中子衍射技术及其应用

定　　价：78 元

丛书名：现代物理基础丛书

• 作者：姜传海，杨传铮编著
• 出版时间：2012/6/1
• ISBN：9787030344519
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：O571.56 
• 页码：309
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K

内容简介

    “中子衍射技术及其应用”是基于材料中物质对入射中子的吸收、散射和衍射等现象，对物质(材料)晶体结构和磁结构研究的学科分支。姜传海、杨传铮编著的 《中子衍射技术及其应用》分为13章。 包括晶体结构和磁结构基础，中子射线及其与物质的交互作用，中子衍射的运动学理论，中子衍射散射实验方法，晶体结构的测定，自旋结构和磁结构的测定，物相 衍射分析，材料残余应力衍射测定，材料织构的衍射测定，中子小角衍射散射的应用，新型材料的衍射散射分析，物质动态结构的非弹性散射研究以及中子衍射散射 的工业应用。 《中子衍射技术及其应用》可供固体物理、材料科学与工程、化学与化工、生物学与生物工程和医药与药物工程等专业的高校及科研院所的教师、研究生、高年级本 科生阅读，也可供从事衍射分析的专业人员参考。

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编辑推荐

       姜传海、杨传铮编著的《中子衍射技术及其应用》的特色是专业读物和高级科普相结合。所谓专业读物是指本书可供从事(中子和X射线)衍射实验工作的专业人员工作中参考；所谓高级科普是指本书可供欲在科学和工程技术中使用中子衍射散射技术的研究人员阅读。
      全书1／3篇幅讲述基础——晶体结构和磁结构基础、中子射线及其与物质的交互作用、中子衍射的运动学理论、中子衍射散射实验方法(第1-4章)；重点是介绍中子衍射散射技术的应用(第5-13章)。晶体结构和磁性结构测定分两章(第5和第6章)来讨论；以后每章为一个应用专题，如物相分析、织构、应力、小角散射、新型材料分析、动力学结构和工业应用等。

作者介绍

       姜传海，男，1963年9月生，汉族，教授，博士生导师。1983年7月毕业于兰州大学物理系，1983年8月～1995年8月在哈尔滨汽轮机厂材料研究 所工作，1995年9月～2000年2月在哈尔滨工业大学材料系攻读博士学位，2001年3月～2003年11月在上海交通大学材料学院从事博士后工 作，2001年12月至今在上海交通大学材料学院从事材料表征、教学和实验技术的开发研究。2007年在法国国立高等工程技术学院(ENSAM)做高级访 问学者。 现担任中国机械工程学会材料分会理事及残余应力专业委员会副主任兼秘书长、中国机械工程学会失效分析分会理事及喷丸技术专业委员会常务副主任、中国机械工 程学会理化检验分会理事、中国晶体学会理事及粉末衍射专业委员会委员、中国物理学会X射线衍射专业委员会委员、上海市物理学会X射线与同步辐射专业委员会 主任等。 开设有材料组织结构表征、X射线衍射原理和技术、材料近代物理测试方法、不完整晶体结构及其分析方法、同步辐射技术及其应用课程。 共主持国家、省部级及大中型企业科研项目50余项。发表论文200余篇，被SCI及EI检索150余篇。 著有《材料的射线衍射和散射分析》、《X射线衍射技术及其应用》和《材料组织结构表征》。 杨传铮，男，1939年8月生，侗族，教授。1963年6月毕业于上海科学技术大学金属物理专业，1963年7月～1988年9月在中国科学院上海冶金研 究所从事材料物理和X射线衍射及电子显微镜应用方面的研究，1988年10月～1993年5月先后应美国EXXON研究与工程公司和美国Biosym技术 有限公司邀请，在美国长岛Brookhaven国家实验室从事材料的同步辐射和中子衍射散射合作研究，1993年6月～1999年8月在上海大学物理系任 教，现已退休。 先后开设激光光谱学、物质结构研究的理论与方法、同步辐射应用基础和应用物理前沿系列讲座等研究生课程。在各种期刊杂志上发表相关论文60余篇。著有《物 相衍射分析》和《晶体的射线衍射基础》，“材料科学中的晶体结构和缺陷的X射线研究”获1982年国家自然科学四等奖(排名第二)，“遥控式X射线貌相 机”获1984年上海市重大科研成果三等奖(排名第一)。 曾任中国物理学会X射线衍射专业委员会委员(1982年～1998年)，第一届委员兼秘书长(1982年～1986年)，上海市物理学会X射线与同步辐射 专业委员会第一届委员兼秘书长(1982年～1992年)，上海市金属学会理事兼材料专业委员会副主任，现任上海市物理学会X射线与同步辐射专业委员会顾 问。 2004年3月至今，对纳米材料和电池活性物质及电极过程进行大量研究，发表论文40余篇。著有《同步辐射X射线应用技术基础》、《纳米材料的X射线分 析》、《材料的射线衍射和散射分析》和《X射线衍射技术及其应用》。

