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同步輻射中的振動散射能譜學(xué):原理及其在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030724328
- 條形碼：9787030724328 ; 978-7-03-072432-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
同步輻射中的振動散射能譜學(xué):原理及其在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用 內(nèi)容簡介
本書介紹兩種優(yōu)選的同步輻射振動散射能譜學(xué)方法：非彈性X-射線振動散射能譜學(xué)和核共振振動散射能譜學(xué)。前者通過觀察電子云對X-射線的非共振散射來測量振動能譜；而后者研究原子核對X-射線的共振散射，兩者各具特點和代表性。由于前者在化學(xué)上的應(yīng)用較少，本書僅做簡單的入門性介紹，主要是幫助讀者從原理上和順序上更完整地理解什么是振動散射；后者在化學(xué)和生物化學(xué)研究中已有廣泛應(yīng)用，是本書介紹的重點。在選材上，平衡兼顧優(yōu)選性、綜合性和實用性，并本著多敘述、少理論、多圖表，少公式的原則，力求深入淺出、通俗易懂。
同步輻射中的振動散射能譜學(xué):原理及其在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用 目錄
目錄
第1章 同步輻射：知微知彰的現(xiàn)代光源 1
1.1 同步輻射：第四代人造光源 1
1.2 同步輻射的主要特性 3
1.3 同步輻射的工作原理 6
1.3.1 同步輻射的基本原理 6
1.3.2 同步輻射裝置的性能參數(shù) 8
1.3.3 同步輻射裝置的工程參數(shù) 13
1.4 同步輻射光源的基本構(gòu)造 15
1.4.1 同步輻射環(huán) 15
1.4.2 插入件 17
1.4.3 光束線 19
1.5 同步輻射光源的歷史和現(xiàn)狀 22
1.5.1 **代同步輻射光源 22
1.5.2 第二代同步輻射光源 23
1.5.3 第三代同步輻射光源 23
1.6 同步輻射的應(yīng)用簡介 25
1.6.1 形貌學(xué)應(yīng)用 25
1.6.2 晶體學(xué)應(yīng)用 26
1.6.3 能譜學(xué)應(yīng)用 28
1.6.4 工藝學(xué)應(yīng)用 28
參考資料 29
第2章 X-射線能譜學(xué)：原理與測量 30
2.1 能譜學(xué)基礎(chǔ)：極簡量子力學(xué)一覽 30
2.1.1 量子力學(xué)的發(fā)展簡史 30
2.1.2 薛定諤方程和一維勢阱 31
2.1.3 氫原子和類氫離子 33
2.1.4 量子數(shù)和電子云 33
2.1.5 量子系統(tǒng)的微擾 34
2.2 X-射線能譜學(xué)的簡介 35
2.2.1 X-射線與原子的相互作用 35
2.2.2 躍遷的量子力學(xué)解釋 36
2.2.3 硬 X-射線吸收能譜學(xué) 37
2.2.4 軟 X-射線吸收能譜學(xué) 39
2.2.5 X-射線熒光能譜學(xué) 40
2.2.6 其他類型的 X-射線能譜學(xué) 42
2.3 X-射線的基本探測方法 42
2.3.1 透射測量 42
2.3.2 間接測量 43
2.4 探測微弱信號：大海撈針的藝術(shù) 44
2.4.1 選擇性：大海撈針的關(guān)鍵 45
2.4.2 統(tǒng)計性：信號量的重要性 46
2.4.3 信噪比：鑒定信號的真?zhèn)?47
2.5 X-射線的熒光探測方法 48
2.5.1 從能量上進行分辨的測量 49
2.5.2 X-熒光探測器簡介 50
2.5.3 從時間上進行分辨的測量 52
2.6 X-射線探測的核電子學(xué) 52
2.6.1 能譜信號的分辨與分離 53
2.6.2 整形放大 54
2.6.3 濾波 55
2.6.4 能量甄別 55
2.6.5 時間甄別 57
2.6.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器 58
參考資料 59
第3章 X-射線振動散射能譜學(xué) 63
3.1 X-射線散射能譜學(xué)的基本概念 63
3.1.1 理解 X-射線的散射過程 63
3.1.2 非共振的非彈性散射 64
3.1.3 共振型的非彈性散射 64
3.1.4 測量 X-射線散射：分光能譜儀 66
3.2 測量振動：從中子散射說起 68
3.2.1 中子的非彈性散射譜學(xué) 68
3.2.2 中子散射的局限性 69
3.3 X-射線振動散射能譜學(xué)的起源 70
