光轴、反射 镜的漫反射和吸收等造成的损失。镜的漫反射和吸收等造成的损失。 能使光放大的装置称为光学谐振腔能使光放大的装置称为光学谐振腔。 第3页/共54页 5 （二）激光特性（二）激光特性 1 单色性好单色性好 2相位一致相位一致 3方向性好方向性好 4亮度高亮度高 第4页/共54页 6 （三）（三） 激光器激光器 能够发射激光的装置称为激光器。一

6、般激光器都具有能够发射激光的装置称为激光器。一般激光器都具有 三个基本组成部分：激励能源（或称泵浦源）、工作物质三个基本组成部分：激励能源（或称泵浦源）、工作物质 和光学谐振腔。和光学谐振腔。 激励能源的种类很多。有光能如氙灯闪光、氮分子激激励能源的种类很多。有光能如氙灯闪光、氮分子激 光器等，也可采用电能、化学能、热能、电子束等。光器等，也可采用电能、化学能、热能、电子束等。 工作物质是实现粒子数反转分布的增益介质。它可以工作物质是实现粒子数反转分布的增益介质。它可以 是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气 体。体。 光学谐振腔是

7、两块相互平行的反光镜，置于工作物质光学谐振腔是两块相互平行的反光镜，置于工作物质 的两端，这两块反射镜相对的面上镀有多层介质膜，一块的两端，这两块反射镜相对的面上镀有多层介质膜，一块 是全反射的，另一块是部分反射的。谐振腔的两块反射镜是全反射的，另一块是部分反射的。谐振腔的两块反射镜 使受激辐射的光在平行于腔轴的方向上进行反馈和振荡，使受激辐射的光在平行于腔轴的方向上进行反馈和振荡， 从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。 第5页/共54页 7 1气体激光器气体激光器 气体激光器是采用气体作为工作物质，以电能作气体激光器是采用气体作为工

8、作物质，以电能作 为激励能源，通过气体放电使电子与原子（离子或分子为激励能源，通过气体放电使电子与原子（离子或分子 ）互相碰撞而产生激光的。常用的气体有）互相碰撞而产生激光的。常用的气体有He、Ne、Ar 、Kr、Xe、CO2等。等。 第6页/共54页 8 2固体激光器固体激光器 固体激光器多以脉冲氙灯作为激励能源。这种激固体激光器多以脉冲氙灯作为激励能源。这种激 励方式称为光激发。常用的工作物质有红宝石、铷玻璃励方式称为光激发。常用的工作物质有红宝石、铷玻璃 、钇铝石榴石（掺铷）三种。工作物质由激活离子和基、钇铝石榴石（掺铷）三种。工作物质由激活离子和基 质两部分组成。质两部分组成。 第7页

9、/共54页 9 3半导体激光器半导体激光器 半导体激光器的体积小，效率高。常用的半导体激半导体激光器的体积小，效率高。常用的半导体激 光器有砷化镓（光器有砷化镓（GaAs）,磷化铟磷化铟(InP)，及某些三元合金，及某些三元合金 （例如（例如GaAsxP1-x）等。激励方式有：电子束照射、光）等。激励方式有：电子束照射、光 激发以及向激光二极管的激发以及向激光二极管的p-n结注入电流等。结注入电流等。 半导体激光器多为脉冲式的，峰值功率可达几十瓦半导体激光器多为脉冲式的，峰值功率可达几十瓦 。它可在。它可在0.32m mm 45m mm范围内获得可调协的激光输出。范围内获得可调协的激光输出。

10、第8页/共54页 10 4染料激光器染料激光器 染料激光器具有增益大、效率高、输出激光可在染料激光器具有增益大、效率高、输出激光可在 很宽的波段范围内调谐等特点。染料激光器以染料作为很宽的波段范围内调谐等特点。染料激光器以染料作为 工作物质。工作物质。 染料激光器采用光激励方式，常用的激励光源有染料激光器采用光激励方式，常用的激励光源有 ：单脉冲红宝石激光器，脉冲氮分子激光器，氩离子激：单脉冲红宝石激光器，脉冲氮分子激光器，氩离子激 光器和特殊闪光灯等。他们可以激发出不同波长的染料光器和特殊闪光灯等。他们可以激发出不同波长的染料 激光。输出功率亦可从激光。输出功率亦可从1毫瓦至几百兆瓦。毫瓦至

11、几百兆瓦。 第9页/共54页 11 四、小角四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系射线散射的产生及其与粉末粒度的关系 当一束极细的当一束极细的X射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗 粒内电子的散射，就在原光束附近的极小角域内分散开来粒内电子的散射，就在原光束附近的极小角域内分散开来 ，这种现象叫，这种现象叫X射线小角散射。其散射强度分布与粉末的射线小角散射。其散射强度分布与粉末的 粒度及其分布密切相关。粒度及其分布密切相关。 第10页/共54页 12 第二节第二节 光的散射和光的散射和X光散射物理光散射物理 Rayleigh在世界上首先以太阳光在大气中的散射现

