软物质X-射线散射基础 [Basic X-Ray Scattering for Soft Matter] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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维姆·德杰 著，李良彬，张文华，黄宁东 译

图书标签:

• X-射线散射
• 软物质
• 结构表征
• 材料科学
• 凝聚态物理
• 小角散射
• 大角散射
• 散射理论
• 实验技术
• 纳米材料

出版社： 中国科学技术大学出版社

ISBN：9787312042928

版次：1

商品编码：12203757

包装：平装

外文名称：Basic X-Ray Scattering for Soft Matter

开本：16开

出版时间：2017-08-01

用纸：胶版纸

页数：130

字数：172000

正文语种：中文

内容简介

　　《软物质X-射线散射基础》内容源自2008～2010年我在马萨诸塞大学（安姆斯特，美国）给高分子材料系一年级研究生授课的讲义。由此机缘，我发现我所知并欣赏的关于X-射线散射的优秀教材大都由物理学家编写，他们习惯于使用数学公式来让事情变得清楚。这一途径显然不能吸引我当时所教的学生。首先，他们有不同的背景，通常只具备有限的数学知识。其次，他们渴望作为一个用户更多地了解X-射线散射，但不倾向成为一个专家。在我的讲义中，我尽量去适应这几点。本讲义在各种其他机会下得到改进，特别是2011年在中国科学技术大学（合肥，中国）和2013年在莱布尼茨交互材料研究所（DWI，亚琛，德国）的授课。

作者简介

　　维姆·德杰（Wim H.de Jeu），在阿姆斯特丹的FOM研究所一直从事软物质的研究。在那里，他发展了X-射线方法，并多次将其应用在同步辐射装置上。他是埃因霍温工业大学的荣誉教授，目前受聘于德国亚琛交互材料DWI-莱布尼茨研究所。
　　
　　李良彬，人选中国科学院“百人计划”，国家自然科学基金委“国家杰出青年基金”获得者。现为中国科学技术大学国家同步辐射实验室和高分子科学与工程系双聘教授，博士生导师。先后主持国家自然科学基金委重点和国家重大科研装备项目、中国科学院重大装备研制项目、科技部“973”计划课题以及企业横向合作课题等20余项，在Macromolecules、Polymer、Soft Matter、Journal of Rheology等杂志上发表论文180余篇，申请专利近30项。主要从事同步辐射X-射线散射先进实验方法和技术的发展研究、高分子材料加工基本物理问题的原位研究，以及高性能薄膜加工成套工艺研发。2000-2003年在荷兰国家原子分子物理研究所从事博士后研究期间与原书作者Wim H.de Jeu教授有过合作：利用X-射线散射技术研究软物质的有序无序转变。本书包含了译者在其博士后期间的部分研究成果。

内页插图

目录

序言
1 引言与概论
1．1 引言
1．2 X-射线的产生
1．3 单电子散射
1．4 平面波散射
1．5 X-射线吸收
1．6 X-射线折射和反射
1．7 X-射线的相干性
1．8 X-射线、中子和光散射

2 粒子的基本散射
2．1 复杂体系的散射
2．1．1 原子、分子和晶格
2．1．2 散射几何及Ewald球
2．1．3 散射及傅里叶变换
2．2 模型散射分布的衍射
2．2．1 方波分布的衍射
2．2．2 球体的衍射
2．3 原子与分子——溶液
2．3．1 低分辨率下的粒子——形状因子
2．3．2 Guinier分析
2．3．3 Porod分析
2．4 实例研究：无相互作用粒子的SAXS建模
2．5 拓展到简单液体——结构因子

3 软物质的有序／无序
3．1 短程有序
3．2 长程有序
3．3 液晶的取向和位置有序
3．3．1 向列相
3．3．2 近晶A相
3．4 有序与维度
3．4．1 低维涨落
3．4．2 二维的两步熔融
3．5 实例研究：近晶薄膜的有序