3.3.1 振動的能量和 X-射線的能量 70
3.3.2 X-射線振動散射能譜學(xué)的建立 71
3.3.3 X-射線振動散射能譜學(xué)的名稱 73
3.3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)的優(yōu)勢 73
3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)的原理 75
3.4.1 X-射線非彈性散射的散射截面 75
3.4.2 一維原子鏈的晶格振動問題 77
3.4.3 聲學(xué)波和光學(xué)波 79
3.4.4 傳播中的橫波和縱波 81
3.5 X-射線振動散射能譜學(xué)實驗 82
3.5.1 IXS 實驗對于光源的要求 82
3.5.2 IXS 實驗對于探測系統(tǒng)的要求 86
3.5.3 樣品的測量環(huán)境 89
3.6 X-射線振動散射譜圖的分析 91
3.6.1 從原始數(shù)據(jù)求取純的 IXS 散射譜 91
3.6.2 從晶格振動原理解讀 IXS 散射譜 93
參考資料 95
第4章 核共振振動散射能譜學(xué) 98
4.1 核散射：從穆斯堡爾譜學(xué)說起 99
4.1.1 X-射線的核散射和電子散射 99
4.1.2 穆斯堡爾譜學(xué)原理 101
4.1.3 穆斯堡爾譜學(xué)實驗 104
4.2 核共振振動散射能譜學(xué)的建立 105
4.2.1 核共振振動能譜學(xué)的起源 105
4.2.2 核共振振動能譜學(xué)的名稱 106
4.2.3 核共振振動能譜學(xué)的現(xiàn)狀 106
4.3 核共振振動散射能譜學(xué)的原理 107
4.3.1 核共振散射的散射強度 107
4.3.2 振動的核散射和選律 107
4.3.3 核共振振動散射能譜學(xué)的優(yōu)越性 108
4.4 核共振振動散射能譜學(xué)的實驗 110
4.4.1 核振散射實驗對單色器的要求 110
4.4.2 同步輻射脈沖的時間結(jié)構(gòu) 113
4.4.3 核振散射實驗對探測系統(tǒng)的要求 115
4.4.4 測量核振散射的核電子學(xué) 118
4.4.5 樣品的測量環(huán)境 121
4.4.6 核振譜學(xué)的測量流程 124
4.5 幾條核共振振動散射譜學(xué)的束線 125
4.5.1 美國APS的03ID束線 127
4.5.2 日本SPring-8的BL09XU束線 129
4.5.3 日本SPring-8的BL19LXU束線 130
4.5.4 其他的核振散射束線 131
4.6 核共振振動散射能譜的分析 133
4.6.1 求取能態(tài)密度函數(shù) PVDOS 133
4.6.2 用簡正模態(tài)分析進行擬合計算 134
4.6.3 用密度泛函理論進行擬合計算 135
參考資料 139
第5章 研究的樣品：生物化學(xué)基礎(chǔ)知識 143
5.1 生物分子的組分和結(jié)構(gòu) 144
5.1.1 氨基酸 144
5.1.2 肽 146
5.1.3 蛋白質(zhì) 147
5.1.4 核酸 148
5.2 酶和酶的催化動力學(xué)原理 149
5.2.1 酶：具有催化功能的蛋白質(zhì) 149
5.2.2 酶的催化動力學(xué) 150
5.2.3 酶的催化機理 151
5.2.4 酶的應(yīng)用和提純 152
5.3 含金屬的酶和生物金屬中心 154
5.4 配位化合物和配位化學(xué) 158
5.4.1 對生物金屬中心的化學(xué)模擬 158
5.4.2 配位化合物的概述 158
5.4.3 配位化合物的構(gòu)型 161
5.4.4 配位化合物的理論 162
5.5 金屬酶的現(xiàn)代譜學(xué)研究 163
5.5.1 實驗室譜學(xué)的運用和研究 163
5.5.2 同步輻射譜學(xué)的運用和研究 165
參考資料 167
第6章 研究的問題：分子的振動和結(jié)構(gòu) 169
6.1 雙原子分子：*簡單的振子 171
6.1.1 諧振子模型 171
6.1.2 選律 172
6.1.3 非諧振修正 173
6.2 多原子分子：由簡到繁 175
6.2.1 簡正振動 175
6.2.2 選律 177
6.2.3 雜化軌道和特征譜線 178
6.3 金屬–配體的振動譜學(xué) 181
6.3.1 金屬–配體的振動能量范圍 181
6.3.2 金屬–配體的全部振動模態(tài) 183
6.4 振動譜學(xué)的實驗測量方法 186
6.4.1 紅外吸收光譜學(xué)的測量 186
6.4.2 測量遠紅外譜學(xué)的困難 188
6.4.3 拉曼散射譜學(xué)的介紹 189
6.4.4 拉曼散射譜學(xué)的測量 192
