小角激光散射
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小角激光光散射法测定不同结晶条件下聚合物球晶尺寸-高分子物理-实验8-08
/4s、1/8s、1/15s、1/30s、1/60s 。 6． 暗房工作，冲洗底片。 7． 将底片晾干后，从底片上测出 d 值。 五、数据记录和处理
按下列要求记录实验数据，并计算球晶半径 R 。
No. 激光管电流/mA
曝光时间/s
L/cm
1 2 3
d/cm θm/(°) R /μm
挑选一张拍摄比较清晰，散射强度极大位置明显的底片，测定 d 值，计算球晶平均半径 R 。
如果检偏片和起偏片的偏振方向都是垂直取向（即图 1 中的z轴方向），记作Vν 散射；如果检 偏片水平取向，而起偏片垂直取向，记作Hν 散射。在研究结晶性聚合物的结构形态方面，用得较 多的是Hν 散射。
1
图 2 是聚丙烯球晶的 小角激光光散射图形。
光散射理论，有“模型 法”和“统计法”两种。球晶 是结晶性高聚物中极为普
六、思考题 1．与光学显微镜相比较，用小角激光光散射法研究晶态聚合物的球晶结构有什么优点？ 2．你还知道哪些小角激光光散射法在固体聚合物研究中的应用？ 七、参考文献 1．R. S. Stein, J. Appl. Phys., 1960，31,1873 2．R.S. 斯坦著，,徐懋等译．散射和双折射方法在聚合物织构研究中的应用．北京：科学出版社， 1983 3. 左榘编著．激光散射原理及其在高分子科学中的应用．郑州：河南科学技术出版社，1994
U
=
4πR λ
sin⎜⎛ ⎝
θ 2
⎟⎞ ⎠
2
λ为光在介质中的波长；sinU 定义为正旋积分
∫ sin U = U sin x dx 。 0x
从公式（1）中可以看出，散射强度与球晶的光学各向异性项 (αr − αt )
相关，而与周围介质无关。并且对散射角、方位角有依赖关系，以 sinμcosμ的形式随μ而变化。当μ = 0°、90°、180°、270°时，sinμcosμ = 0，因此，在这四个方位上，散射强度IHν =0；而当μ = 45°、135°、225°、 315° 时，sinμcosμ有极大值，因而散射强度也出现最大值。这就是Hν 散射图之所以呈四叶瓣的原因。
按下列要求记录实验数据，并计算球晶半径 R 。
No. 激光管电流/mA
曝光时间/s
L/cm
1 2 3
d/cm θm/(°) R /μm
挑选一张拍摄比较清晰，散射强度极大位置明显的底片，测定 d 值，计算球晶平均半径 R 。
如果检偏片和起偏片的偏振方向都是垂直取向（即图 1 中的z轴方向），记作Vν 散射；如果检 偏片水平取向，而起偏片垂直取向，记作Hν 散射。在研究结晶性聚合物的结构形态方面，用得较 多的是Hν 散射。
1
图 2 是聚丙烯球晶的 小角激光光散射图形。
光散射理论，有“模型 法”和“统计法”两种。球晶 是结晶性高聚物中极为普
六、思考题 1．与光学显微镜相比较，用小角激光光散射法研究晶态聚合物的球晶结构有什么优点？ 2．你还知道哪些小角激光光散射法在固体聚合物研究中的应用？ 七、参考文献 1．R. S. Stein, J. Appl. Phys., 1960，31,1873 2．R.S. 斯坦著，,徐懋等译．散射和双折射方法在聚合物织构研究中的应用．北京：科学出版社， 1983 3. 左榘编著．激光散射原理及其在高分子科学中的应用．郑州：河南科学技术出版社，1994
U
=
4πR λ
sin⎜⎛ ⎝
θ 2
⎟⎞ ⎠
2
λ为光在介质中的波长；sinU 定义为正旋积分
∫ sin U = U sin x dx 。 0x
从公式（1）中可以看出，散射强度与球晶的光学各向异性项 (αr − αt )
相关，而与周围介质无关。并且对散射角、方位角有依赖关系，以 sinμcosμ的形式随μ而变化。当μ = 0°、90°、180°、270°时，sinμcosμ = 0，因此，在这四个方位上，散射强度IHν =0；而当μ = 45°、135°、225°、 315° 时，sinμcosμ有极大值，因而散射强度也出现最大值。这就是Hν 散射图之所以呈四叶瓣的原因。
X射线衍射和小角X射线散射详解
晶面指数
2021/3/7
[Two-Dimensional CXH-ERNaLIy Diffraction, p. 7]