4 衍射物理：晶体散射
4．1 晶体学原理
4．1．1 晶格种类
4．1．2 晶面与密勒指数
4．2 晶格的衍射
4．2．1 布拉格定律
4．2．2 倒易空间简介
4．2．3 晶格求和与散射条件
4．3 晶体散射的其他性质
4．3．1 Debye-Waller因子
4．3．2 镶嵌度（MosaicSpread）
4．3．3 线宽和平均畴尺寸
4．3．4 多晶衍射
4．4 实例研究：聚合物结晶
4．4．1 例子1：聚乙烯（PE）
4．4．2 例子2：等规聚丙烯（iPP）
4．4．3 结晶度
4．4．4 结晶的开始

5 X-射线散射在软物质研究中的应用
5．1 仪器、小角和宽角X-射线散射
5．2 例子
5．2．1 液晶相
5．2．2 胶体
5．2．3 两亲化合物
5．2．4 生物膜
5．2．5 嵌段共聚物
5．3 实例研究：连接多尺度——有序与窘组
5．3．1 嵌段共聚物的受限结晶
5．3．2 液晶嵌段共聚物
5．3．3 树枝状液晶

6 软物质薄膜及其表面
6．1 单个界面的反射
6．1．1 菲涅耳理论
6．1．2 实用方面：扫描、踪迹、粗糙度
6．1．3 软界面例子
6．2 多界面：软物质薄膜
6．2．1 均匀薄膜
6．2．2 多层薄膜：递归形式
6．2．3 实例一：单层氟代烷烃
6．2．4 实例二：二嵌段共聚物薄膜
6．3 掠入射衍射
6．3．1 烷烃单分子层的表面凝固
6．3．2 近晶嵌段共聚物薄膜的受控取向
6．4 实例研究：取代噻吩的单层结构

前言/序言

　　本书内容源自2008～2010年我在马萨诸塞大学（安姆斯特，美国）给高分子材料系一年级研究生授课的讲义。由此机缘，我发现我所知并欣赏的关于X-射线散射的优秀教材大都由物理学家编写，他们习惯于使用数学公式来让事情变得清楚。这一途径显然不能吸引我当时所教的学生。首先，他们有不同的背景，通常只具备有限的数学知识。其次，他们渴望作为一个用户更多地了解X-射线散射，但不倾向成为一个专家。在我的讲义中，我尽量去适应这几点。本讲义在各种其他机会下得到改进，特别是2011年在中国科学技术大学（合肥，中国）和2013年在莱布尼茨交互材料研究所（DWI，亚琛，德国）的授课。
　　在将授课笔记整理成书时，我设置了几个要求。首先，我的目标是一本尺寸有限的平装书，人们会放在手边而不是书架上。其次，我想涵盖各种各样软物质X-射线散射的例子。第三，我喜欢从而保留初始讲义中关于软物质中不同类型有序／无序的章节。显然这样的组合并不容易，尤其考虑到X-射线散射基础知识的覆盖面。我经历了极大的困难来阻止包括更多的材料，指出缺失的主题是很容易的。也许有人会觉得数学还是太多了。还有，我无意于一本X-射线散射的实用指南，而是用简单的方式解释基本原理。有了这些妥协，我相信这种类型的一本书能填补一定的空白。
　　不可避免地，很多材料来自各种资源的重复使用。通常这涉及一般的常识，不需要特定的参考文献。但我仍然要向那些可能会认出某个熟悉的语句或者一幅图片中某些方面的同行表达歉意。我建议将此当作对他们努力的一种致敬。但是，我尽量完整地确认实验数据的来源。事实上，很多的例子来源于我自己的工作。这并不是因为它们好过其他的（实验数据），而是因为我了解这些数据，所有的细节都是现成的。
　　在开始整理成书之前，D.W.L.Hukins写的《无序与有序体系的X-射线衍射》（Pergamon，1981）给予了我很多启发，特别是它展示了一本小巧的图书可以具备的价值。在另一层面，我非常感激J.Als-Nielsen和D.McMorrow写的《现代X-射线物理原理》（Wiley，2011）。在某个阶段，我知晓了D.S.Sivia写的一本简洁的书《散射理论基础》（Oxford，2011）。该书用一种可以接受的方式提供了散射所需的数学工具，这是我不想强调的。所以，《散射理论基础》一书是本书的完美搭配。
　　在写作过程中，我偶然接触到了Alfred Jensen的工作。我了解到科学给他的很多艺术提供了灵感，这也是其简图和绘画构想的重要部分。Alfred Jensen基金友好地允许我复制他的一幅绘画用于本书的封面。
　　我非常感谢Bjorn Schulte和Helene Freichels对于本书第一个完整版本的意见，以及Khosrow Rahimi对于绘制书中很多图片给予的重要帮助。最后，我想表达对Martin Moller的感激，在我正式退休之后，他提供了一个机会让我在DWI得以继续我的职业生涯。在我事业的这个阶段，我非常乐于与新一代年轻科研工作者分享我在软物质X-射线散射方面的经验。我希望并且相信这本书会以自己的方式让读者受益。