目 录

目 录
前 言
第1章 晶体结构和磁结构基础 1
1.1 晶体点阵 1
1.1.1 点阵概念1
1.1.2 晶胞、晶系 2
1.1.3 点阵类型 2
1.2 晶体的宏观对称性和点群 4
1.2.1 宏观对称元素和宏观对称操作 4
1.2.2 宏观对称性和点群 7
1.3 晶体的微观对称性和空间群 10
1.3.1 微观对称要素与对称操作 10
1.3.2 230种壁间群 12
1.4 倒易点阵 12
1.4.1 倒易点阵概念的引入 12
1.4.2 正点阵与倒易点阵间的几何关系 14
1.5 晶体极射赤面投影 16
1.5.1 晶体极射赤面投影原理 16
1.5.2 标准极圈 18
1.6 晶体的结合类型 19
1.6.1 离子结合 20
1.6.2 共价结合 21
1.6.3 金属结合 21
1.6.4 分子结舍 22
1.6.5 氢键结合 22
1.6.6 泪舍键晶体 23
1. 7 磁对称性和磁结构 25
1.7.1 磁性原子的自旋结构 25
1.7.2 磁点阵 25
1.7.3 磁点群 27
1.7.4 磁空间群 28
1.7.5 磁性结构 30
主要参考文献 31
第2章 中子射线及其与物质的交互作用 32
2.1 引言 32
2.2 原子反应堆中子源 33
2.3 脉神中子源 35
2.4 三种源的比较 38
2.5 中子射线源的线束设备 40
2.6 中子与物质的交互作用 44
2.6.1 物质对中子射线的吸收 44
2.6.2 中子射线的折射 49
2.6.3 中子射线的反射 50
2.7 物质对入射中子的散射 52
2.7.1 中子的核散射52
2.7.2 中子的磁散射53
主要参考文献 54
第3章 中子衍射的运动学理论 55
3.1 相干散射和非相干散射 55
3.2 射线衍射线束的方位 55
3.2.1 劳厄方程 55
3.2.2 布拉格公式 58
3.3 多晶体核衍射强度的运动学理论 59
3.3.1 单个核的散射强度 59
3.3.2 固体原子核集的衍射强度 61
3.3.3 多晶物质的积分散射 68
3.4 中子的磁散射强度 69
3.4.1 顺磁材料的磁散射 71
3.4.2 铁磁和反铁磁材料的散射 73
3.4.3 稀土原子的散射 73
3.5 中子衍射强度公式及其比较 75
3.5.1 中子衍射强度公式 75
3.5.2 三种结构因子的比较和其中原子位置参数 76
3.5.3 fx、b、u的比较 78
3.5.4 磁衍射形状因子 78
主要参考文献 82
第4章 中子衍射散射实验方法 83
4.1 中子衍射实验方法的基本类型 83
4.2 中子照相法 84
4.3 高分辨粉末衍射仪 85
4.4 中子单晶衍射仪 88
4.5 其他中子散射衍射装置 90
4.5.1 中子小角度散射术 90
4.5.2 中子材料织构测定仪 91
4.5.3 中子貌相实验设备 91
4.5.4 中子干涉量度术 92
4.6 中子非弹性散射谱术 92
4.7 原位中子衍射装置 93
主要参考文献 95
第5章 晶体结构的测定 97
5.1 多晶样品衍射花样的Rietveld结构精修 98
5.1.1 Rletveld结构精修的原理 98
5.1.2 Rletveld结构精修的步骤 101
5.2 YFelOSi2的晶体结构和磁结构的测定 102
5.3 多晶样品结构测定从头计算法 104
5.4 粉末衍射花样指标化的计算机程序 106
5.4.1 Ito(伊藤)指标化程序 106
5.4.2 TREOR指标化程序 107
5.4.3 DICVOL指标化程序 108
5.4.4 Jade程序包中的衍射花样指标化 111
5.5 重叠峰的分离 112
5.5.1 晶面间距相近的重叠峰的分离 113
5.5.2 晶面间距相同的重叠峰的分离 114
5.6 多晶样品结构测定实例 115
5.6.1 不计衍射强度的多晶样品结构测定实例 115
