軟物質X-射綫散射基礎 [Basic X-Ray Scattering for Soft Matter] 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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維姆·德傑 著，李良彬，張文華，黃寜東 譯

圖書標籤:

• X-射綫散射
• 軟物質
• 結構錶徵
• 材料科學
• 凝聚態物理
• 小角散射
• 大角散射
• 散射理論
• 實驗技術
• 納米材料

齣版社： 中國科學技術大學齣版社

ISBN：9787312042928

版次：1

商品編碼：12203757

包裝：平裝

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

開本：16開

齣版時間：2017-08-01

用紙：膠版紙

頁數：130

字數：172000

正文語種：中文

內容簡介

　　《軟物質X-射綫散射基礎》內容源自2008～2010年我在馬薩諸塞大學（安姆斯特，美國）給高分子材料係一年級研究生授課的講義。由此機緣，我發現我所知並欣賞的關於X-射綫散射的優秀教材大都由物理學傢編寫，他們習慣於使用數學公式來讓事情變得清楚。這一途徑顯然不能吸引我當時所教的學生。首先，他們有不同的背景，通常隻具備有限的數學知識。其次，他們渴望作為一個用戶更多地瞭解X-射綫散射，但不傾嚮成為一個專傢。在我的講義中，我盡量去適應這幾點。本講義在各種其他機會下得到改進，特彆是2011年在中國科學技術大學（閤肥，中國）和2013年在萊布尼茨交互材料研究所（DWI，亞琛，德國）的授課。

作者簡介

　　維姆·德傑（Wim H.de Jeu），在阿姆斯特丹的FOM研究所一直從事軟物質的研究。在那裏，他發展瞭X-射綫方法，並多次將其應用在同步輻射裝置上。他是埃因霍溫工業大學的榮譽教授，目前受聘於德國亞琛交互材料DWI-萊布尼茨研究所。
　　
　　李良彬，人選中國科學院“百人計劃”，國傢自然科學基金委“國傢傑齣青年基金”獲得者。現為中國科學技術大學國傢同步輻射實驗室和高分子科學與工程係雙聘教授，博士生導師。先後主持國傢自然科學基金委重點和國傢重大科研裝備項目、中國科學院重大裝備研製項目、科技部“973”計劃課題以及企業橫嚮閤作課題等20餘項，在Macromolecules、Polymer、Soft Matter、Journal of Rheology等雜誌上發錶論文180餘篇，申請專利近30項。主要從事同步輻射X-射綫散射先進實驗方法和技術的發展研究、高分子材料加工基本物理問題的原位研究，以及高性能薄膜加工成套工藝研發。2000-2003年在荷蘭國傢原子分子物理研究所從事博士後研究期間與原書作者Wim H.de Jeu教授有過閤作：利用X-射綫散射技術研究軟物質的有序無序轉變。本書包含瞭譯者在其博士後期間的部分研究成果。

內頁插圖

目錄

序言
1 引言與概論
1．1 引言
1．2 X-射綫的産生
1．3 單電子散射
1．4 平麵波散射
1．5 X-射綫吸收
1．6 X-射綫摺射和反射
1．7 X-射綫的相乾性
1．8 X-射綫、中子和光散射

2 粒子的基本散射
2．1 復雜體係的散射
2．1．1 原子、分子和晶格
2．1．2 散射幾何及Ewald球
2．1．3 散射及傅裏葉變換
2．2 模型散射分布的衍射
2．2．1 方波分布的衍射
2．2．2 球體的衍射
2．3 原子與分子——溶液
2．3．1 低分辨率下的粒子——形狀因子
2．3．2 Guinier分析
2．3．3 Porod分析
2．4 實例研究：無相互作用粒子的SAXS建模
2．5 拓展到簡單液體——結構因子

3 軟物質的有序／無序
3．1 短程有序
3．2 長程有序
3．3 液晶的取嚮和位置有序
3．3．1 嚮列相
3．3．2 近晶A相
3．4 有序與維度
3．4．1 低維漲落
3．4．2 二維的兩步熔融
3．5 實例研究：近晶薄膜的有序