《软物质X射线散射基础》图书内容简介（不包含原书内容） 导言：探索软物质的结构与动力学 本书旨在为物理学、化学、材料科学及生物物理学领域的研究人员和研究生提供一个全面、深入的视角，聚焦于动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）技术在软物质系统研究中的应用与前沿进展。软物质，作为一个涵盖高分子溶液、胶体悬浮液、液晶、生物膜和蛋白质聚集体等复杂系统的广阔领域，其宏观性能与微观结构、动力学行为紧密相关。理解这些系统内部的结构演变和时间相关的过程，对于材料设计、药物递送和生物过程的解析至关重要。本书避开了传统X射线散射的范畴，专注于利用DLS这一互补且强大的工具，揭示软物质在溶液状态下的实时行为。 第一部分：动态光散射（DLS）的理论基石与实验原理 本书首先为读者构建理解DLS所需的坚实理论基础。我们将从散射理论的宏观视角出发，详细阐述光与物质相互作用的基本机制。重点将放在相干散射的概念，并解释为什么在研究颗粒或分子运动时，时间分辨的散射光强度起到了关键作用。 第1章：电磁波与颗粒相互作用 本章深入探讨了激光照射到软物质体系时产生的散射光场的特性。我们详细分析了瑞利散射和米氏散射的适用条件，并阐明了在软物质研究中，通常处于介于两者之间的广义散射情况下的处理方法。特别关注了极化效应和多次散射的抑制策略，这对于获取准确的单次散射信息至关重要。 第2章：散射光强度的时域统计 这是DLS理论的核心。本章详尽介绍了幅度自相关函数 $g_1(q, t)$ 和强度自相关函数 $g_2(q, t)$ 之间的数学关系，即 প্রশস্ত-Cumulus 方程。我们不仅推导了这些关系，还探讨了在不同时间尺度上，光子计数率的波动如何反映了散射粒子（如聚合物链或胶束）的布朗运动。对延迟时间 $t$ 的选择标准，以及如何在高频和低频区域获取有效数据，进行了细致的讨论。 第3章：运动学基础与扩散系数 本章将DLS的统计测量结果与微观动力学参数联系起来。重点介绍Stokes-Einstein 方程在各向同性流体中估算水动力半径的原理，并讨论了有效温度和剪切速率对扩散系数的影响。此外，我们引入了非高斯参数（NGP）的概念，用以识别和量化体系中存在的异质性运动，这在研究玻璃态转变或活性物质时尤为重要。 第二部分：DLS实验技术与数据处理的精细化 DLS的准确性高度依赖于实验设置和后续的数据分析流程。本部分提供了从仪器校准到高级反演算法的实用指南。 第4章：DLS仪器的选择与优化 本章涵盖了不同类型DLS系统的比较，包括单点DLS、多角DLS (MADLS) 和频率扫描DLS。