5.6.2 计衍射强度的多晶样品结构测定实例 118
5.7 单晶样品的结构测定 120
5.7.1 实验数据的获得 120
5.7.2 单晶结构测定的相角问题 121
5.7.3 解相角的各种方法 122
5.7.4 单晶结构的精修 124
5.7.5 单晶结构测定小结 127
5.8 单晶样晶晶体结构中子衍射测定实例 128
主要参考文献 131
第6章 自旋结构和碰结构的测定 132
6.1 磁散射效应和晶体的衍射强度 133
6.2 衍射花样中磁散射的特征和磁散射效应分离 134
6.2.1 衍射花样中磁散射的特征 134
6.2.2 磁散射效应分离 137
6.3 MnO的晶体结构和磁结构的测定 137
6.4 高Tc超导体的磁相图和自旋关系的研究 140
6.4.1 La2-x,(Sr, Ba)xCuO4-y和YBa2CU3O6+x磁相图 140
6.4.2 La2CuO4和YBa2CU3O6自旋关系的研究 141
6.5 磁结构中子衍射的测定举例 142
6.5.1 Er2Fe13-xMnxB的磁结构的测定 143
6.5.2 Y(Mn1-xCox)12磁结构的测定 145
主要参考文献 148
第7章 物相衍射分析 149
7.1 物相鉴定 149
7.1.1 物相鉴定(定性相分析)的原理 149
7.1.2 PCPDFWIW在定性相分析系统中的应用 151
7.2 多相试样的衍射强度 154
7.3 采用标样的定量相分析方法 155
7.3.1 内标法 156
7.3.2 增量法 159
7.3.3 外标法 161
7.3.4 基体效应消除法(K值法) 166
7.3.5 标样方法的实验比较 169
7.4 无标样的定量相分析方法 170
7.4.1 直接比较法 170
7.4.2 绝热法 170
7.4.3 Zevin的无标样法及其改进 172
7.4.4 无标样法的实验比较 176
7.5 中子衍射物相分析注意事项 177
7.5.1 PDF标准数据库的格式 177
7.5.2 衍射花样中的线条分布和相对强度 178
7.5.3 中子衍射物相分析注意要点 180
7.6 相变研究 180
7.6.1 结构相变和非结构相变 180
7.6.2 现代相变研究 181
主要参考文献 183
第8章 材料残余应力衍射测定 184
8.1 应力的分类及其射线衍射效应 184
8.1.1 第Ⅰ类内应力 185
8.1.2 第Ⅱ类内应力 186
8.1.3 第Ⅲ类内应力 186
8.2 平面宏观应力测定原理 187
8.2.1 材料中应变与晶面间距 187
8.2.2 平面应力表达式 188
8.3 平面宏观应力的测定方法 190
8.3.1 同倾法 190
8.3.2 侧倾法 191
8.4 三维应力的测定 193
8.5 中子衍射法应变测定装置 194
8.6 残余应变中于衍射测定的一些例子 197
8.6.1 焊接应力测定的两个例子 198
8.6.2 合成物和多相材料中的残余应力 200
8.6.3 渗碳层中的残余应力 201
8.6.4 三维应力测定实例 202
8.6.5 原位测定残余应力的两个例子 203
主要参考文献 205
第9章 材料织构的衍射测定 206
9.1 晶粒取向和织构及其分类 206
9.1.1 晶体取向的表达式 206
9.1.2 晶体学织构及分类 207
9.2 极图测定 207
9.2.1 极圈测定的衍射几何和方法 207
9.2.2 数据处理和极固的描绘 208
9.3 反极图的测定 209
9.4 三维取向分布函数 210
9.4.1 一般介绍 210
9.4.2 极密度分布函数 211
9.4.3 取向分布函数的表达式 212
9.4.4 取向分布函数的计算 213
9.4.5 取向分布函数截面固和取向线 213
9.5 材料织构分析 214
9.5.1 理想取向的分析 215
9.5.2 多重织构组分分析 218
9.5.3 织构的形成和演变 219