12、象在世界上首先以太阳光在大气中的散射现象 揭示了天空的颜色及散射光的行为。然后（揭示了天空的颜色及散射光的行为。然后（1881、1889年年 ）他从）他从Maxwells电磁波理论推导出相同结果，并发现对电磁波理论推导出相同结果，并发现对 无相互作用、无吸收的光学各向同性粒子，当其尺寸与入无相互作用、无吸收的光学各向同性粒子，当其尺寸与入 射光波长相比是非常小时（射光波长相比是非常小时（dl l/20,在在20 300nm范围。范围。 第18页/共54页 20 二、二、 高分子溶液的制备高分子溶液的制备 高分子溶液光散射研究的准确性依赖于光学净化标高分子溶液光散射研究的准确性依赖于光学净化标

13、准的选择，即样品的光学净化程度完全控制着整个光散准的选择，即样品的光学净化程度完全控制着整个光散 射试验。这是因为溶剂或溶液中的尘粒将强烈地散射光射试验。这是因为溶剂或溶液中的尘粒将强烈地散射光 ，即所谓丁达尔效应，导致溶液中真正的散射被掩盖。，即所谓丁达尔效应，导致溶液中真正的散射被掩盖。 特别是在测定散射光强的角分布或前后向散射不对特别是在测定散射光强的角分布或前后向散射不对 称性时，由于尘粒的尺寸比高分子的尺寸大得多，就会称性时，由于尘粒的尺寸比高分子的尺寸大得多，就会 呈现显著的前后向散射不对称性。呈现显著的前后向散射不对称性。 溶剂与溶液的光学净化是光散射测定中的关键问题溶剂与溶液的

14、光学净化是光散射测定中的关键问题 。要得到较好的光散射数据，高聚物试样在制备、分级。要得到较好的光散射数据，高聚物试样在制备、分级 及干燥等过程中也应该注意避免尘粒的引入。及干燥等过程中也应该注意避免尘粒的引入。 第19页/共54页 21 （一）（一） 器皿净化器皿净化 在溶液制备中应尽可能避免污染。尘土粒子、润滑在溶液制备中应尽可能避免污染。尘土粒子、润滑 剂及表面活性剂都能与高聚物相互作用，一旦引入就很剂及表面活性剂都能与高聚物相互作用，一旦引入就很 难移出、净化，难以达到光散射实验的要求。难移出、净化，难以达到光散射实验的要求。 实验前选择干净的实验室及无尘样品制备箱是必要实验前选择干净

15、的实验室及无尘样品制备箱是必要 的，所以玻璃器皿事先要经过用洗液或符合光散射实验的，所以玻璃器皿事先要经过用洗液或符合光散射实验 用的洗涤剂彻底浸泡及用过滤水冲洗。对水体系用无尘用的洗涤剂彻底浸泡及用过滤水冲洗。对水体系用无尘 水多次冲洗更是尤为重要。水多次冲洗更是尤为重要。 第20页/共54页 22 （二）溶剂净化（二）溶剂净化 光散射测量依赖于高聚物与溶剂折光指数差，差异光散射测量依赖于高聚物与溶剂折光指数差，差异 越大（反应到折光指数增量大），测量精度越高。越大（反应到折光指数增量大），测量精度越高。 对大多数合成高聚物，这些参数在高聚物手册等书对大多数合成高聚物，这些参数在高聚物手册等

16、书 中可查到，因而一般可找到适合的高聚物溶剂体系。中可查到，因而一般可找到适合的高聚物溶剂体系。 这些溶剂的纯度检测按常规有机化学方法，而纯溶剂的这些溶剂的纯度检测按常规有机化学方法，而纯溶剂的 光学净化则是光散射实验的特殊要求。光学净化则是光散射实验的特殊要求。 第21页/共54页 23 （三）溶液制备及净化（三）溶液制备及净化 在溶液制备中要视不同高聚物溶剂体系而采取相应在溶液制备中要视不同高聚物溶剂体系而采取相应 措施以制得性能稳定、符合光散射实验要求的溶液。第二措施以制得性能稳定、符合光散射实验要求的溶液。第二 步则是光学净化，这个工作比溶剂除尘要困难的多，因为步则是光学净化，这个工作

17、比溶剂除尘要困难的多，因为 要做到既除去较大的尘粒又不影响溶液里的高分子。目前要做到既除去较大的尘粒又不影响溶液里的高分子。目前 采用的方法主要是过滤和超速离心沉降。采用的方法主要是过滤和超速离心沉降。 溶液的光学净化主要是除去在制备过程中引入的灰溶液的光学净化主要是除去在制备过程中引入的灰 尘、纤维状物以及其他的粒子。现在最常用的过滤装置是尘、纤维状物以及其他的粒子。现在最常用的过滤装置是 筛网状过滤器，它有惰性聚合材料制成细孔状筛网，根据筛网状过滤器，它有惰性聚合材料制成细孔状筛网，根据 溶质尺寸选用，合适的孔径尺寸仅允许高聚物分子顺利通溶质尺寸选用，合适的孔径尺寸仅允许高聚物分子顺利通

