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mgtswtzc

金虫 (小有名气)

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[交流] 【交流】光散射，x射线散射，中子散射的区别与联系已有7人参与

自从高分子物理群创建以来（详情请参阅http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=2001904），近期在群内讨论了几个比较有意义的话题，其中散射问题基本结束，下面将其中较有意义的几点结论总结出来，希望能引起更多朋友的参与与讨论
问题发起者：小柔（论坛id不详）
参与讨论着：子川（论坛id：cellulose1728 ），凤凰（论坛id：mgtswtzc），川（论坛id不详）

以下观点基本上是按照群内聊天的时间给出，顺序没有变化，目的是可以更好的看清问题与解答，并且在阅读中会有一个比较清晰的思路，下面列出的观点均出自群成员的解答，未作修改，仅供参考，如果您有不同的意见或者建议，希望可以在帖子中留言说明，相信真理越辩越明。

问题的给出：小柔
请教一个问题，光散射，x射线散射，中子散射有什么区别吗？这些跟衍射又有什么区别或者是联系吗？

川
看你想要得到哪方面的数据了，合理的选择就可以了，我们一般都是用小角光散射和中子散射

子川
测试的方法都是一样的。都是入射光打到样品上，然后观看散射光的pattern，通过傅里叶转换得到样品的结构信息

当光源是X射线和N中子的时候，光波波长远小于样品的粒子的大小，发生瑞利散射。通过方程d=2pai/q，可以算出样品尺寸。

当光源是普通光的时候，理论部分比较复杂。拿到的都是衍射环。方法是一样的。区别就是光源不同。从测试样品的尺寸选择不同的光源。

小柔
现在国内能做中子散射的地方多么?

川
不算多吧，太贵了，仪器

子川
上海有个新的吧，北京有一个，上海那个是三代半好像，传说不错。老的有几个吧。

凤凰
很支持提问这种高质量的问题
。
我来说几句，首先散射跟衍射其实本质是一样的，都隶属于散射，但是对于通常的无定形样品，由于内部并不具备典型的长程序，因此导致散射图像规律性并不明显，衍射基本上可以算是有规散射，导致衍射花样可以指标化，所以对于晶体而言，借助衍射发展出一门新的学问，即晶体学，但是对于一般的固体（非晶或者是半晶），即便不具备长程有序，多半也具备近程序，因此导致衍射花样中产生无定形的拱（20°左右），散射矢量与倒易矢量重合时产生衍射的必要条件，因为还存在系统消光
衍射就简单说这么几句
光散射，X-ray散射，中子散射在本质上都是一样的，可是他们的公式表达看起来很不一样，原因就在于光散射发现的最早，当时的散射方程全部是拿波动方程写出来的，因此看起来很复杂
，后来到了x光跟中子，由于傅里叶变换，矢量跟张量代数的引入，导致公式形式上简化了，其实内容并没变，散射强度都可以看成是相关函数的傅里叶变换
其实正如上面朋友提到的，区别之一在于光源不同，而光源不同会造成波长不同，因此看到的尺寸不同，比如在球晶生长过程中，开始尺寸很小，需要借助x射线，后来尺寸你比较大，可以采用光散射，如此而已
第二个区别我认为更重要，那就是在于contrast的不同，即不同的散射看到的东西不一样，光散射是去看极化率，即折光指数的差异，x光看的是电子密度涨落，而中子看的是原子核与内层电子
因此呢，用x光不太容易研究轻元素，如H，但中子可以，而且可以研究同位素，这方面比较方便

子川
正解，constrast的问题忘了

小柔
弱弱的问一句，为什么轻元素不适合x光而适合中子

子川
是这样的。由于X射线散射和中子散射样品的对比度不同。前者是电子密度差别，后者是看样品和基质之间的特殊散射长度。
所以，X射线可以用水溶液。
而中子一般用D2O，这样样品中的H就能被区分出来了。

凤凰
子川过奖。
我开始已经说了，x光看的是电子，轻元素中电子很少，x光很难探测出来，而且会由于形状因子的存在，导致散射强度随q的增加而迅速衰减（debye-waller factor，指数衰减项）。应该说对于x光散射（或者衍射)而言,其散射强度应该与原子序数成正比，但是对于中子而言，其不同的同位素对散射强度的贡献很不一样，这个是有数据可以查的，尤其是对于氢元素，其H与D的散射长度是反号的，因此造成了对轻元素检测成为可能

子川
散射这个部分是博大精深的。需要实践与理论相结合。
而且，理论部分现在也有缺陷，由于系统过于复杂

小柔
散射长度是负号？这个是什么意思？

凤凰
散射长度是负号，说明相角差了π

子川
简单的说，一个图像要有足够的contrast才能看出来。比如说polymer solution。在显微镜就是一个均一的图像。
对于中子散射，样品的和溶剂的对比度是可以估计的，也就是说这个contrast可以算出来。凤凰兄说的这个正负，就是计算中的contrast

小柔
那是不是就是说知道了contrast，就知道了样品有多少了？

子川
er，好像还不能定量。这个constrast是保证你能不能看到样品，以及样品和基质之间的对比度是不是强烈。理论上，constrast够了才能发生scattering，否则看不到东西。实际实验中，还有很多影响因素。

小柔
恩。。。明白了点

凤凰
可以再给你说的深入一点，比方说我想研究一个大分子的吸附情况，如果说我用x光去做，这时候我拿一束光打在分子上，这时候散射乱七八糟，很难看到吸附了些什么，以及吸附在什么位置上（因为被大分子自身，即被背景掩盖了），这时候如果我过来用中子，这时候我就可以去调，我把这个样品用适当的H：D比例来做，只要比例适当，它的散射长度最后的summation就为0（或者趋近0），这时候我中子照在上面，什么也看不见，即背景被屏蔽了，这时候如果我用这种链去吸附的话，吸附好了，我再用中子去照，那这时候看到的，就只能看到吸附的靶点了，于是，吸附的物质跟吸附点就完全清楚了

子川
这是高级用法啊！不过话说回来，polymer+surfactant好像都很不好做。我试着解释一下，凤凰的例子中想观察的是被吸附的粒子。那么大分子以及溶液都是背景，都不是我们关心的。我们可以用调节constrast的方法，把大分子溶液调成均一颜色的溶液（比如说红色），当加入被吸附粒子（如绿色）的时候，就能很清楚的观测到在（红色）样品中（绿色）粒子的位置和分布。至于大分子是的位置和分布，是不能直接看到的。但可以通过结果估测。

凤凰
正解

讨论基本上到此结束，但是这仅仅是起到抛砖引玉的作用，希望能借此机会有更多的朋友参与到交流讨论之中，把小木虫真正引导成为一个专业的学术性论坛。

全文整理由凤凰（mgtswtzc）完成，疏漏之处，请见谅。

[ Last edited by mgtswtzc on 2010-5-11 at 22:46 ]

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