6.4.5 激光光致熒光光譜學(xué) 193
6.4.6 選用核振散射能譜學(xué) 194
參考資料 196
第7章 核振散射：對簡單鐵蛋白的研究 197
7.1 分析*簡單的鐵配合物 197
7.2 對玉紅氧還蛋白的研究 199
7.2.1 什么是玉紅氧還蛋白？ 199
7.2.2 核振散射能譜圖的概述 201
7.2.3 對比拉曼散射光譜 203
7.2.4 擬合氧化態(tài)的核振譜圖 205
7.2.5 擬合還原態(tài)的核振譜圖 207
7.2.6 對力常數(shù)的一些討論 208
7.3 晶體與溶液的核振散射譜圖 210
7.4 對鐵硫蛋白的核振散射研究 211
7.4.1 什么是鐵硫蛋白？ 211
7.4.2 對 Fe2S2 簇的研究 213
7.4.3 對 Fe4S4 簇的研究 214
7.4.4 對 Fe3S4 簇的研究 215
7.5 對肌紅蛋白的核振散射研究 216
7.6 對單鐵氫酶的核振散射研究 219
7.6.1 什么是單鐵氫酶？ 219
7.6.2 單鐵氫酶譜圖的初探 221
7.6.3 模型配合物的研究 222
7.6.4 單鐵氫酶譜圖的理論擬合 224
7.6.5 不同酸堿度對核振譜圖的影響 227
參考資料 227
第8章 核振散射：對固氮酶的探索 230
8.1 有關(guān)固氮酶的基本概念 230
8.2 固氮酶的結(jié)構(gòu)和催化機理 232
8.2.1 鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)解析 232
8.2.2 鐵鉬輔基的絡(luò)合方式 234
8.2.3 鐵鉬輔基中的高檸檬酸 235
8.2.4 固氮酶的催化過程 235
8.3 核振散射對固氮酶的初探 239
8.3.1 對固氮酶鐵蛋白的研究 239
8.3.2 對 P 簇的研究 241
8.3.3 對 M 簇的研究 241
8.3.4 對 M 簇中心元素的推測 244
8.4 核振散射對固氮酶 +CO 的研究 246
8.4.1 Fe—CO 振動區(qū)的譜學(xué)特征 246
8.4.2 鐵鉬輔基呼吸模態(tài)的變化 248
8.4.3 理論擬合和多譜學(xué)的綜合運用 249
8.5 核振散射對固氮酶前驅(qū)體的研究 252
8.5.1 固氮酶前驅(qū)體簡介 252
8.5.2 前驅(qū)體 VK 簇的結(jié)構(gòu)問題 254
8.5.3 核振散射對前驅(qū)體的研究 255
8.6 固氮酶活性中心的化學(xué)模擬 257
8.6.1 對鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)模擬 257
8.6.2 高檸檬酸的金屬配合物 258
8.6.3 含氮、氫的金屬配合物 262
8.6.4 同步輻射對模型分子的研究 264
參考資料 266
第9章 核振散射：對氫酶的探索 270
9.1 有關(guān)氫酶的基礎(chǔ)知識 270
9.1.1 什么是氫酶？ 270
9.1.2 氫酶的分類 271
9.1.3 研究氫酶的意義 271
9.2 氫酶活性中心和催化機理 273
9.2.1 鎳鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 273
9.2.2 鎳鐵氫酶的催化機理 275
9.2.3 鐵鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 278
9.2.4 鐵鐵氫酶的催化機理 280
第1章 同步輻射：知微知彰的現(xiàn)代光源 1
1.1 同步輻射：第四代人造光源 1
1.2 同步輻射的主要特性 3
1.3 同步輻射的工作原理 6
1.3.1 同步輻射的基本原理 6
1.3.2 同步輻射裝置的性能參數(shù) 8
1.3.3 同步輻射裝置的工程參數(shù) 13
1.4 同步輻射光源的基本構(gòu)造 15
1.4.1 同步輻射環(huán) 15
1.4.2 插入件 17
1.4.3 光束線 19
1.5 同步輻射光源的歷史和現(xiàn)狀 22
1.5.1 **代同步輻射光源 22
1.5.2 第二代同步輻射光源 23
1.5.3 第三代同步輻射光源 23
1.6 同步輻射的應(yīng)用簡介 25
1.6.1 形貌學(xué)應(yīng)用 25
1.6.2 晶體學(xué)應(yīng)用 26
1.6.3 能譜學(xué)應(yīng)用 28
1.6.4 工藝學(xué)應(yīng)用 28
參考資料 29
第2章 X-射線能譜學(xué)：原理與測量 30
2.1 能譜學(xué)基礎(chǔ)：極簡量子力學(xué)一覽 30
2.1.1 量子力學(xué)的發(fā)展簡史 30
2.1.2 薛定諤方程和一維勢阱 31
2.1.3 氫原子和類氫離子 33