18、过。过。 用离心沉降法除尘时，一般在每分钟用离心沉降法除尘时，一般在每分钟1000020000 转的离心机内旋转数十分钟到几个小时，这要视溶液的粘转的离心机内旋转数十分钟到几个小时，这要视溶液的粘 度等情况而定，然后用移液管吸出中层清澈的液体。度等情况而定，然后用移液管吸出中层清澈的液体。 第22页/共54页 24 三三 、光散射仪器结构和、光散射仪器结构和X X光散射实验原理光散射实验原理 （一）（一）激光散射仪器的结构激光散射仪器的结构 1 1广角激光散射光度计广角激光散射光度计 激光散射光度计可组成既能用于溶液弹性光散射，激光散射光度计可组成既能用于溶液弹性光散射， 又能用于准弹性光散射

19、的仪器，后者对仪器要求更高。又能用于准弹性光散射的仪器，后者对仪器要求更高。 图图10-1010-10是简单的结构示意图，可在是简单的结构示意图，可在3030o o-140-140o o范围测定散范围测定散 射光强角度分布。样品约射光强角度分布。样品约1 1毫升，采用模拟或光子计数法毫升，采用模拟或光子计数法 测量散射光强。测量散射光强。 第23页/共54页 25 2小角激光散射光度计小角激光散射光度计 图图10-11是小角激光散射光度计的光路图。散射角是小角激光散射光度计的光路图。散射角的的 大小由环形光栏的半径及其距散射池心的距离所决定，大小由环形光栏的半径及其距散射池心的距离所决定，E

20、是散射池，池体厚一般为是散射池，池体厚一般为15mm，散射池体积约，散射池体积约0.5 mm ，视场光，视场光阑阑约约0.5 mm，散射角，散射角2o7o，约约1o。一般仅。一般仅 测定一个角的散射光强，改变测定角度需重新调整环形光测定一个角的散射光强，改变测定角度需重新调整环形光 阑阑的半径，测定前先测定仪器常数，然再测定样品相对分的半径，测定前先测定仪器常数，然再测定样品相对分 子质量。子质量。 第24页/共54页 26 （二）光散射实验技术及小角（二）光散射实验技术及小角X射线散射法原理射线散射法原理 1光散射实验技术光散射实验技术 光散射实验就是用光散射法测定高聚物相对分子质光散射实验

21、就是用光散射法测定高聚物相对分子质 量和分子尺寸等的实验，主要是在恒温下测定溶液折光指量和分子尺寸等的实验，主要是在恒温下测定溶液折光指 数的浓度依赖性数的浓度依赖性dn/dc(折光指数增量折光指数增量)值和由溶液、溶剂及值和由溶液、溶剂及 苯的散射强度角度依赖性数据而得到瑞利比苯的散射强度角度依赖性数据而得到瑞利比R（）。）。 因为光学常数因为光学常数H与与dn/dc的平方成正比，所以此值的准的平方成正比，所以此值的准 确测定十分重要，一般用示差折光仪测定。确测定十分重要，一般用示差折光仪测定。 dn/dc值一般在高聚物手册中可以查到，所以除特殊值一般在高聚物手册中可以查到，所以除特殊 需要

22、外不必自己测定。需要外不必自己测定。 瑞利比瑞利比R（）的测定是根据式）的测定是根据式(10-15)定义的定义的 . 第25页/共54页 27 2小角小角X射线散射法基本原理射线散射法基本原理 在结晶高聚物研究中，常常要求测定范围在几纳米在结晶高聚物研究中，常常要求测定范围在几纳米 到几十纳米的长周期，因此只有将测定角度缩小到小角到几十纳米的长周期，因此只有将测定角度缩小到小角 范围（范围（1 2）以内才能测定衍射强度或记录衍射花）以内才能测定衍射强度或记录衍射花 样，在这样的角度范围内测定，在实验上是很困难的。样，在这样的角度范围内测定，在实验上是很困难的。 如图如图10-12是大角是大角X

23、射线衍射与小角射线衍射与小角X射线衍射距离差异射线衍射距离差异 示意图。示意图。 第26页/共54页 28 第三节第三节 小角激光和小角小角激光和小角X X射线散射技术射线散射技术 一、一、小角激光散射小角激光散射仪仪( (SALS)工作原理和实验技术工作原理和实验技术 （一）基本原理（一）基本原理 小角激光散射小角激光散射(SALS)方法所用的仪器装置通常由光方法所用的仪器装置通常由光 源、偏振系统、样品台和记录系统组成（图源、偏振系统、样品台和记录系统组成（图10-13）。目）。目 前一般采用激光器做光源，例如小型的氦氖气体激光器前一般采用激光器做光源，例如小型的氦氖气体激光器 （6328