12
晶面指数及晶面距
2021/3/7
[Encyclopedia of MateriCaHlsENCLIharacterization, p. 201]
13
晶面指数与晶胞参数
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization
由不同的晶面 衍射得到的X 射线束为锥形， 锥形光束的轴 就是入射X射 线，锥的顶角
等于 4。
[Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization
of Materials, 2nd Edition, p. 154]
2021/3/7
[Methods of Experimental Physics Volume 16: Polymers,
2021/3/7
Part B Crystal StructureCaHnEdNLMI orphology, p. 5]
10
晶胞的描述—晶面指数
2021/3/7 [Physical Chemistry of MacroCmHoENleLcI ules, 2nd Edition, pp. 500-501] 11
17
X射线衍射测定之粉末法
当单色的X射线通 过晶体粉末时，因 为粉末中包含无数 任意取向的晶体， 所以必然会有一些 晶面距和掠射角满 足Bragg方程。
2021/3/7
[Crystal Structure AnCaHlEyNsLisI , 3rd Edition, p. 42]
小角激光散射实验报告
一、实验目的1. 理解小角激光散射的基本原理和实验方法；2. 通过实验观察和测量，了解聚合物球晶的形态和尺寸；3. 掌握数据处理和分析方法，对实验结果进行解释。
二、实验原理小角激光散射（Small Angle Laser Scattering，简称SALS）是一种研究材料微观结构的方法。
当一束激光照射到材料表面时，部分光会被散射。
散射光的角度与材料内部结构的尺寸和形态有关。
通过测量散射光的强度和角度，可以推断出材料内部结构的特征。
小角激光散射实验的基本原理如下：1. 当激光束照射到样品上时，部分光会被样品散射；2. 散射光经过透镜聚焦后，形成散射光斑；3. 通过测量散射光斑的直径和强度，可以计算样品内部结构的尺寸和形态。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：小角激光散射仪、样品台、计算机、数据采集卡等；2. 实验材料：聚合物球晶样品。
四、实验步骤1. 样品制备：将聚合物球晶样品切成薄片，厚度约为1mm；2. 样品安装：将样品放置在样品台上，调整样品位置，确保样品中心位于激光束照射范围内；3. 数据采集：打开小角激光散射仪，调整激光束照射角度和功率，采集散射光斑的直径和强度；4. 数据处理：将采集到的数据输入计算机，进行数据处理和分析；5. 结果分析：根据数据处理结果，分析聚合物球晶的形态和尺寸。
五、实验结果与分析1. 散射光斑直径：通过测量散射光斑的直径，可以计算出聚合物球晶的尺寸。
实验结果显示，聚合物球晶的尺寸约为50μm；2. 散射光斑强度：散射光斑的强度与聚合物球晶的形态有关。
通过分析散射光斑强度，可以推断出聚合物球晶的形态。
实验结果显示，聚合物球晶的形态为球形；3. 数据处理与分析：将实验数据输入计算机，进行数据处理和分析。
通过分析散射光斑的直径和强度，可以得出聚合物球晶的尺寸和形态。
六、实验结论1. 通过小角激光散射实验，成功观察和测量了聚合物球晶的形态和尺寸；2. 实验结果表明，聚合物球晶的尺寸约为50μm，形态为球形；3. 小角激光散射实验是一种有效的研究材料微观结构的方法，可以应用于聚合物、生物大分子、非晶合金等多种材料。
小角X射线散射简介
样品
散射角： 散射角： 0-4° 由电子密度变化引起的散射
小角X射线散射 小角 射线散射 小角 X射线散射 射线散射(Small-Angle X-ray Scattering)是一种用 是一种用 射线散射 于纳米结构材料的可靠而且经济的无损分析方法。 于纳米结构材料的可靠而且经济的无损分析方法。SAXS能 能 够给出1-100纳米范围内的颗粒尺度和尺度分布以及液体、 纳米范围内的颗粒尺度和尺度分布以及液体、 够给出 纳米范围内的颗粒尺度和尺度分布以及液体 粉末和块材的形貌和取向分布等方面的信息。 粉末和块材的形貌和取向分布等方面的信息。
