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1 X射线及其与物质相互作用1

1.1 X射线：波和光子2

1.2 散射4

1.2.1 单个电子4

1.2.2 单个原子7

1.2.3 单个分子9

1.2.4 晶体9

1.2.5 一个自由电子的康普顿散射11

1.3 吸收13

1.4 折射和反射16

1.5 相干性17

1.6 磁相互作用18

1.7 深入阅读材料19

2 X光源20

2.1 早期的历史和X光管20

2.1.1 X光源的早期历史20

2.1.2 标准的X光管和旋转阳极X光源20

2.2 同步辐射介绍21

2.2.1 同步辐射21

2.2.2 X光束的特征：亮度22

2.3 从圆弧轨道发出的同步辐射22

2.3.1 多普勒效应和同步辐射的自然张角24

2.3.2 同步辐射的特征频率26

2.3.3 辐射通量，功率和频谱26

2.3.4 举例：ESRF的弯铁辐射28

2.3.5 小结：弯铁辐射29

2.4 波荡器的辐射29

2.4.1 波荡器的参数30

2.4.2 本征波长λ130

2.4.3 高次谐波31

2.4.4 单色度和角度准直度33

2.4.5 螺旋型波荡器37

2.4.6 发射度和衍射极限37

2.4.7 波荡器亮度39

2.4.8 总结：波荡器辐射39

2.5 扭摆器辐射40

2.6 自由电子激光41

2.7 紧凑型光源42

2.8 相干体积和光子简并度44

2.9 深入阅读材料45

2.10 习题45

3 界面的折射和反射47

3.1 折射，散射过程中的相移48

3.2 折射率和散射长度密度49

3.3 包含吸收的折射率52

3.4 X射线区的斯涅耳定律和菲涅耳等式53

3.5 均匀平板的反射56

3.6 多层膜的镜面反射58

3.6.1 运动学近似59

3.6.2 Parratt严格迭代方法60

3.7 有梯度界面的反射率61

3.8 粗糙界面和表面62

3.8.1 菲涅耳反射率的极限情况64

3.8.2 无关联的表面64

3.8.3 关联表面65

3.9 反射率研究举例67

3.9.1 朗缪尔膜67

3.9.2 液晶的自由表面68

3.10 X射线光学71

3.10.1 X光折射光学71

3.10.2 曲面镜74

3.11 深入阅读材料76

3.12 习题76

4 运动学散射Ⅰ：非晶态材料78

4.1 两电子体系78

4.1.1 两电子体系78

4.1.2 方向平均80

4.2 一个原子的散射82

4.2.1 弹性散射和原子形状因子82

4.2.2 非弹性散射84

4.3 一个分子的散射86

4.4 液体和玻璃体的散射87

4.4.1 径向分布函数88

4.4.2 液体的结构因子89

4.4.3 过冷液体的结构91

4.5 小角X光散射（SAXS）94

4.5.1 孤立颗粒的形状因子95

4.5.2 长波极限：Guinier分析96

4.5.3 短波极限：Porod分析98

4.5.4 形状因子随颗粒形状的变化98

4.5.5 多分散性100

4.5.6 颗粒间相互作用100

4.5.7 胶束到囊泡转变的动力学101

4.6 深入阅读材料103

4.7 习题103

5 运动学散射Ⅱ：晶体序105

5.1 晶体的散射105

5.1.1 晶体结构：晶格和基元105

5.1.2 散射振幅的分解108

5.1.3 劳厄条件109

5.1.4 倒格子110

5.1.5 劳厄和布拉格条件的等价性111

5.1.6 一维、二维和三维中的对晶格求和113

5.1.7 晶胞结构因子114

5.1.8 Ewald球面115

5.2 准周期结构117

5.2.1 被非公度调制的晶体118

5.2.2 准晶119

5.3 晶体截断棒121

5.4 晶格振动，德拜-沃勒因子和TDS123

5.5 小晶粒的散射强度128

5.5.1 洛伦兹因子130

5.5.2 消光131

5.5.3 吸收效应：延展面几何设置132

5.5.4 二维下的洛伦兹因子133

5.6 运动学散射的应用134

5.6.1 粉末衍射134

5.6.2 纤维的衍射136

5.6.3 二维晶体学141

5.7 深入阅读材料145

5.8 习题145

6 完美晶体的衍射148

6.1 单原子层：反射和透射149

6.2 少数层原子的运动学反射150

6.3 达尔文理论和动力学衍射152

6.3.1 基本差分方程152

6.3.2 分离T场和S场153

6.3.3 T场和S场的尝试解153

6.3.4 振幅反射率，S0/T0154

6.4 达尔文反射率曲线155

6.4.1 达尔文宽度156

6.4.2 消光深度157

6.4.3 积分强度159

6.4.4 驻波160

6.4.5 高阶反射162

6.4.6 吸收效应163

6.4.7 非对称式布拉格构型164

6.5 杜蒙德图165

6.5.1 一块晶体166

6.5.2 以对称式布拉格构型排布的两块晶体169

6.6 深入阅读材料170

6.7 习题171

7 光电吸收172

7.1 孤立原子的X射线吸收174

7.1.1 自由电子近似175

7.1.2 优于自由电子近似的方法178

7.2 EXAFS和近边结构181

7.2.1 实验考虑181

7.2.2 理论概述184

7.2.3 实例：CdTe纳米晶体185

7.3 X射线二向色性189

7.4 角分辨光电子能谱194

7.5 深入阅读材料197

7.6 习题197

8 共振散射199

8.1 强迫的带电振子201

8.1.1 色散修正：实部和虚部201

8.1.2 总散射截面202

8.1.3 色散修正与折射率203

8.1.4 吸收截面204

8.2 原子作为振子的一个集合204

8.3 Kramers-Kronig关系205

8.4 对f′的数值估算206

8.4.1 简单模型206

8.4.2 更实际的方法208

8.5 Friedel定律的失效和Bijvoet对210

8.5.1 实例：ZnS中的绝对极化方向212

8.5.2 手性晶体的Bijvoet实验212

8.6 晶体学中的相位问题214

8.6.1 MAD方法215

8.7 量子力学描述216

8.8 深入阅读材料219

8.9 习题219

9 X光成像221

9.1 X光成像简介221

9.2 吸收衬度成像223

9.2.1 造影和断层成像术223

9.2.2 显微术226

9.2.3 举例：X射线透射显微术229

9.3 相衬成像230

9.3.1 自由空间传播231

9.3.2 光栅干涉法235

9.4 相干散射成像239

9.4.1 相干光束和散斑图案239

9.4.2 通过过采样获取相位241

9.4.3 举例：金的纳米颗粒成像244

9.5 全息照相术245

9.6 深入阅读材料246

9.7 习题248

附录250

附录A 散射与吸收截面250

附录B 经典电偶极辐射254

附录C 电磁场量子化258

附录D 高斯统计262

附录E 傅立叶变换264

附录F X射线与中子的比较270

附录G MATLAB？计算机程序272

附录H 习题答案及提示294

参考文献299

索引301

符号表305

物理常数表307