24、）即可适用。可采用偏振片作起偏镜和检偏镜。）即可适用。可采用偏振片作起偏镜和检偏镜。 第27页/共54页 29 在在SALS研究中，人们广泛地采用照相方式来记录研究中，人们广泛地采用照相方式来记录 散射图像。散射图像。这一方法的优点是设备很简单这一方法的优点是设备很简单，只要在记录，只要在记录 部位放上照相机（暗盒架）即可工作。由于激光光源的部位放上照相机（暗盒架）即可工作。由于激光光源的 光强很大，所以曝光时间很短，通常少于光强很大，所以曝光时间很短，通常少于1s。若能采用。若能采用 一次成像片（一次成像片（Polaroid片）记录，则半分钟内就可看到片）记录，则半分钟内就可看到 结果。照相

25、法的结果。照相法的另一个优点是一次就可以得到散射图像另一个优点是一次就可以得到散射图像 的全貌，这一点对散射图像并非圆对称的样品尤为重要的全貌，这一点对散射图像并非圆对称的样品尤为重要 。 照相记录法的缺点是灵敏度较低，不易得到较精确照相记录法的缺点是灵敏度较低，不易得到较精确 的光强数据以作定量研究。的光强数据以作定量研究。 光电记录方法在这方面有它的优点，但它的设备不光电记录方法在这方面有它的优点，但它的设备不 如照相法简单，另外也不便于很快获得散射图像的全貌如照相法简单，另外也不便于很快获得散射图像的全貌 ，因此两种方法是互相补充的，应根据需要选用。因此两种方法是互相补充的，应根据需要选

26、用。 第28页/共54页 30 （二）实验技术（二）实验技术 1 1 样品制备样品制备 一般说来，薄膜状样品是可用于光散射研究的。但一般说来，薄膜状样品是可用于光散射研究的。但 制备合适的样品，对得到好的实验效果还是十分重要的制备合适的样品，对得到好的实验效果还是十分重要的 。首先，样品的厚薄是要注意的。厚薄的选择要根据样。首先，样品的厚薄是要注意的。厚薄的选择要根据样 品的透明程度，一般认为样品的透光度应在品的透明程度，一般认为样品的透光度应在80以上为以上为 宜。样品太厚时，不只透过光和散射光太弱，而且由于宜。样品太厚时，不只透过光和散射光太弱，而且由于 多次散射现象（多次散射现象（Mul

27、tiplescattering），散射图像会变的），散射图像会变的 弥散而不利于分析研究。弥散而不利于分析研究。 第29页/共54页 31 为了获得清晰的图像，试样的表面应尽量平整。若为了获得清晰的图像，试样的表面应尽量平整。若 有表面散射干扰测量效果时，可选用与试样具有相近折有表面散射干扰测量效果时，可选用与试样具有相近折 射率的浸渍液滴加在试样表面上，也可用两盖玻片把涂射率的浸渍液滴加在试样表面上，也可用两盖玻片把涂 有浸渍液的试样夹在中间。试样在浸渍液中应不溶解和有浸渍液的试样夹在中间。试样在浸渍液中应不溶解和 不溶胀。常用的有硅油、香柏油等。不溶胀。常用的有硅油、香柏油等。 在研究纤维

28、样品时，纤维应尽可能平行排列。在研究纤维样品时，纤维应尽可能平行排列。 此外，一定要用渍液消除表面散射的干扰。此外，一定要用渍液消除表面散射的干扰。 第30页/共54页 32 2 2图像的斑点性（图像的斑点性（Speckled appearanceSpeckled appearance） 在在SALSSALS实验中有时会发现散射图像是由许多斑点组实验中有时会发现散射图像是由许多斑点组 成的。当斑点粗大时，图像的质量就变的很差，难以从成的。当斑点粗大时，图像的质量就变的很差，难以从 中取得合理的数据。中取得合理的数据。 对球晶散射的理论分析表明，不同球晶的散射之间对球晶散射的理论分析表明，不同球

29、晶的散射之间 的干涉现象会引起图像呈现斑点性。的干涉现象会引起图像呈现斑点性。这时散射光强中除这时散射光强中除 有反映单个球晶的散射项外，还有包括了反映球晶间干有反映单个球晶的散射项外，还有包括了反映球晶间干 涉的所谓交错项，后者对光强度的分布起到调制作用。涉的所谓交错项，后者对光强度的分布起到调制作用。 这种作用在球晶数量不大时特别明显。这种作用在球晶数量不大时特别明显。 第31页/共54页 33 3.3.双折射效应对散射的影响双折射效应对散射的影响 当样品存在宏观取向时，样品和偏振系统的相对取当样品存在宏观取向时，样品和偏振系统的相对取 向对散射图像会有很大影响。向对散射图像会有很大影响。

