同步辐射科学基础PDF电子书下载

1　绪言——同步辐射的特征及用途 1

1.1　发展历史 1

1.2　同步辐射的特性 6

1.2.1 电子束的形状及同步辐射强度的单位 6

1.2.2　来自弯转磁铁（圆周运动产生）的辐射 7

1.2.3 波荡器产生的辐射 8

1.2.4 相干性 10

1.2.5 光束线站处的同步辐射 10

1.3　应用研究 11

1.3.1 真空紫外、软X射线的应用研究 12

1.3.2　硬X射线的应用研究 13

1.3.3 红外线的应用研究 15

1.4　同步辐射光源与其他光源的比较 15

参考文献 17

2　同步辐射产生的机理 19

2.1　电子运动的相对论描述 19

2.1.1 狭义相对论概要 19

2.1.2 电磁场中电子的运动方程 20

2.2　运动电子发出的电磁波 20

2.2.1 李纳-维谢尔（Riénard-Weichert）势 20

2.2.2 运动电子产生的电磁波 23

2.3　圆周运动产生的辐射 26

2.3.1　辐射的方向性 26

2.3.2　辐射功率 27

2.3.3　辐射强度的能量分布 27

2.3.4　角度分布 29

2.4　波荡器产生的辐射 30

2.4.1 平面波荡器产生的辐射 30

2.4.2 螺旋波荡器产生的辐射 34

3　同步辐射光源 36

3.1　整体结构 36

3.2　电子束的轨道 36

3.2.1　磁铁对电子束的作用 37

3.2.2　磁场 38

3.2.3　运动方程 38

3.2.4　运动方程的解 39

3.2.5　轨道的各种参数 42

3.2.6　磁铁 44

3.3　高频加速 45

3.3.1 同步加速器振荡 45

3.3.2　运动方程 46

3.3.3　辐射衰减 47

3.3.4 高频腔 48

3.4　电子束的寿命及不稳定性 49

3.4.1 真空 49

3.4.2 图谢克（Touschek）效应 52

3.4.3 不稳定性 52

3.5　相干光的发生 53

3.5.1　红外线相干辐射 53

3.5.2 自由电子激光 54

参考文献 55

4　物质对光的响应 57

4.1　物质与光的电磁学 57

4.1.1 介电常数和光学常数 57

4.1.2 菲涅尔（Fresmel）公式 59

4.1.3 克拉默斯-克勒尼希（Kramers-Kr？nig）分析 63

4.2　物质和光响应的微观经典论 64

4.2.1 洛伦兹（Lorentz）模型 65

4.2.2　德鲁德（Drude）模型 68

4.2.3　原子散射因子、偏振因子 70

4.3　光跃迁的量子论 73

4.3.1　光跃迁的一般理论 73

4.3.2 一阶过程 74

4.3.3 二阶过程 76

4.3.4　俄歇（Auger）过程和辐射过程 78

参考文献 80

5　分光与光谱技术 81

5.1　物质对光的吸收 81

5.2　聚焦镜 82

5.2.1 单一物质的反射率 82

5.2.2 多层膜 83

5.2.3　成像的条件 85

5.2.4　镜子材料、冷却和污染等问题 86

5.3　单色器 87

5.3.1　衍射光栅单色器 87

5.3.2 晶体单色器 92

5.4　滤波器 95

5.5　起偏器 96

5.6　探测器 97

5.6.1　零维探测器 97

5.6.2 一维探测器 98

5.6.3　二维探测器 98

5.7　时间分辨测定 99

5.8　光束线 100

参考文献 101

6　气体的真空紫外、软X射线光谱 103

6.1　原子光谱 103

6.1.1 单电子跃迁谱 103

6.1.2　双电子激发——自电离 104

6.1.3 巨大共振 105

6.2　分子光谱 106

6.2.1 玻恩-奥本海默（Born-Oppenheimer）近似和内壳层光电子谱 106

6.2.2　形状共振效应 108

6.2.3　简并内壳层激发态的分裂和动量画像测量 109

参考文献 111

7　固体的真空紫外、软X射线光谱 113

7.1　晶体的电子构造 113

7.2　在晶体中的光跃迁过程 114

7.3　光谱测量 115

7.3.1 吸收、发光谱测量 115

7.3.2 光电子能谱测量 116

7.4　半导体、离子晶体 121

7.5　金属 125

7.5.1　贵金属及碱金属 125

7.5.2 过渡金属 127

7.5.3　稀土金属 128

7.6　高温超导体 131

7.7　有机材料 135

7.7.1 有机材料的软X射线吸收谱 135

7.7.　2有机材料的光电子谱 136

7.8　金属介观体系的光电子谱 140

7.9　固体表面 142

7.9.1 固体表面的光电子谱 142

7.9.2 固体表面的光电子衍射 144

参考文献 147

8　利用同步辐射的工艺研究 151

8.1　表面光反应 151

