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晶体结构解析与材料科学前沿：基于先进衍射方法的探索 图书名称：《晶体结构解析与材料科学前沿：基于先进衍射方法的探索》 --- 内容概述 本书深入探讨了现代晶体学、材料科学以及凝聚态物理领域中，利用各类先进衍射技术对物质微观结构进行精确表征的理论基础、实验方法及其在尖端材料开发中的应用。全书结构严谨，逻辑清晰，旨在为高年级本科生、研究生以及从事材料研发和结构分析的专业科研人员提供一本全面、深入且具有实践指导意义的参考著作。 本书的核心聚焦于X射线衍射（XRD）、中子衍射（ND）和同步辐射光源衍射技术的原理、数据采集、处理与结构解析的全过程，并辅以新兴的电子衍射（ED）和高能同步辐射（HE-SR）技术在复杂体系研究中的突破性进展。 第一部分：晶体学基础与衍射物理（理论基石） 本部分首先回顾了晶体结构分析所需的数学和物理基础，为后续的复杂技术介绍铺平道路。 第一章 晶体学的基本概念与对称性 详细阐述了晶体的周期性结构、布拉维点阵、晶体学符号（如Wigner-Seitz元胞、倒易点阵）。重点剖析了32个晶体点群和230个空间群的完整分类及其在结构描述中的不可替代性。讨论了施温特（Schönflies）和赫尔曼-莫根（Hermann-Mauguin）符号体系的精确应用，并引入了高维晶体学（准晶体）的初步概念。 第二章 衍射理论与结构因子 本章是本书的理论核心。系统阐述了衍射现象的物理本质，从费米黄金定则和傅里叶变换的角度，详细推导了衍射强度与结构因子之间的关系。对爱瓦尔德球（Ewald Sphere）的几何构建进行了详尽的几何分析，解释了晶带轴、布拉格定律的微观起源。 深入分析了原子散射因子、洛伦兹因子和偏振因子对衍射峰强度的影响。特别关注了晶体缺陷（如堆垛层错、孪晶、非周期性结构）对衍射图样造成的畸变和展宽效应，并提供了量化描述这些缺陷的数学模型。 第二部分：经典衍射技术：从实验室到同步辐射（实验方法） 本部分聚焦于三大主流衍射技术的工作原理、仪器配置、数据采集流程以及初步解析策略。 第三章 粉末X射线衍射（PXRD）与物相鉴定 详细介绍了传统X射线管源和现代薄膜X射线衍射仪的几何构造（如Bragg-Brentano、平行光束几何）。重点讲解了Rietveld精修方法的完整流程，包括背景校正、峰形拟合（如Pseudo-Voigt、型函数选择）、零点误差修正和结构参数的最小二乘优化。阐述了如何利用PXRD进行晶粒尺寸的Scherrer分析、残余应力的测定，以及对多相混合物进行定量分析。 第四章 单晶X射线衍射（SC-XRD）与结构解析 系统梳理了单晶衍射数据的采集过程，包括衍射数据质量的评估（如$R_{merge}$、$I/sigma(I)$）、数据归一化和吸收校正。本书提供了多种相位问题（Phase Problem）的求解策略，如重原子法、直接法（Direct Methods）和圈定法（Patterson Function Analysis）。特别对结构解析的迭代过程进行了细致的步骤分解，包括电子密度图的计算、原子模型的构建与修正。 第五章 中子衍射技术及其在轻元素分析中的优势 阐释了中子源的产生机制（反应堆与散裂中子源），以及中子与物质相互作用的物理图像。重点对比了中子散射长度（$b_n$）与电子散射因子在不同元素上的差异，强调了中子衍射在精确测定轻元素（如氢、锂）的位置、区分同位素（如${}^1 ext{H}$与${}^2 ext{H}$）以及研究磁性结构方面的不可替代性。详述了如何利用中子衍射结合磁性对称性进行反常中子散射（Anomalous Neutron Scattering）。 第三部分：前沿与交叉应用（拓展现值） 本部分关注高能、非平衡态和动态过程下的衍射研究，是通向材料科学前沿的桥梁。 第六章 高能X射线与原位/非原位衍射 探讨了使用高能同步辐射光（$ ext{E} > 20 ext{keV}$）进行衍射的优势，尤其是在穿透能力和高压/高温实验中的应用。详细介绍了高压金刚石对顶砧（DAC）技术与高能XRD的耦合，用于研究深层地球材料和极端条件下的相变。深入分析了原位（In-situ）衍射在电池充放电循环、催化反应动态演变过程中的数据采集与时间分辨解析策略。 第七章 电子衍射（ED）与纳米尺度结构表征 将焦点转移至透射电子显微镜（TEM）中的电子衍射技术。区别了明场、暗场衍射（SAED）与高分辨晶格像（HRTEM）在结构信息获取上的互补性。详细阐述了锥束电子衍射（CBED）用于精确确定晶体空间群、点群，特别是分析薄膜材料中的晶格畸变和应力场。介绍了定量高分辨透射电镜（QHRTEM）在界面结构分析中的应用。 第八章 复杂结构与非周期性系统的解析挑战 本章面向多组分复杂材料，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和复杂氧化物。讨论了如何利用多波结构因子理论处理原子排列高度无序或存在结构模糊的体系。探讨了PDF（Pair Distribution Function，对分布函数）分析方法，如何通过小角度散射和高$Q$值衍射数据，获取超越平均晶体结构信息的短程无序和局域结构信息。 总结与展望 全书最后总结了衍射技术在推动新材料发现（如高温超导、拓扑绝缘体、能源存储材料）中的关键作用，并对未来发展趋势进行了展望，特别是关于实时（Real-time）结构成像和人工智能辅助结构解析的潜力。 --- 本书特色： 理论与实践深度融合： 既有严格的物理推导，又包含大量真实的晶体结构解析案例。 技术覆盖全面： 涵盖了从基础XRD到前沿高能/电子衍射的完整光谱。 面向应用： 强调数据处理和结构精修的软件操作思路（不依赖特定软件，侧重算法）。 目标读者： 材料物理、化学、矿物学、凝聚态物理、化学工程等领域的研究人员及研究生。
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