30、 对球晶的研究表明，当球晶处于一个均匀的单轴取对球晶的研究表明，当球晶处于一个均匀的单轴取 向的介质中时，若让其取向方向与偏振镜方向成向的介质中时，若让其取向方向与偏振镜方向成45o夹角夹角 ，则双折射效应的影响最大。不只是强度值有影响，散，则双折射效应的影响最大。不只是强度值有影响，散 射图形也会随双折射量的增加而明显变化。射图形也会随双折射量的增加而明显变化。 Motegi等的分析表明，若在观察时使取向方向与偏等的分析表明，若在观察时使取向方向与偏 振镜的方向成振镜的方向成0o或或90o夹角，则双折射的影响会减少到可夹角，则双折射的影响会减少到可 以不计的程度。在一般的光散射理论处理中均不

31、考虑双以不计的程度。在一般的光散射理论处理中均不考虑双 折射效应的影响，因此在研究取向样品时需要转动样品折射效应的影响，因此在研究取向样品时需要转动样品 使其光轴方向和入射光的偏振方向平行或垂直，以消除使其光轴方向和入射光的偏振方向平行或垂直，以消除 双折射的影响。双折射的影响。 第32页/共54页 34 4. 4. 散射角的测定和修正散射角的测定和修正 散射角是散射测量中最基本的参数之一。散射角是散射测量中最基本的参数之一。 在照相法中一般采用平板式相机。散射角是通过测在照相法中一般采用平板式相机。散射角是通过测 定观测点到入射光中心斑点的距离和样品底片间距离来定观测点到入射光中心斑点的距离

32、和样品底片间距离来 计算的。在原理类似的光电记录设备上角度测定的方法计算的。在原理类似的光电记录设备上角度测定的方法 是相同的。是相同的。 由于实际操作中样品到检测面的垂直距离有时不易由于实际操作中样品到检测面的垂直距离有时不易 测准，因此为了得到散射角的数值，也常用标准样品标测准，因此为了得到散射角的数值，也常用标准样品标 定的办法。定的办法。 第33页/共54页 35 5. 5. 散射强度的测定散射强度的测定 不管是进行理论的检验还是表征试样的内部结构状况不管是进行理论的检验还是表征试样的内部结构状况 ，准确地得到真正的散射强度数据是十分重要的。，准确地得到真正的散射强度数据是十分重要的。

33、 第34页/共54页 36 二、小角二、小角X X射线散射法（射线散射法（SAXSSAXS）仪器准直系统）仪器准直系统 （一）针孔准直系统（一）针孔准直系统 1984年纪尼叶（年纪尼叶（Guinier）首先用弯曲晶体将射线）首先用弯曲晶体将射线 集束（如图集束（如图10-26），然后通过针孔光栅。针孔准直系统），然后通过针孔光栅。针孔准直系统 结合照相法能获得及变小的完全的小角散射花样，这对结合照相法能获得及变小的完全的小角散射花样，这对 研究取向样品特别有用，但主要缺点是散射强度非常弱研究取向样品特别有用，但主要缺点是散射强度非常弱 ，曝光时间长达几天。，曝光时间长达几天。 第35页/共54

34、页 37 图10-27 克拉特相机的基本原理 （二）缝准直系统（二）缝准直系统 对因狭缝引起的对因狭缝引起的“失真失真”或或“模糊模糊”的数据进行校的数据进行校 正，通常有两种方法，一是数学校准；另一种方法是使用正，通常有两种方法，一是数学校准；另一种方法是使用 足够长的狭缝，再使用无限长狭缝理论作分析，后一种方足够长的狭缝，再使用无限长狭缝理论作分析，后一种方 法较为常用。法较为常用。 克拉特凯（克拉特凯（Kratky）相机是常见的小角散射相机，基）相机是常见的小角散射相机，基 本原理如图本原理如图10-27所示。该相机的设计可有效防止在狭缝所示。该相机的设计可有效防止在狭缝 处产生的次级处

35、产生的次级X射线源的照射，射线源的照射，2分辨率可达分辨率可达0.05。常用。常用 来记录小角散射的方法有照相法和计数器法。来记录小角散射的方法有照相法和计数器法。 第36页/共54页 38 第四节第四节 小角激光光散射和小角小角激光光散射和小角X射线散射方法射线散射方法 的应用及进展的应用及进展 一、高分子材料的一、高分子材料的SALS分析分析 （一）正交场中（一）正交场中（Hv）材料结构的综合分析）材料结构的综合分析 激光散射技术是亚微观水平上材料的结构的敏感探激光散射技术是亚微观水平上材料的结构的敏感探 针。由于实验是散射图形、散射强度，借光散射理论的分针。由于实验是散射图形、散射强度，