2.1.4 量子數(shù)和電子云 33
2.1.5 量子系統(tǒng)的微擾 34
2.2 X-射線能譜學(xué)的簡介 35
2.2.1 X-射線與原子的相互作用 35
2.2.2 躍遷的量子力學(xué)解釋 36
2.2.3 硬 X-射線吸收能譜學(xué) 37
2.2.4 軟 X-射線吸收能譜學(xué) 39
2.2.5 X-射線熒光能譜學(xué) 40
2.2.6 其他類型的 X-射線能譜學(xué) 42
2.3 X-射線的基本探測方法 42
2.3.1 透射測量 42
2.3.2 間接測量 43
2.4 探測微弱信號：大海撈針的藝術(shù) 44
2.4.1 選擇性：大海撈針的關(guān)鍵 45
2.4.2 統(tǒng)計性：信號量的重要性 46
2.4.3 信噪比：鑒定信號的真?zhèn)?47
2.5 X-射線的熒光探測方法 48
2.5.1 從能量上進行分辨的測量 49
2.5.2 X-熒光探測器簡介 50
2.5.3 從時間上進行分辨的測量 52
2.6 X-射線探測的核電子學(xué) 52
2.6.1 能譜信號的分辨與分離 53
2.6.2 整形放大 54
2.6.3 濾波 55
2.6.4 能量甄別 55
2.6.5 時間甄別 57
2.6.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器 58
參考資料 59
第3章 X-射線振動散射能譜學(xué) 63
3.1 X-射線散射能譜學(xué)的基本概念 63
3.1.1 理解 X-射線的散射過程 63
3.1.2 非共振的非彈性散射 64
3.1.3 共振型的非彈性散射 64
3.1.4 測量 X-射線散射：分光能譜儀 66
3.2 測量振動：從中子散射說起 68
3.2.1 中子的非彈性散射譜學(xué) 68
3.2.2 中子散射的局限性 69
3.3 X-射線振動散射能譜學(xué)的起源 70
3.3.1 振動的能量和 X-射線的能量 70
3.3.2 X-射線振動散射能譜學(xué)的建立 71
3.3.3 X-射線振動散射能譜學(xué)的名稱 73
3.3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)的優(yōu)勢 73
3.4 X-射線振動散射能譜學(xué)的原理 75
3.4.1 X-射線非彈性散射的散射截面 75
3.4.2 一維原子鏈的晶格振動問題 77
3.4.3 聲學(xué)波和光學(xué)波 79
3.4.4 傳播中的橫波和縱波 81
3.5 X-射線振動散射能譜學(xué)實驗 82
3.5.1 IXS 實驗對于光源的要求 82
3.5.2 IXS 實驗對于探測系統(tǒng)的要求 86
3.5.3 樣品的測量環(huán)境 89
3.6 X-射線振動散射譜圖的分析 91
3.6.1 從原始數(shù)據(jù)求取純的 IXS 散射譜 91
3.6.2 從晶格振動原理解讀 IXS 散射譜 93
參考資料 95
第4章 核共振振動散射能譜學(xué) 98
4.1 核散射：從穆斯堡爾譜學(xué)說起 99
4.1.1 X-射線的核散射和電子散射 99
4.1.2 穆斯堡爾譜學(xué)原理 101
4.1.3 穆斯堡爾譜學(xué)實驗 104
4.2 核共振振動散射能譜學(xué)的建立 105
4.2.1 核共振振動能譜學(xué)的起源 105
4.2.2 核共振振動能譜學(xué)的名稱 106
4.2.3 核共振振動能譜學(xué)的現(xiàn)狀 106
4.3 核共振振動散射能譜學(xué)的原理 107
4.3.1 核共振散射的散射強度 107
4.3.2 振動的核散射和選律 107
4.3.3 核共振振動散射能譜學(xué)的優(yōu)越性 108
4.4 核共振振動散射能譜學(xué)的實驗 110
4.4.1 核振散射實驗對單色器的要求 110
4.4.2 同步輻射脈沖的時間結(jié)構(gòu) 113
4.4.3 核振散射實驗對探測系統(tǒng)的要求 115
4.4.4 測量核振散射的核電子學(xué) 118
4.4.5 樣品的測量環(huán)境 121
4.4.6 核振譜學(xué)的測量流程 124
4.5 幾條核共振振動散射譜學(xué)的束線 125
4.5.1 美國APS的03ID束線 127
4.5.2 日本SPring-8的BL09XU束線 129
4.5.3 日本SPring-8的BL19LXU束線 130
4.5.4 其他的核振散射束線 131
4.6 核共振振動散射能譜的分析 133
4.6.1 求取能態(tài)密度函數(shù) PVDOS 133
4.6.2 用簡正模態(tài)分析進行擬合計算 134
4.6.3 用密度泛函理論進行擬合計算 135
參考資料 139
第5章 研究的樣品：生物化學(xué)基礎(chǔ)知識 143