我们详细讨论了光电倍增管（PMT）的选择、激光波长的确定以及散射角对测量结果（特别是颗粒尺寸分布的宽度）的影响。对过滤技术和样品池温度控制的精确要求，确保了测量的稳定性和可重复性。 第5章：反卷积与尺寸分布分析 采集到的强度自相关函数通常是复杂的，很少是简单的指数衰减。本章专注于反卷积技术，重点介绍非线性最小二乘法和CONTIN 算法。我们详细分析了这些方法如何从混合的衰减曲线中分离出多个独立的时间尺度，从而获得尺寸分布函数。对截断误差、正则化参数的选择以及如何识别伪分布的讨论，为读者提供了应对复杂体系的实操经验。 第6章：高阶函数与结构因子（结构信息获取） 虽然DLS主要关注动力学，但在高浓度或强相互作用体系中，静态结构因子 $S(q)$ 对DLS测量结果的影响不可忽视。本章探讨如何利用多角度测量来分离结构因子和结构因子，尤其是在确定特征相互作用长度尺度（如胶体之间的排斥距离）方面。这为读者提供了获取软物质静态结构信息的桥梁。 第三部分：软物质复杂体系的DLS应用前沿 本部分将理论与实践相结合，展示DLS在当代材料科学和生物物理学中的具体应用案例，聚焦于需要区分不同时间尺度运动的复杂体系。 第7章：聚合物溶液的构象动力学 针对高分子系统，我们详细分析了松弛模量与动态结构因子的关系。讨论了在稀溶液中测量特征弛豫时间以确定聚合物的尺寸和形状（球形、无规线团或棒状）的方法。对于半稀溶液，我们引入了模式分析来区分链间缠结（更慢的运动）和链内运动（更快的运动）。 第8章：胶体悬浮液与界面现象 本章聚焦于乳液、微乳液和稳定化颗粒。我们将DLS应用于测量胶束形成的临界浓度（CMC），并结合界面电位数据解释静电稳定化颗粒的动力学行为。特别关注软颗粒（如脂质体或水凝胶微球）的形变对扩散系数的影响，以及如何通过DLS监测颗粒的聚集或絮凝过程。 第9章：生物大分子与活性物质的流变学 在生物物理领域，DLS是研究蛋白质、核酸以及生物聚合物的有力工具。我们讨论了如何利用DLS监测蛋白质在不同pH值或盐浓度下的折叠/解折叠过程，以及寡聚体的形成。此外，本章还拓展到活性物质（如细菌群落或肌动蛋白丝网络）的研究，引入非平衡DLS（如超分辨DLS或多点DLS）来捕捉非布朗运动和长程相关性。 结论：整合视角与未来展望 本书最后总结了DLS在软物质研究中的不可替代性，强调其作为一种非侵入性、高灵敏度的时间尺度分析工具的地位。展望未来，我们将探讨DLS与其他动态技术（如小角中子散射）的结合潜力，以及在人工智能辅助下的数据分析优化方向，以期推动软物质科学更深入地理解复杂系统的动态结构。