SAXS的优势： 的优势： 的优势 a. 研究溶液中的微粒； 研究溶液中的微粒； b. 动态过程研究； 动态过程研究； c. 研究高分子材料； 研究高分子材料； 两相间比内表面和颗粒体积百分 数等参数,而 数等参数 而TEM方法往往很难 方法往往很难 得到这些参量的准确结果,因为 得到这些参量的准确结果 因为 不是全部颗粒都可以由TEM观察 不是全部颗粒都可以由 观察 到,即使在一个视场范围内也有 即使在一个视场范围内也有 未被显示出的颗粒存在； 未被显示出的颗粒存在；
使沿轴向的发散 角在可接受范围内
小角X射线散射 小角 射线散射
透射式小角X射线散射 透射式小角 射线散射 X射线垂直摄入样品表面 射线垂直摄入样品表面
需要足够高的入射强度， 需要足够高的入射强度，样品要尽量 的薄以得到较好的散射强度， 的薄以得到较好的散射强度，可用于 液体分散、凝胶、 液体分散、凝胶、粉末等方面的研究
Nanography
新型小角X射线散射技术简介 新型小角 射线散射技术简介
Nanography 可以得到样品 具有µm量级 具有 量级 SAXS分辨率 分辨率 的实空间图像。 的实空间图像。
1小角激光光散射法测重均分子量（Mw）
1.小角激光光散射法測重均分子量（Mw）
當入射光電磁波通過介質時，使介質中的小粒子（如高分子）中的電子產生強迫振動，從而產生二次波源向各方向發射與振盪電場（入射光電磁波）同樣頻率的散射光波。
這種散射波的強弱和小粒子（高分子）中的偶極子數量相關，即和該高分子的質量或摩爾質量有關。
根據上述原理，使用激光光散射儀對高分子稀溶液測定和入射光呈小角度（2℃－7℃）時的散射光強度，從而計算出稀溶液中高分子的絕對重均分子量（MW）值。
采用動態光散射的測定可以測定粒子（高分子）的流體力學半徑的分布，進而計算得到高分子分子量的分布曲線。
2.體積排除色譜法（SES）（也稱凝膠滲透色譜法（GPC））
當高分子溶液通過填充有特種多孔性填料的柱子時，溶液中高分子因其分子量的不同，而呈現不同大小的流體力學體積。
柱子的填充料表面和內部存在著各種大小不同的孔洞和通道，當被檢測的高分子溶液隨著淋洗液引入柱子后，高分子溶質即向填料內部孔洞滲透，滲透的程度和高分子體積的大小有關。
大于填料孔洞直徑的高分子只能穿行于填料的顆粒之間，因此將首先被淋洗液帶出柱子，而其他分子體積小于填料孔洞的高分子，則可以在填料孔洞內滯留，分子體積越小，則在填料內可滯留的孔洞越多，因此被淋洗出來的時間越長。
按此原理，用相關凝膠滲透色譜儀，可以得到聚合物中分子量分布曲線。
配合不同組分高分子的質譜分析，可得到不同組分高分子的絕對分子量。
用已知分子量的高分子對上述分子量分布曲線進行分子量標定，可得到各組分的相對分子量。
由于不同高分子在溶劑中的溶解溫度不同，有時需在較高溫度下才能制成高分子溶液，這時GPC柱子需在較高溫度下工作。
小角X射线散射原理与应用
1.5
2.0
-1
2.5
3.0
5
10
h [nm ]
15 r [nm]
20
25
• • •
The peak maximum at large distances for native LDL was rmax 20.2±0.4 nm, which corresponds to the electron density autocorrelation of the phospholipid headgroups and protein moiety. Broadening of maximum peak for LDL control without significant difference in rmax value indicate formation of LDL aggregates during incubation. Increase in rmax value (∆r=1.3±0.6 nm) and broadening of peak maximum for LDL-DOT indicate slightly increase in the maximum particle diameter and formation of LDL aggregates.