5.1 生物分子的組分和結(jié)構(gòu) 144
5.1.1 氨基酸 144
5.1.2 肽 146
5.1.3 蛋白質(zhì) 147
5.1.4 核酸 148
5.2 酶和酶的催化動力學(xué)原理 149
5.2.1 酶：具有催化功能的蛋白質(zhì) 149
5.2.2 酶的催化動力學(xué) 150
5.2.3 酶的催化機理 151
5.2.4 酶的應(yīng)用和提純 152
5.3 含金屬的酶和生物金屬中心 154
5.4 配位化合物和配位化學(xué) 158
5.4.1 對生物金屬中心的化學(xué)模擬 158
5.4.2 配位化合物的概述 158
5.4.3 配位化合物的構(gòu)型 161
5.4.4 配位化合物的理論 162
5.5 金屬酶的現(xiàn)代譜學(xué)研究 163
5.5.1 實驗室譜學(xué)的運用和研究 163
5.5.2 同步輻射譜學(xué)的運用和研究 165
參考資料 167
第6章 研究的問題：分子的振動和結(jié)構(gòu) 169
6.1 雙原子分子：*簡單的振子 171
6.1.1 諧振子模型 171
6.1.2 選律 172
6.1.3 非諧振修正 173
6.2 多原子分子：由簡到繁 175
6.2.1 簡正振動 175
6.2.2 選律 177
6.2.3 雜化軌道和特征譜線 178
6.3 金屬–配體的振動譜學(xué) 181
6.3.1 金屬–配體的振動能量范圍 181
6.3.2 金屬–配體的全部振動模態(tài) 183
6.4 振動譜學(xué)的實驗測量方法 186
6.4.1 紅外吸收光譜學(xué)的測量 186
6.4.2 測量遠紅外譜學(xué)的困難 188
6.4.3 拉曼散射譜學(xué)的介紹 189
6.4.4 拉曼散射譜學(xué)的測量 192
6.4.5 激光光致熒光光譜學(xué) 193
6.4.6 選用核振散射能譜學(xué) 194
參考資料 196
第7章 核振散射：對簡單鐵蛋白的研究 197
7.1 分析*簡單的鐵配合物 197
7.2 對玉紅氧還蛋白的研究 199
7.2.1 什么是玉紅氧還蛋白？ 199
7.2.2 核振散射能譜圖的概述 201
7.2.3 對比拉曼散射光譜 203
7.2.4 擬合氧化態(tài)的核振譜圖 205
7.2.5 擬合還原態(tài)的核振譜圖 207
7.2.6 對力常數(shù)的一些討論 208
7.3 晶體與溶液的核振散射譜圖 210
7.4 對鐵硫蛋白的核振散射研究 211
7.4.1 什么是鐵硫蛋白？ 211
7.4.2 對 Fe2S2 簇的研究 213
7.4.3 對 Fe4S4 簇的研究 214
7.4.4 對 Fe3S4 簇的研究 215
7.5 對肌紅蛋白的核振散射研究 216
7.6 對單鐵氫酶的核振散射研究 219
7.6.1 什么是單鐵氫酶？ 219
7.6.2 單鐵氫酶譜圖的初探 221
7.6.3 模型配合物的研究 222
7.6.4 單鐵氫酶譜圖的理論擬合 224
7.6.5 不同酸堿度對核振譜圖的影響 227
參考資料 227
第8章 核振散射：對固氮酶的探索 230
8.1 有關(guān)固氮酶的基本概念 230
8.2 固氮酶的結(jié)構(gòu)和催化機理 232
8.2.1 鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)解析 232
8.2.2 鐵鉬輔基的絡(luò)合方式 234
8.2.3 鐵鉬輔基中的高檸檬酸 235
8.2.4 固氮酶的催化過程 235
8.3 核振散射對固氮酶的初探 239
8.3.1 對固氮酶鐵蛋白的研究 239
8.3.2 對 P 簇的研究 241
8.3.3 對 M 簇的研究 241
8.3.4 對 M 簇中心元素的推測 244
8.4 核振散射對固氮酶 +CO 的研究 246
8.4.1 Fe—CO 振動區(qū)的譜學(xué)特征 246
8.4.2 鐵鉬輔基呼吸模態(tài)的變化 248
8.4.3 理論擬合和多譜學(xué)的綜合運用 249
8.5 核振散射對固氮酶前驅(qū)體的研究 252
8.5.1 固氮酶前驅(qū)體簡介 252
8.5.2 前驅(qū)體 VK 簇的結(jié)構(gòu)問題 254
8.5.3 核振散射對前驅(qū)體的研究 255
8.6 固氮酶活性中心的化學(xué)模擬 257
8.6.1 對鐵鉬輔基的結(jié)構(gòu)模擬 257
8.6.2 高檸檬酸的金屬配合物 258
8.6.3 含氮、氫的金屬配合物 262
8.6.4 同步輻射對模型分子的研究 264
參考資料 266
第9章 核振散射：對氫酶的探索 270
9.1 有關(guān)氫酶的基礎(chǔ)知識 270
9.1.1 什么是氫酶？ 270
9.1.2 氫酶的分類 271
9.1.3 研究氫酶的意義 271