评分☆☆☆☆☆

我花了整整一个下午试图理解书中关于结构因子 $S(q)$ 的推导过程，结果却发现，作者似乎完全跳过了关键的积分步骤，直接给出了一个复杂的傅里叶变换结果。这种处理方式对于任何一个希望掌握散射理论精髓的研究生来说，都是灾难性的。书中对结构因子的定义停留在最基础的平均密度涨落层面，完全没有触及到粒子间相互作用势对 $S(q)$ 的调制作用，更别提如何通过实验数据反演这些相互作用力了。举个例子，当我们观察到高斯峰或布拉格峰时，这本书只是简单地告诉我们“这是晶格有序性的体现”，然后就束之高阁。对于颗粒间排斥力导致的“禁止区”现象，作者的解释也过于简略，没有提供足够的案例研究来展示如何区分电荷排斥、硬球排斥或长程吸引等不同机制的散射特征。这本书更像是为那些只需要快速生成一张图表并标注“X射线散射”标签的技术员准备的，而不是为那些试图深入理解胶体系统、聚合物网络或液晶相的物理学家准备的。其理论深度，坦白地说，停留在本科二年级的水平，远未达到“基础”应有的广度和深度。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书最大的困扰在于其叙事风格的极度不平衡。一方面，它详尽地描述了不同类型X射线源（同步辐射、微焦点管源）的机械结构和冷却系统，这部分内容完全可以放在任何一本实验物理手册里，与软物质特性研究本身关联甚微。另一方面，当涉及到关键的分析技术，比如小角X射线散射（SAXS）中对拉伸、剪切等非平衡态下样品形态变化的描述时，内容却显得稀疏而跳跃。例如，关于蠕变过程中的结构演变，书中仅用了一小节的篇幅提及了时间分辨散射的重要性，但没有提供任何关于如何处理或模拟随时间变化的散射数据流的实际算法或案例。这使得我感觉自己像是被硬生生地拉去参观了一个高科技实验室的机房，而不是被引导进入一个充满物理洞见的理论殿堂。对于期望了解如何将动态过程融入静态散射框架的读者来说，这本书提供的帮助微乎其微，它更像是一本设备操作手册的附录，而非核心教材。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示质量实在令人不敢恭维。许多关键的示意图，特别是那些展示散射矢量 $q$ 与结构特征（如链段长度、层间距）关系的图例，线条模糊不清，标注的字体大小不一，有些甚至出现了重叠，根本无法清晰辨认。更别提那些本应清晰展示数据拟合过程的图形了，拟合曲线和实验点混杂在一起，根本无法判断模型拟合的优劣。在描述如何进行数据处理时，作者使用了大量的缩写，却没有在首次出现时进行充分的定义，这对于需要查阅特定技术规范的专业人士来说，造成了极大的阅读障碍。例如，当提到“Guinier近似”时，书中直接跳到了 $ln I(q)$ 的线性拟合，却未对小 $q$ 区域的物理假设进行严格的限定，这在处理具有明显“核-壳”结构或较大尺度的体系时，必然会导致错误的表征。总体而言，这本书的制作工艺与其宣称的“基础”地位极不相称，更像是一份匆忙定稿的内部讲义。

评分☆☆☆☆☆

这本所谓的“软物质X射线散射基础”读起来简直像是一本为完全没有物理背景的人准备的入门指南，但它在深入探讨X射线散射的复杂细节时，却又显得力不从心。它花费了大量的篇幅来描述如何将样品放入散射仪中，以及如何校准仪器——这些内容对于一个已经对散射理论有基本了解的科研人员来说，简直是时间的浪费。书中关于散射几何的讨论，虽然详细，却未能很好地将理论模型与实验观测结果联系起来。例如，在讨论Porod定律时，作者只是简单地引用了公式，却没有深入解释为什么在特定条件下，界面上的粗糙度会对散射曲线产生何种可量化的影响。更令人费解的是，对于动态光散射（DLS）和静态光散射（SLS）的交叉引用部分，叙述得极其含糊，仿佛作者生怕读者真的理解了这两种技术之间的内在联系。整体而言，这本书像是不同作者在不同时间拼凑而成，缺乏一个连贯的叙述主线，尤其是在处理信息熵和散射强度分布的统计力学联系时，显得尤为生硬和教条。如果你指望它能帮你解决实际的软物质表征难题，你很可能会感到失望，因为它提供的更多是操作层面的“怎么做”，而不是理论层面的“为什么是这样”。

评分☆☆☆☆☆

这本书在现代软物质研究的前沿领域，比如活性物质、高熵复杂流体或基于深度学习的结构解析方面，完全是空白。它似乎固步自封在二十世纪末期的经典理论框架内，对近年来兴起的同步辐射光源带来的高通量数据采集和计算模拟方法视而不见。当提到如何利用多尺度信息（如SAXS结合WAXS）来构建一个完整的结构模型时，作者只是泛泛而谈，没有提供任何关于如何将不同 $q$ 范围的数据在物理上无缝衔接的实用策略。更令人遗憾的是，它完全没有探讨如何利用先进的计算工具（如分子动力学模拟或蒙特卡洛方法）来生成可与X射线散射实验结果直接比较的理论结构因子。一个声称是“基础”的教材，理应包含对未来研究方向的指引，然而这本书却像是一个时间胶囊，将读者牢牢地锁在了已经成熟但已非主流的分析方法中，对于正在探索新材料和新现象的科研工作者来说，其参考价值极为有限。