36、借光散射理论的分 析就可以得到关于材料聚集态结构的丰富信息。析就可以得到关于材料聚集态结构的丰富信息。 例如，若将一未知聚集态结构的薄膜样品，置于例如，若将一未知聚集态结构的薄膜样品，置于 SALS仪是正交场中，则可根据其散射行为进行判断材料仪是正交场中，则可根据其散射行为进行判断材料 结构：结构： 第37页/共54页 39 1. I IHvHv0 0 若若I IVvVv也为零，即在入射光方向以外没有散射光，也为零，即在入射光方向以外没有散射光， 只有各向同性而且结构均匀的材料才可能出现这种情况只有各向同性而且结构均匀的材料才可能出现这种情况 。实际上，这是一种理想的情况，一般几乎不太可能得。

37、实际上，这是一种理想的情况，一般几乎不太可能得 到这种绝对均匀的材料，这种非均匀性至少由密度的波到这种绝对均匀的材料，这种非均匀性至少由密度的波 动引起。动引起。 无定型高分子材料往往具有这种特性。因此，只要无定型高分子材料往往具有这种特性。因此，只要 用用SALS方法检测就很容易判明材料的结构类型，与其方法检测就很容易判明材料的结构类型，与其 他方法相比，确实形象、迅速、准确。他方法相比，确实形象、迅速、准确。 第38页/共54页 40 2. I2. IHv Hv0 0 按照定性分析，材料一定为各向异性的。倘若此时材按照定性分析，材料一定为各向异性的。倘若此时材 料结构的有序性差，则料结构的

38、有序性差，则Hv散射不出典型的散射图形，这时散射不出典型的散射图形，这时 宜用德拜比谢的非均匀固体光散射理论来定量描述材料宜用德拜比谢的非均匀固体光散射理论来定量描述材料 的非均匀性，借该材料散射强度的角度依赖性而找到表征的非均匀性，借该材料散射强度的角度依赖性而找到表征 性能的参数性能的参数ac（相关距离）及（相关距离）及2（均方介电常数波动）。（均方介电常数波动）。 如果材料的性能随温度、时间等变化，就可用此技术如果材料的性能随温度、时间等变化，就可用此技术 跟踪散射行为，得到材料性能变化的动力学过程信息，为跟踪散射行为，得到材料性能变化的动力学过程信息，为 定量表征高分子聚合反应过程奠定

39、基础。定量表征高分子聚合反应过程奠定基础。 对这类有序性差的高分子材料，还可借各向异性体系对这类有序性差的高分子材料，还可借各向异性体系 光散射理论，根据散射图形的形状、散射强度对散射角光散射理论，根据散射图形的形状、散射强度对散射角 、样品方位角、样品方位角及倾斜角及倾斜角的依赖关系来判别其取向状况的依赖关系来判别其取向状况 。 第39页/共54页 41 3. I IHvHv0 且出现典型的光散射理论来解释及处理试验结果。且出现典型的光散射理论来解释及处理试验结果。 若为四叶瓣图形，则表明有球晶结构；若四叶瓣向赤道方若为四叶瓣图形，则表明有球晶结构；若四叶瓣向赤道方 向发展，则表明在铅直方向

40、有拉伸；若四叶瓣逐渐远离赤向发展，则表明在铅直方向有拉伸；若四叶瓣逐渐远离赤 道方向，向图形方向发展，则为双轴拉伸。道方向，向图形方向发展，则为双轴拉伸。 若若Hv散射图形为散射图形为“”字形，强度随字形，强度随角增大而单调角增大而单调 下降，则表明有棒状晶体结构存在，随拉伸其散射图形也下降，则表明有棒状晶体结构存在，随拉伸其散射图形也 发生类似于球晶变形时散射图形的变化发生类似于球晶变形时散射图形的变化,对各向同性的模型对各向同性的模型 可用来描述溶液中的光散射现象，主要用来测定分子的尺可用来描述溶液中的光散射现象，主要用来测定分子的尺 寸。寸。 若散射图形是几种图形的叠加或在大、小散射角时

41、若散射图形是几种图形的叠加或在大、小散射角时 有明显的散射行为差异，则表明体系是处在多种结构形式有明显的散射行为差异，则表明体系是处在多种结构形式 共存的复杂聚集状态或有环状球晶存在等，这时对结构的共存的复杂聚集状态或有环状球晶存在等，这时对结构的 判定要更加仔细。判定要更加仔细。 第40页/共54页 42 (二二) 对球晶行为的研究对球晶行为的研究 1. 球晶生长动力学的测定球晶生长动力学的测定 散射图形与球晶尺寸间的倒易关系，所以在结晶的散射图形与球晶尺寸间的倒易关系，所以在结晶的 早期阶段，散射图形尺寸很大（但强度很低），随球晶早期阶段，散射图形尺寸很大（但强度很低），随球晶 长大，散射