19.6 nm 20.2 nm 20.0 nm
log I(h)
Experimental SAXS curves from LDL below the phase transition
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
-1
p(r)
Real space electronpair distance distribution functions
X射线衍射和小角X射线散射详解
35
WAXS应用实例之取向度测定
冷拉不同倍数的全同聚丙烯薄膜的WAXS 平板照片
精选课件
36
WAXS应用实例之取向度测定
X射线法常用取向指数来表征结晶的取向程 度。例如尼龙6拉伸后，衍射环退化为赤道 弧，在方位角上扫描得峰，求得半峰宽， 定义取向指数（R）
R180W10% 0 180
精选课件
37
[X-Ray Diffraction by Macromole精cu选le课s件, p. 19]
7
不同光程差的X射线叠加
当光程差等于X射线波 长的整数倍时次生X射 线互相叠加而加强； 当光程差等于半波长 时，次生X射线相互完 全抵消。 只有相互叠加的光波 才能有足够的强度被 观察到。
[Crystal Structure An精a选ly课s件is, 3rd Edition, p. 28]
Xc
Ic
Ic kIa
精选课件
33
WAXS应用实例之取向鉴定
未取向的非晶聚合物 衍射图案
取向的非晶聚合物衍 射图案
精选课件
34
WAXS应用实例之取向鉴定
未取向的结晶聚合物 衍射图案
取向的结晶聚合物衍 射图案
[Methods of Experimental Physics精选Vo课l件ume 16 Polymers, Part B Crystal Structure and Morphology, pp. 54 & 55]
精选课件
5
WAXS（XRD）原理
在不同的观测点，从不同的次生源发出的X 线间的光程差通常是不同的。
[X-Ray Diffraction by精选M课a件cromolecules, p. 16]
小角激光散射
1
第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 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
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。
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。
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。
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 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
3
三 激光振荡、激光特性和激光器
14
所谓小粒子是指尺寸小于入射光在介质里波长的 1/20的分子。此时分子间的距离比较大，没有相互作用 （稀浓度），各个分子产生的散射光不相干，介质的散射 光强是各个分子散射的加和。
但是当分子浓度增大，分子间距离减小，表现强烈的 相互作用时，各分子的散射光是相干的，介质的散射光强 度应从各个分子散射波幅的加和来计算，这叫分子散射的 外干涉。
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。 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。
20
（一） 器皿净化 在溶液制备中应尽可能避免污染。尘土粒子、润滑剂
10
四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系 当一束极细的X射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗
第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 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
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。
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。
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。
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 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
3
三 激光振荡、激光特性和激光器
14
所谓小粒子是指尺寸小于入射光在介质里波长的 1/20的分子。此时分子间的距离比较大，没有相互作用 （稀浓度），各个分子产生的散射光不相干，介质的散射 光强是各个分子散射的加和。
但是当分子浓度增大，分子间距离减小，表现强烈的 相互作用时，各分子的散射光是相干的，介质的散射光强 度应从各个分子散射波幅的加和来计算，这叫分子散射的 外干涉。
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。 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。
20
（一） 器皿净化 在溶液制备中应尽可能避免污染。尘土粒子、润滑剂
10
四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系 当一束极细的X射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗
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通过受激辐射而引起光放大作用，是激光产生 的原因。
2
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
子在能级上的正常分布情况（基态原子数>>激发态原子 数）倒转过来（激发态原子数>基态原子数）。这种现象 称为粒子数反转分布。
常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射工 作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。
后来者又发展用于尺寸与波长相当（d～l）的有吸 收和各项异性的粒子体系。
1944年Debye将Einstein的涨落理论应用到高分子溶 液，建立了理论，测定了橡胶的相对分子质量，并得到很 快发展。1948年Zimm提出有名的作图法。目前，光散射 技术已经成为测定相对分子质量和研究高分子溶液性质的 重要方法之一。
12
在动态光散射方面，1934年Landau和Placzck以不传 播的局部温度涨落来解释“中心成分”，但由于缺乏强的 单色光源及高分辨的频谱仪，所以Landau-Plczck理论直到 1965年才得到精确的实验测定。
Ford ,BenedekheCummins等分别于1965、1964年 将光学混频技术首先成功地用于测定这种已被展宽但仍很 窄的中心成分，随后动态光散射迅速发展。1972年Pecora 和1974年Chu先后撰写了有关专著，因而从理论到实验技 术上逐渐形成了较为完整的动态光散射技术，在物理、化 学、生物、医学等领域探讨亚微观世界自然规律发挥了重 要作用。
6
1．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He、Ne、Ar、 Kr、Xe、CO2等。
反射镜 钼筒 玻璃管 毛细管 工作气体
激光
激光
-直流电源
图10-1 氦-氖气体激光器结构示意图
7
2．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质 两部分组成。
E3
无辐射跃迁
光激发过程
E2 受激辐射跃迁hh 光照hE1
图10-2 固体激光产生原理
8
3．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 光器有砷化镓（GaAs）,磷化铟(InP)，及某些三元合金 （例如GaAsxP1-x）等。激励方式有：电子束照射、光 激发以及向激光二极管的p-n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。 它可在0.32mm ~45mm范围内获得可调协的激光输出。
4
（二）激光特性 1． 单色性好 2．相位一致 3．方向性好 4．亮度高
5
（三） 激光器 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 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 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 是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气 体。 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 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， 从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。
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 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
3
三 激光振荡、激光特性和激光器
（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
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。
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。
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。