4 衍射物理：晶體散射
4．1 晶體學原理
4．1．1 晶格種類
4．1．2 晶麵與密勒指數
4．2 晶格的衍射
4．2．1 布拉格定律
4．2．2 倒易空間簡介
4．2．3 晶格求和與散射條件
4．3 晶體散射的其他性質
4．3．1 Debye-Waller因子
4．3．2 鑲嵌度（MosaicSpread）
4．3．3 綫寬和平均疇尺寸
4．3．4 多晶衍射
4．4 實例研究：聚閤物結晶
4．4．1 例子1：聚乙烯（PE）
4．4．2 例子2：等規聚丙烯（iPP）
4．4．3 結晶度
4．4．4 結晶的開始

5 X-射綫散射在軟物質研究中的應用
5．1 儀器、小角和寬角X-射綫散射
5．2 例子
5．2．1 液晶相
5．2．2 膠體
5．2．3 兩親化閤物
5．2．4 生物膜
5．2．5 嵌段共聚物
5．3 實例研究：連接多尺度——有序與窘組
5．3．1 嵌段共聚物的受限結晶
5．3．2 液晶嵌段共聚物
5．3．3 樹枝狀液晶

6 軟物質薄膜及其錶麵
6．1 單個界麵的反射
6．1．1 菲涅耳理論
6．1．2 實用方麵：掃描、蹤跡、粗糙度
6．1．3 軟界麵例子
6．2 多界麵：軟物質薄膜
6．2．1 均勻薄膜
6．2．2 多層薄膜：遞歸形式
6．2．3 實例一：單層氟代烷烴
6．2．4 實例二：二嵌段共聚物薄膜
6．3 掠入射衍射
6．3．1 烷烴單分子層的錶麵凝固
6．3．2 近晶嵌段共聚物薄膜的受控取嚮
6．4 實例研究：取代噻吩的單層結構

前言/序言

　　本書內容源自2008～2010年我在馬薩諸塞大學（安姆斯特，美國）給高分子材料係一年級研究生授課的講義。由此機緣，我發現我所知並欣賞的關於X-射綫散射的優秀教材大都由物理學傢編寫，他們習慣於使用數學公式來讓事情變得清楚。這一途徑顯然不能吸引我當時所教的學生。首先，他們有不同的背景，通常隻具備有限的數學知識。其次，他們渴望作為一個用戶更多地瞭解X-射綫散射，但不傾嚮成為一個專傢。在我的講義中，我盡量去適應這幾點。本講義在各種其他機會下得到改進，特彆是2011年在中國科學技術大學（閤肥，中國）和2013年在萊布尼茨交互材料研究所（DWI，亞琛，德國）的授課。
　　在將授課筆記整理成書時，我設置瞭幾個要求。首先，我的目標是一本尺寸有限的平裝書，人們會放在手邊而不是書架上。其次，我想涵蓋各種各樣軟物質X-射綫散射的例子。第三，我喜歡從而保留初始講義中關於軟物質中不同類型有序／無序的章節。顯然這樣的組閤並不容易，尤其考慮到X-射綫散射基礎知識的覆蓋麵。我經曆瞭極大的睏難來阻止包括更多的材料，指齣缺失的主題是很容易的。也許有人會覺得數學還是太多瞭。還有，我無意於一本X-射綫散射的實用指南，而是用簡單的方式解釋基本原理。有瞭這些妥協，我相信這種類型的一本書能填補一定的空白。
　　不可避免地，很多材料來自各種資源的重復使用。通常這涉及一般的常識，不需要特定的參考文獻。但我仍然要嚮那些可能會認齣某個熟悉的語句或者一幅圖片中某些方麵的同行錶達歉意。我建議將此當作對他們努力的一種緻敬。但是，我盡量完整地確認實驗數據的來源。事實上，很多的例子來源於我自己的工作。這並不是因為它們好過其他的（實驗數據），而是因為我瞭解這些數據，所有的細節都是現成的。
　　在開始整理成書之前，D.W.L.Hukins寫的《無序與有序體係的X-射綫衍射》（Pergamon，1981）給予瞭我很多啓發，特彆是它展示瞭一本小巧的圖書可以具備的價值。在另一層麵，我非常感激J.Als-Nielsen和D.McMorrow寫的《現代X-射綫物理原理》（Wiley，2011）。在某個階段，我知曉瞭D.S.Sivia寫的一本簡潔的書《散射理論基礎》（Oxford，2011）。該書用一種可以接受的方式提供瞭散射所需的數學工具，這是我不想強調的。所以，《散射理論基礎》一書是本書的完美搭配。
　　在寫作過程中，我偶然接觸到瞭Alfred Jensen的工作。我瞭解到科學給他的很多藝術提供瞭靈感，這也是其簡圖和繪畫構想的重要部分。Alfred Jensen基金友好地允許我復製他的一幅繪畫用於本書的封麵。
　　我非常感謝Bjorn Schulte和Helene Freichels對於本書第一個完整版本的意見，以及Khosrow Rahimi對於繪製書中很多圖片給予的重要幫助。最後，我想錶達對Martin Moller的感激，在我正式退休之後，他提供瞭一個機會讓我在DWI得以繼續我的職業生涯。在我事業的這個階段，我非常樂於與新一代年輕科研工作者分享我在軟物質X-射綫散射方麵的經驗。我希望並且相信這本書會以自己的方式讓讀者受益。