42、图形尺寸减小，强度增大。长大，散射图形尺寸减小，强度增大。 只要样品到照相记录底片之间的距离足够小，以至只要样品到照相记录底片之间的距离足够小，以至 于可记录下大角的散射图形，以及足够长的曝光时间以于可记录下大角的散射图形，以及足够长的曝光时间以 记录下弱的散射图形，该方法就很适于早期结晶过程的记录下弱的散射图形，该方法就很适于早期结晶过程的 研究。研究。 第41页/共54页 43 a b c d e f g h 图10-29 PET熔体110度等温结晶Hv系列照相图片 球晶半径 5 4 3 2 1 图10-30 PET在100度下结晶过程中球晶半径与时间的关系 第42页/共54页 44 2

43、2V Vv v散射图形的应用散射图形的应用 在在SALSSALS技术发展过程中，主要集中在开发技术发展过程中，主要集中在开发H Hv v图形图形 的应用，对的应用，对V Vv v散射的应用比较忽视，而这个领域也是散射的应用比较忽视，而这个领域也是 有开发前景的，例如，研究球晶结晶过程有开发前景的，例如，研究球晶结晶过程V Vv v图形的变图形的变 化也可得到丰富的结构信息等。化也可得到丰富的结构信息等。 SALS技术中技术中Vv图形的一个有特色的用途是测定图形的一个有特色的用途是测定 球晶的光学符号，即是正性还是负性。球晶的光学符号，即是正性还是负性。尤其对那些很尤其对那些很 小的球晶，光学显

44、微镜就不便于应用。其它技术，如小的球晶，光学显微镜就不便于应用。其它技术，如 电子显微镜，尽管可以检测在此尺寸范围内的球晶，电子显微镜，尽管可以检测在此尺寸范围内的球晶， 但也不能鉴定光学参数。因此但也不能鉴定光学参数。因此SALS在此成为独特的研在此成为独特的研 究手段。究手段。 第43页/共54页 45 3 3高分子液晶结构的解析高分子液晶结构的解析 斯坦等曾用小角光散射方法研究小分子液晶在升温斯坦等曾用小角光散射方法研究小分子液晶在升温 过程中由近晶型到胆甾型的中介相转变形象。他们发现，过程中由近晶型到胆甾型的中介相转变形象。他们发现， 由于分子有序程度的差别，近晶型和胆甾型液晶给出完全

45、由于分子有序程度的差别，近晶型和胆甾型液晶给出完全 不同的小角光散射不同的小角光散射H Hv v特征图形：近晶型液晶特征图形：近晶型液晶H Hv v光散射为一光散射为一 个圆对称图形，胆甾型液晶个圆对称图形，胆甾型液晶H Hv v图形为四叶瓣。因此，小角图形为四叶瓣。因此，小角 光散射可以作为判别液晶中介相类别的有力工具。光散射可以作为判别液晶中介相类别的有力工具。 实验证明，向列型和近晶型液晶具有这种散射图形实验证明，向列型和近晶型液晶具有这种散射图形 ，再结合偏光显微镜观察，可将这两种液晶类型区分开。，再结合偏光显微镜观察，可将这两种液晶类型区分开。 另外，若属于非无规取向相关，上述光轴平

46、行的概另外，若属于非无规取向相关，上述光轴平行的概 率还与率还与角有关，其角有关，其Hv图形类似于球晶的四叶瓣形状，图形类似于球晶的四叶瓣形状， Vv图形为哑铃型，胆甾型液晶具有这种散射图形。液晶图形为哑铃型，胆甾型液晶具有这种散射图形。液晶 的光散射理论在高分子液晶的表征中也同样适用。的光散射理论在高分子液晶的表征中也同样适用。 第44页/共54页 46 PPTA液晶在升温过程中光散射液晶在升温过程中光散射Hv图样的变化如图样的变化如 图图10-33所示。所示。 图图10-33 聚对苯撑对苯二甲酰胺（聚对苯撑对苯二甲酰胺（PPTA)液晶在升温过程中小角光散射液晶在升温过程中小角光散射Hv图图

47、 像的变化像的变化 第45页/共54页 47 4网状高分子材料结构的剖析网状高分子材料结构的剖析 （1 1）网状高分子材料结构非均匀性的表征）网状高分子材料结构非均匀性的表征 网状高分子材料结构的非均匀性表征有两种方法：网状高分子材料结构的非均匀性表征有两种方法： 一是可按前述德拜比谢的相关函数方法处理，经实验一是可按前述德拜比谢的相关函数方法处理，经实验 得到描述非均匀区域大小的相关概率得到描述非均匀区域大小的相关概率ac及表征非均匀涨及表征非均匀涨 落幅度的均方介电常数波动落幅度的均方介电常数波动2两个基本参数，然后与前两个基本参数，然后与前 相同，以这两个参数来定量表征体系的非均匀性状况