9.2 氫酶活性中心和催化機理 273
9.2.1 鎳鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 273
9.2.2 鎳鐵氫酶的催化機理 275
9.2.3 鐵鐵氫酶的中心結(jié)構(gòu) 278
9.2.4 鐵鐵氫酶的催化機理 280
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同步輻射中的振動散射能譜學(xué):原理及其在生物化學(xué)研究中的應(yīng)用 節(jié)選
第1章 同步輻射：知微知彰的現(xiàn)代光源 開篇之前，讓我們先一起來讀一個通俗故事：在一個昏暗的晚上，一條大路 通向遠方，一個小孩在唯一的一盞街燈下一遍又一遍地尋找著什么。 一位好心的路人問道：“小朋友，你在找什么啊？ ” 小孩答道：“我在找我的鑰匙！ 路人又問：“你確定是在這里丟的嗎？ ” 小孩又答：“我不確定。但，這是我唯一看得見的地方，我只能在這里找！ 試想，如果沿街都有街燈，或者那個小孩有個手電筒，他便可擴大搜索范圍， 并*終找到鑰匙。 這個故事告訴人們：要完成任何一件事情，包括找鑰匙，也包括研究科學(xué)問題， 其先進的條件和手段必不可少，這正如古語所說：“工欲善其事，必先利其器。”（《論 語 衛(wèi)靈公》）。 光源一向是人類觀察和研究自然現(xiàn)象必不可少的基礎(chǔ)，也是任何光譜學(xué)或能 譜學(xué)問題的起點。作為一種*先進的現(xiàn)代光源，同步輻射為科學(xué)和技術(shù)中的諸多 領(lǐng)域提供了不可替代的工具和平臺。截至2020年初，全世界共有60多臺運轉(zhuǎn)的 同步輻射裝置，分布于20多個國家和地區(qū)，還有很多裝置正處于建設(shè)、籌建或者 升級換代當(dāng)中。同步輻射裝置的建設(shè)和發(fā)展水平甚至可以作為衡量某一國家整體 科技發(fā)展程度的重要標(biāo)志之一。 1.1同步輻射：第四代人造光源 眾所周知：狹義上的光或者說可見光只是整個電磁波輻射范圍中的一個很窄 的波段；反過來，從遠紅外到伽馬射線的整個電磁波的全頻范圍也可以被稱為廣 義上的光。在古代，除了微弱的火光之外，太陽帶來的自然光是人類使用的主要 光源。人類在光學(xué)儀器上的每一次重大發(fā)現(xiàn)都對科技和人類生活的整體進步產(chǎn)生 過巨大的推動作用，比如眼鏡、望遠鏡和顯微鏡等無一不是如此。但它們在當(dāng)時 也還是只能利用自然光。從圖1.1得知：只有少量紫外線、可見光、近紅外線 和無線電波等少數(shù)幾個波段的電磁波可以順利透過大氣層，*終大量地到達地球 表面。這就大大限制了人們對于光的種類選擇，而且夜晚沒有陽光，月光則過于 微弱。 圖1.1大氣對于各波段電磁波輻射的吸收率。其中，吸收率很小的輻射得以順利穿過大氣層， 到達地球的表面，如無線電波、可見光等1854～1879年，亨利 戈培爾、約瑟夫 烕爾森 斯旺、托馬斯 愛迪生等共 同發(fā)明了世界上**種白熾燈，**次完成了照亮宏觀世界的偉大功業(yè)。從此，被 稱為**代人造光源的白熾燈走入人類的日常生活。因為它主要被用于照明，白 熾燈的能譜范圍主要是在380～780 nm的可見光波段。 1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)的X-射線，加上后來勞厄發(fā)現(xiàn)的X-射線晶體衍射，布拉 格描述的X-射線衍射規(guī)律，凱 西格班提出的X-射線能譜學(xué)概念等，共同奠定 了實驗室X-射線管成為第二代人造光源的理論和實驗基礎(chǔ)。倫琴于1901年獲得 諾貝爾物理學(xué)獎，其他人也在其后的幾十年間先后獲得了諾貝爾獎。與白熾燈相 比，X-射線管除了光亮度略有提高外，主要在于它的光子頻率波段十分不同：它 的波長可短到0.01～1 nm。因此，它的出現(xiàn)使人們**次能夠看到用肉眼無法直 接觀察到的微觀世界，包括物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微觀空間、能量空間等。 1960年左右，激光器作為第三代人造光源走上歷史舞臺。它的頻譜范圍多數(shù) 還是以可見光為中心，涵蓋從近紅外線到紫外線的區(qū)間，如波長為193～ 1350 nm。近幾年來，由于技術(shù)的不斷進步，如30 pm波長的遠紅外光學(xué)參量 振蕩器（OPO)和如115 nm的真空紫外激光器也陸續(xù)問世。激光器具有方向性、 準(zhǔn)直性、位相相干性、波長單色性、偏振性和高強度、髙亮度等許許多多突出的 優(yōu)點。這些特殊的優(yōu)點使得人們照亮世界的方式**次發(fā)生了從全面照亮所觀察 世界這一粗獷的模式向定向、定點、定時、定能量（單色）照亮所觀察世界的精細 模式轉(zhuǎn)移。