8.1.1 固体表面的光激发反应的基本过程 151

8.1.2　用光激发清洁半导体表面 152

8.1.3 利用光激励表面反应生长新材料和产生刻蚀 153

8.2　微细加工 156

参考文献 158

9　X射线的结构解析 160

9.1　晶体的弹性散射 160

9.1.1　衍射强度 160

9.1.2 德拜-沃勒（Debye-Waller）因子 162

9.1.3 电子密度分布 163

9.2　衍射实验法 163

9.2.1　粉末晶体结构解析 163

9.2.2　单晶结构解析 166

9.2.3 同步辐射X射线衍射的优点 167

9.3　高温超导体、有机导体及铁电体的结构解析 170

9.3.1 高温超导体 170

9.3.2　有机导体 171

9.3.3　铁电体 173

9.4　电荷、轨道有序体系——钙钛矿型Mn氧化物 176

9.4.1 电荷分布规律的观测 176

9.4.2 轨道分布规律的观测 177

9.5　高压下的结构解析 179

9.5.1 产生高压的方法 179

9.5.2 压力标度 180

9.5.3 高压X射线衍射实验 180

9.6　蛋白质 182

9.6.1　蛋白质及其结构 182

9.6.2 蛋白质的X射线晶体结构解析概要 183

9.6.3 蛋白质的X射线晶体结构解析研究 185

9.6.4 时间分辨结构解析 188

9.7　水面的单分子膜结构 189

9.8　非周期体系 191

9.8.1 非周期体系的X射线散射 191

9.8.2　溶液中的氯化锌 193

9.8.3 熔融贵金属卤化物的离子相关性 194

参考文献 195

10 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）局域结构解析 199

10.1 X射线吸收光谱与EXAFS 199

10.2 EXAFS公式 200

10.3　晶体的局域结构解析 204

10.3.1 铁酸盐中金属元素的占据位置 204

10.3.2 磁性半导体混晶的原子间距离 207

10.3.3 卤素桥联混合原子价配位络合物中的金属-卤素间距离 208

10.3.4 钙钛矿型质子传导体的局部应变 209

10.4　非晶态物质的EXAFS与X射线衍射结构解析的比较 210

10.5　金属蛋白质 212

参考文献 213

11 利用荧光X射线的元素分析和结构分析 215

11.1 X射线荧光分析 215

11.1.1 X射线荧光分析概要 215

11.1.2 全反射X射线荧光分析 216

11.1.3　微区的掠出射X射线荧光分析 217

11.1.4 重元素的X射线荧光分析 218

11.2　荧光X射线全息成像 219

11.2.1 荧光X射线全息成像的原理 219

11.2.2 掺杂物周围的局部结构 221

参考文献 222

12 X射线非弹性散射 225

12.1 X射线非弹性散射的梗概 225

12.2 X射线非弹性散射的散射截面 227

12.3 X射线非弹性散射光谱 228

12.3.1 苯的散射光谱中表现出来的转移动量相关性 228

12.3.2 金属锂的康普顿（Compton）散射 229

12.3.3 郝斯勒（Heusler）合金的康普顿磁散射 230

12.3.4　水的X射线喇曼（Raman）散射 230

参考文献 231

13 红外光谱 233

13.1　同步辐射红外线的特点 233

13.2　红外光束线站 234

13.2.1　前端区 234

13.2.2　测量装置 235

13.3　固体及吸附气体表面的红外光谱 236

13.3.1 电子状态的研究 236

13.3.2　碱金属卤化物晶格振动的压力效应 239

13.3.3　半导体表面的原子、分子吸附 240

参考文献 243

14 成像 245

14.1　成像和衬度 245

14.2　成像光学系统的成像 246

14.2.1 成像光学系统 246

14.2.2　软X射线、硬X射线显微镜及其应用研究 248

14.2.3　红外显微镜 251

14.2.4 生理学研究对同步辐射显微镜的期待 253

14.3 X射线形貌术 255

14.3.1 X射线形貌术的原理 256

14.3.2 X射线形貌像及其观测实例 256

参考文献 260

附录 262

A．有关光成像的事项 262

B．圆周运动产生的辐射光谱与光子的平均能量 263

C．圆周运动产生的辐射角度分布 266

D．波荡器产生的辐射光谱 268

E．自由电子激光（FEL） 271

F．在库仑场和自由空间中的波动方程的极坐标解 274

G．法诺（Fano）效应 275

H．玻恩-奥本海默近似，弗兰克-康登（Frank-Condon）因子 277

I．van Hove奇异性 279

J．磁光效应 280

K．磁矩 284

L．能量损失函数 285

索引 289