《軟物質X射綫散射基礎》圖書內容簡介（不包含原書內容） 導言：探索軟物質的結構與動力學 本書旨在為物理學、化學、材料科學及生物物理學領域的研究人員和研究生提供一個全麵、深入的視角，聚焦於動態光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）技術在軟物質係統研究中的應用與前沿進展。軟物質，作為一個涵蓋高分子溶液、膠體懸浮液、液晶、生物膜和蛋白質聚集體等復雜係統的廣闊領域，其宏觀性能與微觀結構、動力學行為緊密相關。理解這些係統內部的結構演變和時間相關的過程，對於材料設計、藥物遞送和生物過程的解析至關重要。本書避開瞭傳統X射綫散射的範疇，專注於利用DLS這一互補且強大的工具，揭示軟物質在溶液狀態下的實時行為。 第一部分：動態光散射（DLS）的理論基石與實驗原理 本書首先為讀者構建理解DLS所需的堅實理論基礎。我們將從散射理論的宏觀視角齣發，詳細闡述光與物質相互作用的基本機製。重點將放在相乾散射的概念，並解釋為什麼在研究顆粒或分子運動時，時間分辨的散射光強度起到瞭關鍵作用。 第1章：電磁波與顆粒相互作用 本章深入探討瞭激光照射到軟物質體係時産生的散射光場的特性。我們詳細分析瞭瑞利散射和米氏散射的適用條件，並闡明瞭在軟物質研究中，通常處於介於兩者之間的廣義散射情況下的處理方法。特彆關注瞭極化效應和多次散射的抑製策略，這對於獲取準確的單次散射信息至關重要。 第2章：散射光強度的時域統計 這是DLS理論的核心。本章詳盡介紹瞭幅度自相關函數 $g_1(q, t)$ 和強度自相關函數 $g_2(q, t)$ 之間的數學關係，即 প্রশস্ত-Cumulus 方程。我們不僅推導瞭這些關係，還探討瞭在不同時間尺度上，光子計數率的波動如何反映瞭散射粒子（如聚閤物鏈或膠束）的布朗運動。對延遲時間 $t$ 的選擇標準，以及如何在高頻和低頻區域獲取有效數據，進行瞭細緻的討論。 第3章：運動學基礎與擴散係數 本章將DLS的統計測量結果與微觀動力學參數聯係起來。重點介紹Stokes-Einstein 方程在各嚮同性流體中估算水動力半徑的原理，並討論瞭有效溫度和剪切速率對擴散係數的影響。此外，我們引入瞭非高斯參數（NGP）的概念，用以識彆和量化體係中存在的異質性運動，這在研究玻璃態轉變或活性物質時尤為重要。 第二部分：DLS實驗技術與數據處理的精細化 DLS的準確性高度依賴於實驗設置和後續的數據分析流程。本部分提供瞭從儀器校準到高級反演算法的實用指南。 第4章：DLS儀器的選擇與優化 本章涵蓋瞭不同類型DLS係統的比較，包括單點DLS、多角DLS (MADLS) 和頻率掃描DLS。我們詳細討論瞭光電倍增管（PMT）的選擇、激光波長的確定以及散射角對測量結果（特彆是顆粒尺寸分布的寬度）的影響。對過濾技術和樣品池溫度控製的精確要求，確保瞭測量的穩定性和可重復性。 第5章：反捲積與尺寸分布分析 采集到的強度自相關函數通常是復雜的，很少是簡單的指數衰減。本章專注於反捲積技術，重點介紹非綫性最小二乘法和CONTIN 算法。我們詳細分析瞭這些方法如何從混閤的衰減麯綫中分離齣多個獨立的時間尺度，從而獲得尺寸分布函數。對截斷誤差、正則化參數的選擇以及如何識彆僞分布的討論，為讀者提供瞭應對復雜體係的實操經驗。 第6章：高階函數與結構因子（結構信息獲取） 雖然DLS主要關注動力學，但在高濃度或強相互作用體係中，靜態結構因子 $S(q)$ 對DLS測量結果的影響不可忽視。本章探討如何利用多角度測量來分離結構因子和結構因子，尤其是在確定特徵相互作用長度尺度（如膠體之間的排斥距離）方麵。這為讀者提供瞭獲取軟物質靜態結構信息的橋梁。 第三部分：軟物質復雜體係的DLS應用前沿 本部分將理論與實踐相結閤，展示DLS在當代材料科學和生物物理學中的具體應用案例，聚焦於需要區分不同時間尺度運動的復雜體係。 第7章：聚閤物溶液的構象動力學 針對高分子係統，我們詳細分析瞭鬆弛模量與動態結構因子的關係。討論瞭在稀溶液中測量特徵弛豫時間以確定聚閤物的尺寸和形狀（球形、無規綫團或棒狀）的方法。對於半稀溶液，我們引入瞭模式分析來區分鏈間纏結（更慢的運動）和鏈內運動（更快的運動）。 第8章：膠體懸浮液與界麵現象 本章聚焦於乳液、微乳液和穩定化顆粒。我們將DLS應用於測量膠束形成的臨界濃度（CMC），並結閤界麵電位數據解釋靜電穩定化顆粒的動力學行為。特彆關注軟顆粒（如脂質體或水凝膠微球）的形變對擴散係數的影響，以及如何通過DLS監測顆粒的聚集或絮凝過程。 第9章：生物大分子與活性物質的流變學 在生物物理領域，DLS是研究蛋白質、核酸以及生物聚閤物的有力工具。我們討論瞭如何利用DLS監測蛋白質在不同pH值或鹽濃度下的摺疊/解摺疊過程，以及寡聚體的形成。此外，本章還拓展到活性物質（如細菌群落或肌動蛋白絲網絡）的研究，引入非平衡DLS（如超分辨DLS或多點DLS）來捕捉非布朗運動和長程相關性。 結論：整閤視角與未來展望 本書最後總結瞭DLS在軟物質研究中的不可替代性，強調其作為一種非侵入性、高靈敏度的時間尺度分析工具的地位。展望未來，我們將探討DLS與其他動態技術（如小角中子散射）的結閤潛力，以及在人工智能輔助下的數據分析優化方嚮，以期推動軟物質科學更深入地理解復雜係統的動態結構。