主要参考文献 221
第10章 中子小角衍射散射的应用 222
10.1 中子反射率和中子折射指数 222
10.2 材料颗粒大小的小角中子散射研究 223
10.2.1 多粒子系统的小角散射 223
10.2.2 材料微粒大小及其分布的测定 225
10.3 材料分形（fractal）结构研究 229
10.3.1 分形 229
10.3.2 来自质量和表面尺再度体的小角散射 230
10.3.3 散射强度与尺事度体维度的关系 232
10.3.4 分形结构测定实例一一碳纳米管的分形 232
10.4 应用实例含氧奥氏体钢拉伸形变中纳米偏聚 233
主要参考文献 234
第11章 新型材料的衍射散射分析 235
11.1 薄膜和一维超点阵材料的分析 235
11.1.1 工程薄膜和多层膜的研究 235
11.1.2 一维超点阵材料的分析 236
11.2 纳米材料微结构分析 239
11.2.1 测定纳米材料微结构时各有关参数的获得 240
11.2.2 晶粒大小、微应力及层错的宽化效应 241
11.2.3 分离微晶和微应力宽化效应的最小二乘方法 244
11.2.4 分离徽晶层错XRD线宽化效应的最小二乘方法 245
11.2.5 分离徽应力层错工重宽化效应的最小工乘方法 246
11.2.6 微晶-微应力-层错三重宽化效应的最小二乘方法 247
11.2.7 计算程序系列的结构 248
11.2.8 纳米材料颗粒大小的小角中子散射分析 249
11.3 介孔材料的射线分析 251
11.3.1 介孔材料的分类 251
11.3.2 介孔材料的结构特征 251
11.3.3 介孔材料的应用 253
11.3.4 介孔材料射线表征方法的特点 254
11.3.5 孔结构参数的计算 255
11.3.6 介孔材料分析实例 255
11.3.7 介孔材料的分形结构SAXS研究 259
主要参考文献 262
第12章 物质动态结构的非弹性散射研究 264
12.1 动态结构研究理论基础简介 264
12.1.1 核的振动和声子 264
12.1.2 声子散射谱的实验测定和数据分析 266
12.2 结晶物质的点阵动力学研究 269
12.2.1 晶体内的点阵动力学 270
12.2.2 晶体表面和界面的动力学结构 273
12.2.3 多晶样品中的声于 275
12.2.4 薄膜和纳米晶中的声子 276
12.3 非晶物质、聚合物和生物高分子中的动力学结构 278
12.3.1 非晶固体的动力学结构 278
12.3.2 高聚合物(polymer)动力学结构 279
12.3.3 生物大分子的动力学结构 281
12.4 高Tc超导体的点阵动力学研究 282
12.4.1 YBa2CU3O7的温度效应 282
12.4.2 氧含量对YBa2CU307-6的影响 282
12.4.3 高Tc和低Tc材料的比较 284
12.5 小结 287
主要参考文献 289
第四章 中子衍射散射的工业应用 291
13.1 材料微结构参数的测定 291
13.2 材料微粒子(微孔)大小及分布的测定 296
13.3 多相产品分析 297
13.4 材料的织构分析 298
13.5 单晶质量检查 298
13.6 残余应力测定的工业应用 298
13.7 材料的中子射线照相 299
13.8 材料的中子衍射综合表征 301
主要参考文献 302
附录304
附表1 晶体结构和磁结构的晶系、布拉维点阵、点群、空间群数目的比较 304
附表2(a) 晶体的布拉维点阵一览表 304
附表2(b) 磁布拉维点阵一览表 304
附表3(a) 晶体点群一览表 305
附表3(b) 磁点群一览表 305
附表3(c) 可接受的磁点群目录 305
附表4(a) 晶体230个空间群一览表 306
附表4(b) 六方晶系磁空间群一览表 307
附表4(c) 创立方晶系磁空间群一览表 308