至今，激光器在工業(yè)、國防、信息、醫(yī)療、科研、藝術(shù)等廣泛的領(lǐng)域 中發(fā)揮著十分重要的作用。當(dāng)然，光子能量在X-射線能量波段的實驗室激光器還 沒有出現(xiàn)。 同步福射（Syndirotron Radiation)是由速度接近光速[v c)的高能帶電粒子（通常為電子）在磁場中沿環(huán)形軌道運動而產(chǎn)生的電磁輻射。因此，它也是一種人造光源。因為它在同步加速器上被首次觀察到，人們稱這種電磁轄射為同步加 速器輻射，中文簡稱為同步輻射。同步輻射雖然僅具有有限的位相相干性，但它 具有高準(zhǔn)直性、可單色化、偏振性，超高強度、超高亮度等激光光源具備的主要 特征。因此，同步輻射在某種程度上可以算是一種包含X-射線波段的準(zhǔn)激光器， 而且是上百臺的大功率激光器在同時工作。它**次讓人們可以精準(zhǔn)、可選擇地 利用X-射線來觀察微觀世界。除此之外，它的能量范圍涵蓋從遠紅外開始到伽馬 (Y)射線的全頻波段，并且可以在一個較大的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、可單色化。因此， 同步輻射被譽為繼白熾燈、實驗室X-射線管和實驗室激光器之后，又一次對人類 文明帶來革命性推動作用的第四代人造光源。目前，它已經(jīng)在基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科 學(xué)和工藝學(xué)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，真正成為一種知微知彰的現(xiàn)代光源。 除此之外，自然界中其實也有天然的同步輻射現(xiàn)象，蟹狀星云中的天體輻射 就是一例。蟹狀星云的前身是天文史上*負盛名的“中國超新星”：公元1054年 農(nóng)歷五月二十六黎明之前，在北宋都城開封之東有一位“不速之客”在天關(guān)星附 近突然閃亮登場。它的亮度超過了天空中所有的星辰，甚至月亮；該星可見時間 長達643日。按照愛因斯坦的相對論：一顆大質(zhì)量恒星會在它的核燃料耗盡，向 外的熱壓力消失之時，突然塌陷，引發(fā)猛烈的大爆炸，成就走向死亡前的*后壯 舉。在大爆炸之后，蟹狀星云的中心化為一顆致密的中子星。人們發(fā)現(xiàn)它有一個 強烈的輻射源，但中子星并沒有恒星那樣的核聚變反應(yīng)，它哪來的輻射呢？蘇聯(lián) 科學(xué)家雪可夫斯基于1953年首次將蟹狀星云的輻射解釋為同步加速輻射。他認 為：帶電粒子會繞著具有數(shù)百萬高斯磁場的超強磁力線而做圓周運動，并隨著磁 場強度的增強而加速，發(fā)出同步轄射。后來實驗觀測到蟹狀星云的輻射具有偏振 性，而且具有從紅外到伽馬射線的全頻輻射，因而認定其輻射為同步輻射。 1.2 同步輻射的主要特性 同步輻射是一種大型的科學(xué)設(shè)施，其環(huán)線周長短的有百米左右，長的則在 2000 m以上。一個第三代的同步輻射環(huán)的建設(shè)費用，至少要在一億美元，十分昂 貴，比如：德國的Petra-m是在原有的Petra-H環(huán)上改造而成的，但其改造費用仍 然高達2.25億歐元（2018年)。那么，人們究竟為什么要運用同步輻射光源這個 大型、精密、復(fù)雜和昂貴的科學(xué)儀器設(shè)施呢？它具備哪些獨*的優(yōu)點呢？基本上， 除了不具備嚴格意義上的位相相干性以外，它具有激光器其他的主要優(yōu)點，讓我 們來一一認識如下。 高強度和高亮度：任何同步輻射光源的強度比*強的X-射線管的特征譜線強 度至少要高若干個數(shù)量級。亮度的嚴格定義為單位面積上、單位立體角內(nèi)、0.1%的 能帶寬度內(nèi)的輻射強度，也就是光子數(shù)：在同樣的射線 強度下，人們可以通過聚焦來獲得更高的亮度。第三代同步輻射光源產(chǎn)生的X-射 線亮度至少相當(dāng)于實驗室X-射線管強度的1012倍，已經(jīng)超過太陽或激光器亮度 的幾個數(shù)量級。過去用實驗室X-射線機拍攝一幅簡單晶體的缺陷照片，通常需要 幾個星期的感光時間，而現(xiàn)在用第三代同步輻射光源只需要不足一秒鐘就可以完 成。從1960年出現(xiàn)實驗室旋轉(zhuǎn)陽極X-射線管開始算起，X-射線的亮度隨時間呈 幾何級數(shù)增長的規(guī)律大約是：其亮度每12個月就可以翻一番，超過了計算機芯 片集成密度每18個月增加一倍的摩爾增長速度。 空間上的高準(zhǔn)直度：第三代同步輻射的空間范圍集中在以電子運動切線方向 為中心的一個很窄的圓錐空間角內(nèi)，圓錐軸線與電子軌道相切，張角非常小，幾 乎成了很細小的平行光束，堪與激光媲美。這可以滿足顯微術(shù)中定點測量的要求。 