48、。相同，以这两个参数来定量表征体系的非均匀性状况。 二是可用激光散射技术，以非无规指数大小来定量描述二是可用激光散射技术，以非无规指数大小来定量描述 交联网络在空间分布的非均匀。交联网络在空间分布的非均匀。 第46页/共54页 48 当网状的分布是非无规时，干态交联在空间的变化当网状的分布是非无规时，干态交联在空间的变化 应该导致溶胀情况在空间更大的变化，因此，溶胀样品应该导致溶胀情况在空间更大的变化，因此，溶胀样品 的光散射就应该较干态的这种样品的光散射更为明显。的光散射就应该较干态的这种样品的光散射更为明显。 所以，由稀释剂溶胀的网状高分子所显示的光散射强弱所以，由稀释剂溶胀的网状高分子所

49、显示的光散射强弱 可以量度这种非无规交联在空间分布的非均匀程度，具可以量度这种非无规交联在空间分布的非均匀程度，具 体方法是以非无规指数体方法是以非无规指数NRI（Non Randomness Index ）来定量表征。其定义是）来定量表征。其定义是 NRI = RVv(0)nr/RVv(0)r 1 10-74 RVv（0）为外推零角度的瑞利比值，下标）为外推零角度的瑞利比值，下标nr表示（表示（ 非无规）实验值，非无规）实验值，r表示（无规）理论值。表示（无规）理论值。 实验所用的样品网络都是非无规分布的，而完全无实验所用的样品网络都是非无规分布的，而完全无 规分布的理想网络（即网状分布完全

50、均匀），只能由理规分布的理想网络（即网状分布完全均匀），只能由理 论计算方法得到它的瑞利比值。这样，实际样品与理想论计算方法得到它的瑞利比值。这样，实际样品与理想 样品值的差异就度量了非无规性，度量表征了交联网络样品值的差异就度量了非无规性，度量表征了交联网络 在空间分布的非均匀性。在空间分布的非均匀性。 第47页/共54页 49 （2）网状高分子有序结构及相分离的研究）网状高分子有序结构及相分离的研究 交联高分子网络除上述非均匀性外还存在更复杂的交联高分子网络除上述非均匀性外还存在更复杂的 问题，问题，例如，橡胶弹性态的实验和理论都证明，由于分例如，橡胶弹性态的实验和理论都证明，由于分 子间

51、的效应而使网络中形成有序结构。又如，在一清亮子间的效应而使网络中形成有序结构。又如，在一清亮 的聚乙烯醇的聚乙烯醇PVA溶液中只要链上有溶液中只要链上有1%交联取代功能基后交联取代功能基后 ，就变成浑浊的凝胶。借助微相分离的光散射及光弹行，就变成浑浊的凝胶。借助微相分离的光散射及光弹行 为，人们可以了解在高分子网状结构（凝胶）中微相分为，人们可以了解在高分子网状结构（凝胶）中微相分 离等结构的变化。离等结构的变化。 由由PVA在水中的低交联度（化学）和无化学交联的在水中的低交联度（化学）和无化学交联的 样品的样品的Hv散射实验发现，不论化学交联与否，都有明显散射实验发现，不论化学交联与否，都有

52、明显 的的Hv散射，这揭示网状结构中各向异性区域的存在。散射，这揭示网状结构中各向异性区域的存在。 第48页/共54页 50 5.5.粘度方程中粘度方程中k k、a a的测定的测定 用粘度法测定相对相对分子质量是一种比较简单的用粘度法测定相对相对分子质量是一种比较简单的 方法，但必须知道试样中的方法，但必须知道试样中的k k、a a值。值。常用材料的常用材料的k k、a a值值 可通过有关手册查得，但是随着大量新型高功能及性能材可通过有关手册查得，但是随着大量新型高功能及性能材 料的开发，它们的料的开发，它们的k k、a a值无法直接得到，因此必须用值无法直接得到，因此必须用k k、 a a值

53、来标定值来标定 h = k Ma 10-76 lgh = lgk + algM 10-77 图图10-38 10-38 光散射法测定聚合物的光散射法测定聚合物的k k和和a a 聚合物的聚合物的a值一般在值一般在0.50.8之间，所以聚合物的重均之间，所以聚合物的重均 相对分子质量与粘均相对分子质量相近。利用式相对分子质量与粘均相对分子质量相近。利用式10-77作图作图 可以得到一条直线，外推直线的截距得到可以得到一条直线，外推直线的截距得到lgk和斜率和斜率a 。 第49页/共54页 51 二、小角二、小角X射线散射法的应用及进展射线散射法的应用及进展 （一）小角（一）小角X射线散射法在高聚物研究中的应用射线散射法在高聚物研究中的应用 X射线小角散射法（射线小角散射法（SAXS）能用于研究几纳米到几）能用于研究几纳米到几 十纳米的高分子结构，如晶片尺寸、长周期、溶液中聚合十纳米的高分子结构，如晶片尺寸、长周期、溶液中聚合 物分子间的回转半径、共混物和嵌段共聚物的片层结构等物分子间的回转半径、共混物和嵌段共聚物的片层结构等 。 非晶材料一般被描述为结构上均匀和各向同性的，非晶材料一般被描述为结构上均匀和各向同性的， 但在实际中应用中的许多非晶材料，并不能这样简单叙述