文 摘

第1章晶体结构和磁结构基础
1.1晶体点阵
1.1.1点阵概念
固体分为晶体和非晶体,两者的主要差别是是否具有内部结构的周期性和对称性,晶体(结晶体)有内部结构的周期性和对称性;非晶体无这种周期性和对称性,但有短程的局域结构.为了集中描述晶体内部原子排列的周期性,把晶体中按周期重复的那一部分原子团抽象成一个几何点,由这样的点在三维空间排列构成一个点阵,点阵结构中每一个阵点代表的具体的原子、分子或离子团称为结构基元,故晶体结构可表示为晶体结构=点阵+结构基元图1.1表示晶体结构和点阵的关系.所谓结构基元就是重复单元,如原子、原子团、分子等.如果把重复单元想象为一个几何点,并按结构周期排列,这就是点阵,根据点阵的性质,把分布在同一直线上的点阵称为直线点阵或一维点阵,分布在同一平面中点阵称为平面点阵或二维点阵,分布在三维空间的点阵称为空间点阵或三维点阵.图1.2给出了一维、二维和三维点阵的示意图.在直线点阵中,若将连接两个阵点的单位矢量a进行平移,必指向另一阵点,而矢量的长度jaj=a称为点阵参数.平面点阵可分解为两组平行的直线点阵,并选择两个不相平行的单位矢量a和b,可把平面点阵划分为无数并置的平行四边形单位,点阵中的各点都位于平行四边形的顶点处,矢量a和b的长度jaj=a、jbj=b及其夹角°,称为平面点阵参数.空间点阵可分解为两组平行的平面点阵,并可选择三个不相平行的单位矢量a、b和c,将空间点阵划分成并置的平行六面体,而点阵中各点都位于各平行六面体的顶点.矢量a、b和c的长度a、b、c及其相互间的夹角°、ˉ和?,称为点阵参数.晶体的三个坐标轴方向X、Y、Z或称格子线方向,通常选择右手定则,它们分别与a、b和c平行.必须指出的是,晶体的空间点阵只不过是晶体中原子、离子或分子所占据的位置在三维空间的重复平移而已,因此点阵这个词绝不应该用来代表由原子堆垛成的真实晶体的结构.
1.1.2晶胞、晶系
根据晶体内部结构的周期性,划分出许多大小和形状完全等同的平行六面体,在晶体点阵中,这些确定的平行六面体称为晶胞(或称单胞),用来代表晶体结构的基本重复单元.这种平行六面体可以是晶体点阵中不同结点连接而行成的形状大小不同的各种晶胞,显然这种分割方法有无穷多种,但在实际确定晶胞时,应遵守布拉维(Bravais)法则,即选择晶胞时应与宏观晶体具有相同的对称性、最多的相等晶轴长度(a、b、c)、晶轴之间的夹角(?、ˉ、°)呈直角数目最多,满足上述条件时所选择的平行六面体的体积最小,这样在三维点阵中选择三个基矢a、b和c它们间的夹角?、ˉ和°,按它们的特性把晶体分为七大晶系,即立方、六方、四方、三方(又称菱形)、正交、单斜、三斜.立方晶系对称性最高,是高级晶系(有一个以上高次轴);六方、四方、三方(又称菱形)属中级晶系(只有一个高次轴);正交、单斜、三斜属低级晶系(没有高次轴),三斜晶系对称性最低.
1.1.3点阵类型
单位晶胞中,若只在平行六面体顶角上有阵点,即一个晶胞只分配到一个阵点时,则称它为初基晶胞.若在平行六面体的中心或面的中心含有阵点,即一个晶胞含有两个以上的阵点时,称为非初基晶胞.初基晶胞构成的点阵称为简单点阵,记为P.非初基晶胞构成的点阵根据顶角外的阵点是在体心、面心和底面心而分别称为体心、面心和底心点阵,记为I、F、C.用数学方法可以证明只存在7种初基和7种非初基类型,称为布拉维点阵,因是通过平移操作而得,故又称为平移群或点阵类型,如图1.3所示.表1.1列出了晶系划分和点阵类型的对应关系.
1.2晶体的宏观对称性和点群
晶体的宏观外形可同时存在多种点对称元素,如图1.4所示的岩盐晶体,同时具有一个对称中心,三个4次轴,四个3次轴,若干个2次轴和若干个镜面.晶体的对称元素相互结合,就构成了晶体的各种宏观对称性.
1.2.1宏观对称元素和宏观对称操作