能量上的單色性：同步轄射的能量范圍首先由同步環(huán)種類大致界定，通過插 入件進行初步選擇，并運用束線上的單色器進行精確調(diào)諧和輸出。這種在很寬的 頻譜范圍內(nèi)能進行單色選擇的光源可以滿足人們在能譜學(xué)中精確測量特定能級間 躍遷的要求。 時間上的窄脈沖：電子在環(huán)形軌道中的分布不是連續(xù)的，是一簇一簇的電子在做 回旋運動，因而其輸出的射線具有特定的時間結(jié)構(gòu)：呈現(xiàn)脈沖輸出，F(xiàn)代同步輻射脈 沖的時間寬度多在皮秒(ps)量級，而脈沖與脈沖之間的時間間隔在納秒(ns)到微 秒（網(wǎng)）量級不等。比如：SPring-8(8GeV的超級光子環(huán)）有幾種運行模式，其電子 簇間的時間間隔分另lj為23.6 ns (模式A)、51.1 ns (模式B)、145.5 ns (模式C)和 684.3 ns(D模式）等（D模式的具體數(shù)據(jù)在不同的實驗周期可能有所不同)。而個別 時候運轉(zhuǎn)的H模式的電子簇之間的時間間隔甚至接近1.5畔。 同時，一系列物理、化學(xué)、生物作用的具體時間尺度大致如下： 分子內(nèi)的振動*快可以到飛秒（fs)量級； 凝聚態(tài)有序-無序轉(zhuǎn)變是皮秒到微秒量級； 酶之間的相互作用多為毫秒(ms)量級，較慢； 蛋白-蛋白相互作用、質(zhì)子或電子的遷移、金屬-配體的配位過程等大致為皮 秒到毫秒（ps ms)量級； 應(yīng)用*廣泛的57Fe穆斯堡爾核的e-1衰變期為143 ns。 同步輻射射線具有的一系列時間結(jié)構(gòu)正好能夠?qū)@些過程進行有效的研究: 如化學(xué)反應(yīng)過程、生命過程、材料結(jié)構(gòu)變化過程和環(huán)境污染的微觀過程等。通過 與激光脈沖的相互作用，同步轄射脈沖的時間寬度還可從皮秒量級再度被切割壓 縮到飛秒（fs)量級。 高偏振度：同步輻射射線具有線偏振和圓偏振性，可以用來研究樣品中特定 參數(shù)的取向問題或諸如磁圓二色譜等特殊能譜學(xué)。從偏轉(zhuǎn)磁鐵處在電子運行軌道 平面上引出的同步輻射是完全的水平線偏振射線；從電子軌道平面上方得到的是左旋橢圓偏振射線；而從電子軌道平面下方得到的是右旋橢圓偏振射線，如圖1.2 所示。這就是從前人們在彎鐵光束線上進行磁圓二色譜學(xué)研究時取得橢圓偏振射 線的基本方法。那時，實驗者通過調(diào)節(jié)單色器之前的**反射鏡的上下位置至* 大輸出強度的～20%處，可獲得～80%的橢圓偏振射線，F(xiàn)在在第三代同步輻射 環(huán)上，可以從特殊設(shè)計的波蕩器上得到任意和幾乎純的偏振狀態(tài)的X-射線，比如，人們可以得到幾乎100%的圓偏振輻射，同時又保持幾乎100%的強度。 圖1.2 從彎鐵處引出的左、右旋橢圓偏振X-射線的原理示意圖 除此之外，同步輻射還具備一些激光器不具備的特殊優(yōu)越性。 寬波段：同步輻射的波長覆蓋面很大，具有從遠紅外、可見光、紫外線直到 伽馬射線的能量范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要來提取、獲得特定 波長的光波或射線。我們知道：人們觀測自然現(xiàn)象時，必須使用其波長比被測對 象的尺寸更短（或至少相當(dāng)）的光源。圖1.3給出了一些不同波段電磁波的波長范 圍和它們能夠測量的對象。例如，波長較長的無線電波只能用于觀測山體、大樓等龐然大物；紅外線或可見光顯微鏡可以探測細胞；X-射線可以研究分子或晶體結(jié) 構(gòu)，而要研究原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)則必須使用波長更短的伽馬射線。同步轄射十分寬 闊的能量范圍為人們提供了十分廣泛的應(yīng)用范圍。在生物科學(xué)或生命科學(xué)方面， 同步輻射可以用來觀測細胞、細菌、病毒、蛋白質(zhì)、晶體分子結(jié)構(gòu)，甚至原子內(nèi) 部結(jié)構(gòu)等從大到小的一系列物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 高純凈性：同步輻射是在超高真空中產(chǎn)生的，是非常純凈的輻射，在儲存環(huán) 中沒有任何外來污染的源頭，如陽極、陰極和中間窗口等。 可定量性和可預(yù)知性：同步輻射的光子通量、角分布和能譜分布等均可在理 論上精確計算和在實驗上精確控制，因此它甚至可以作為輻射計量的標(biāo)準(zhǔn)計量光 源之一。這在從真空紫外到軟X-射線的低能段尤為突出。 總之，同步輻射是包括X-射線在內(nèi)的、具有高強度、高亮度和其他一系列優(yōu) 越性的全頻輻射，而且它在空間、時間、能量、偏
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