能使光放大的装置称为光学谐振腔。
10
四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系 当一束极细的X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， 这种现象叫X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。
11
第二节 光的散射和X光散射物理
Rayleigh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（1881、1889年） 他从Maxwell’s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，当其尺寸与入射 光波长相比是非常小时（d<<1/20l）,散射光量应正比于波 长四次方的倒数，这被称为有名的瑞利（Rayleigh）定律。
1
第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 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
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。
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。
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。
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4．染料激光器 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工 作物质。 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1毫瓦至几百兆瓦。
光散射现象普遍存在于大自然中。
激光散射与一般光的散射在原理上是相同的，但由于 这种光源的强度高，单色性和方向性强，为光散射技术带 来革命性的进步。
激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等 优点。因此可以用来解决分析化学中存在的困难问题，如 单原子和单分子的探测，特高灵敏度的超痕量分析，快速 反应的高速分析，结构和状态分析，生物活性物质的分析 等。
2
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
子在能级上的正常分布情况（基态原子数>>激发态原子 数）倒转过来（激发态原子数>基态原子数）。这种现象 称为粒子数反转分布。
常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射工 作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。
后来者又发展用于尺寸与波长相当（d～l）的有吸 收和各项异性的粒子体系。
1944年Debye将Einstein的涨落理论应用到高分子溶 液，建立了理论，测定了橡胶的相对分子质量，并得到很 快发展。1948年Zimm提出有名的作图法。目前，光散射 技术已经成为测定相对分子质量和研究高分子溶液性质的 重要方法之一。
12
在动态光散射方面，1934年Landau和Placzck以不传 播的局部温度涨落来解释“中心成分”，但由于缺乏强的 单色光源及高分辨的频谱仪，所以Landau-Plczck理论直到 1965年才得到精确的实验测定。
Ford ,BenedekheCummins等分别于1965、1964年 将光学混频技术首先成功地用于测定这种已被展宽但仍很 窄的中心成分，随后动态光散射迅速发展。1972年Pecora 和1974年Chu先后撰写了有关专著，因而从理论到实验技 术上逐渐形成了较为完整的动态光散射技术，在物理、化 学、生物、医学等领域探讨亚微观世界自然规律发挥了重 要作用。
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1．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He、Ne、Ar、 Kr、Xe、CO2等。
反射镜 钼筒 玻璃管 毛细管 工作气体
激光
激光
-直流电源
图10-1 氦-氖气体激光器结构示意图
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2．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质 两部分组成。
E3
无辐射跃迁
光激发过程
E2 受激辐射跃迁hh 光照hE1
图10-2 固体激光产生原理
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3．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 光器有砷化镓（GaAs）,磷化铟(InP)，及某些三元合金 （例如GaAsxP1-x）等。激励方式有：电子束照射、光 激发以及向激光二极管的p-n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。 它可在0.32mm ~45mm范围内获得可调协的激光输出。
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（二）激光特性 1． 单色性好 2．相位一致 3．方向性好 4．亮度高
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（三） 激光器 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 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 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 是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气 体。 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 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， 从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。
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 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
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三 激光振荡、激光特性和激光器
（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
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。
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。
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。
能使光放大的装置称为光学谐振腔。
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四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系 当一束极细的X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， 这种现象叫X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。
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第二节 光的散射和X光散射物理
Rayleigh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（1881、1889年） 他从Maxwell’s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，当其尺寸与入射 光波长相比是非常小时（d<<1/20l）,散射光量应正比于波 长四次方的倒数，这被称为有名的瑞利（Rayleigh）定律。
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第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 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
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。
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。
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。
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4．染料激光器 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工 作物质。 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1毫瓦至几百兆瓦。
光散射现象普遍存在于大自然中。
激光散射与一般光的散射在原理上是相同的，但由于 这种光源的强度高，单色性和方向性强，为光散射技术带 来革命性的进步。
激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等 优点。因此可以用来解决分析化学中存在的困难问题，如 单原子和单分子的探测，特高灵敏度的超痕量分析，快速 反应的高速分析，结构和状态分析，生物活性物质的分析 等。