評分☆☆☆☆☆

這本書在現代軟物質研究的前沿領域，比如活性物質、高熵復雜流體或基於深度學習的結構解析方麵，完全是空白。它似乎固步自封在二十世紀末期的經典理論框架內，對近年來興起的同步輻射光源帶來的高通量數據采集和計算模擬方法視而不見。當提到如何利用多尺度信息（如SAXS結閤WAXS）來構建一個完整的結構模型時，作者隻是泛泛而談，沒有提供任何關於如何將不同 $q$ 範圍的數據在物理上無縫銜接的實用策略。更令人遺憾的是，它完全沒有探討如何利用先進的計算工具（如分子動力學模擬或濛特卡洛方法）來生成可與X射綫散射實驗結果直接比較的理論結構因子。一個聲稱是“基礎”的教材，理應包含對未來研究方嚮的指引，然而這本書卻像是一個時間膠囊，將讀者牢牢地鎖在瞭已經成熟但已非主流的分析方法中，對於正在探索新材料和新現象的科研工作者來說，其參考價值極為有限。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書最大的睏擾在於其敘事風格的極度不平衡。一方麵，它詳盡地描述瞭不同類型X射綫源（同步輻射、微焦點管源）的機械結構和冷卻係統，這部分內容完全可以放在任何一本實驗物理手冊裏，與軟物質特性研究本身關聯甚微。另一方麵，當涉及到關鍵的分析技術，比如小角X射綫散射（SAXS）中對拉伸、剪切等非平衡態下樣品形態變化的描述時，內容卻顯得稀疏而跳躍。例如，關於蠕變過程中的結構演變，書中僅用瞭一小節的篇幅提及瞭時間分辨散射的重要性，但沒有提供任何關於如何處理或模擬隨時間變化的散射數據流的實際算法或案例。這使得我感覺自己像是被硬生生地拉去參觀瞭一個高科技實驗室的機房，而不是被引導進入一個充滿物理洞見的理論殿堂。對於期望瞭解如何將動態過程融入靜態散射框架的讀者來說，這本書提供的幫助微乎其微，它更像是一本設備操作手冊的附錄，而非核心教材。

評分☆☆☆☆☆

這本所謂的“軟物質X射綫散射基礎”讀起來簡直像是一本為完全沒有物理背景的人準備的入門指南，但它在深入探討X射綫散射的復雜細節時，卻又顯得力不從心。它花費瞭大量的篇幅來描述如何將樣品放入散射儀中，以及如何校準儀器——這些內容對於一個已經對散射理論有基本瞭解的科研人員來說，簡直是時間的浪費。書中關於散射幾何的討論，雖然詳細，卻未能很好地將理論模型與實驗觀測結果聯係起來。例如，在討論Porod定律時，作者隻是簡單地引用瞭公式，卻沒有深入解釋為什麼在特定條件下，界麵上的粗糙度會對散射麯綫産生何種可量化的影響。更令人費解的是，對於動態光散射（DLS）和靜態光散射（SLS）的交叉引用部分，敘述得極其含糊，仿佛作者生怕讀者真的理解瞭這兩種技術之間的內在聯係。整體而言，這本書像是不同作者在不同時間拼湊而成，缺乏一個連貫的敘述主綫，尤其是在處理信息熵和散射強度分布的統計力學聯係時，顯得尤為生硬和教條。如果你指望它能幫你解決實際的軟物質錶徵難題，你很可能會感到失望，因為它提供的更多是操作層麵的“怎麼做”，而不是理論層麵的“為什麼是這樣”。

評分☆☆☆☆☆

我花瞭整整一個下午試圖理解書中關於結構因子 $S(q)$ 的推導過程，結果卻發現，作者似乎完全跳過瞭關鍵的積分步驟，直接給齣瞭一個復雜的傅裏葉變換結果。這種處理方式對於任何一個希望掌握散射理論精髓的研究生來說，都是災難性的。書中對結構因子的定義停留在最基礎的平均密度漲落層麵，完全沒有觸及到粒子間相互作用勢對 $S(q)$ 的調製作用，更彆提如何通過實驗數據反演這些相互作用力瞭。舉個例子，當我們觀察到高斯峰或布拉格峰時，這本書隻是簡單地告訴我們“這是晶格有序性的體現”，然後就束之高閣。對於顆粒間排斥力導緻的“禁止區”現象，作者的解釋也過於簡略，沒有提供足夠的案例研究來展示如何區分電荷排斥、硬球排斥或長程吸引等不同機製的散射特徵。這本書更像是為那些隻需要快速生成一張圖錶並標注“X射綫散射”標簽的技術員準備的，而不是為那些試圖深入理解膠體係統、聚閤物網絡或液晶相的物理學傢準備的。其理論深度，坦白地說，停留在本科二年級的水平，遠未達到“基礎”應有的廣度和深度。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示質量實在令人不敢恭維。許多關鍵的示意圖，特彆是那些展示散射矢量 $q$ 與結構特徵（如鏈段長度、層間距）關係的圖例，綫條模糊不清，標注的字體大小不一，有些甚至齣現瞭重疊，根本無法清晰辨認。更彆提那些本應清晰展示數據擬閤過程的圖形瞭，擬閤麯綫和實驗點混雜在一起，根本無法判斷模型擬閤的優劣。在描述如何進行數據處理時，作者使用瞭大量的縮寫，卻沒有在首次齣現時進行充分的定義，這對於需要查閱特定技術規範的專業人士來說，造成瞭極大的閱讀障礙。例如，當提到“Guinier近似”時，書中直接跳到瞭 $ln I(q)$ 的綫性擬閤，卻未對小 $q$ 區域的物理假設進行嚴格的限定，這在處理具有明顯“核-殼”結構或較大尺度的體係時，必然會導緻錯誤的錶徵。總體而言，這本書的製作工藝與其宣稱的“基礎”地位極不相稱，更像是一份匆忙定稿的內部講義。