[科普中国]-光散射方法

光散射方法是一种基于光散射现象的研究方法。光的散射是光传播时因与物质中分子(原子)作用或因物质中存在的不均匀性(如悬浮微粒、密度起伏)而改变其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。主要应用到下列几种散射现象：①由分子(原子)或线度远小于光的波长的微粒产生的瑞利散射；②由线度较大的散射粒子(粒子线度接近于波长或大于波长)产生的大粒子散射；⑧因分子中原子的振动使电偶极矩周期变化而产生的喇曼散射；④因物质中存在以声速传播的压强起伏而引起的布里渊散射；⑤流体物质接近临界态时产生的散射。该法在物理、化学、气象等许多方面的研究中得到广泛应用。1

光散射的基本简介高聚物的光散射方法就是利用高聚物对光的散射现象来获得其内部结构状况的信息。在通常的研究中，散射光往往集中在很小的散射角范围内，例如小于5°或10°，因此这一方法亦被称作小角光散射(Small Angle Light Scattering，或简称SALS)方法。但在实际中并不绝对地局限于很小的角度，角度范围取决于所用样品和所研究的问题。

光波在物体中的散射是一个内容十分广阔的领域。SALS方法只限于高聚物在可见光范围内的Rayleigh散射，也就是由于物体内极化率或折射率的不均一性引起的弹性散射。散射光的频率和入射光的频率是完全相同的。

特点在进行小角光散射研究时，把样品放在一个偏振系统中，调整起偏镜和检偏镜的相对取向以获得全面的散射信息。经常采用的散射方式有两种，即检偏镜和起偏镜的方向相互平行和相互垂直两种状况。前者叫Vv散射，检测到的是偏振方向与入射光的偏振方向相同的那部分散射；后者是Hv散射，它反映的是偏振方向与入射光的偏振方向垂直的那部分散射。对有宏观取向的样品还可以改变样品与偏振系统的相对取向，进行Hh和Vh散射方式的研究。

SALS方法的特点是适合于较大尺寸结构的研究，这从研究高聚物结构与性能关系的角度来说是很有用的。这是因为一些对宏观物理性能响较大影响的形态结构如球晶结构和微区结构等，其尺寸大小往往在微米数量级，它们一般也有足够的极化率(或折射率)反差，因此使用SALS方法进行研究是非常合适的。此外，与其他方法相比，SALS方法在设备上可简可繁，所需的费用一般是较低的，因此比较容易推广应用。

仪器设备SALS方法所用的仪器装置通常由光源、偏振系统、样品台和记录系统组成。

目前一般采用激光器做光源，例如小型的He-Ne气体激光器(6328埃)即可适用。可采用偏振片作起偏镜和检偏镜，它们应能分别绕入射光方向转动调节以适应Vv、Hv等不同条件下的测量。为了保证能在足够大的散射角范围内进行工作，检偏镜的尺寸应尽可能大些(例如直径达8cm)。样品台一般与显微镜所用的载物台相似，保证样台可方便地做二维的平移和转动。必要时还可倾斜，做非垂直入射条件下的研究。2

光散射方法在高聚物研究中的应用①高聚物的结晶形态

由于用模型法处理球晶的散射获得很大成功，加以球晶是结晶性高聚物中极为普遍和重要的形态结构，因此对球晶结构的表征和研究是应角SALS方法最为广泛的一个方面。

在许多工作中人们用SALS方法测定球晶的大小以研究各种因素，诸如加工历史、高聚物的相对分子质量、成核剂和结晶条件等对球晶生长的影响。

近年来在不少工作中人们用SALS方法研究了共混物，共聚物体系中结晶性组分的结晶过程和形态。对多嵌段共聚物研究发现，在结晶组分的链段平均长度是2～3个单体单元的情况下它们仍能结晶并形成球晶结构，并给出典型的球晶散射图像。对这些体系来说影响结晶形态的一个重要因素是组分间微相分离速度和结晶性组分结晶速率的比值。比值越大，越易于生成大的结晶结构。

共混物中另一组分的存在对结晶形态是会有影响的，对于二组分均可结晶的共混高聚物，往往由于组分间不易区别而造成结构形态表征的困难，而光散射法则有时可以发挥它特有的长处。

根据球晶散射理论还可以由散射结果来获得球晶内体元光轴取向状况的资料，从而有助于判断球晶内分子链的堆砌方式。

球晶内晶片螺旋状扭转生长形成的环状结构也可以用光散射方法来表征。这时在较大的散射角位置上可以看到衍射环。利用Bragg公式可以定出环状结构的螺距。

不少高聚物在一定条件下会形成大小达到光波波长尺寸的棒状结晶结构，可以用光散射方法加以研究。

②形变过程的研究

高分子材料受到拉伸形变时，球晶结构的变化合影响散射图像，因此可以用散射方法研究球晶的变形。可以用光散射方法研究应力诱导结晶或取向状态下结晶时的形态结构。

③非晶态高聚物

同样可用光散射方法研究非晶态高聚物的结构状况。橡胶的性能除取决于交联点的密度外，还和交联点是否均匀分布有很大关系，但后者很难从实际测量中获得。可用光散射方法来表征这种交联网结构上的不均匀性。为了增加反差，先以溶剂使试样溶胀，溶剂和高聚物的折射率应有很大差别。交联点密度不同的区域溶胀程度不同，从而形成具有较大折射率反差的微区结构。测定样品由于溶胀引起的多余散射光强，可用统计理论得到表征样品结构不均一性的尺寸大小和交联点密度的均方起伏。对一些不同平均交联点密度的聚丁二烯样品用苯溶胀后测定V。散射，得出交联点密度起伏的相关距离在5000埃左右，而相对均方起伏则随交联程度的增加而增大。

④高分子液晶

液晶中往往存在一些光波波长尺寸范围的有序微区，因此亦可用光散射方法加以研究。SALS方法对研究液晶的相态转变是一种很灵敏有效的手段。除合成高分子外，生物高分子溶液往往能形成液晶。例如脱氧核糖核酸(DNA)的水溶液在浓度较大时即呈现明显的液晶行为。散射图像表明，液晶中存在着光波波长尺寸的各向异性棒状微区结构。DNA溶液能生成液晶是因为分子链在溶液中形成双分子螺旋构象的缘故。光散射结果也表明，电离辐射和加热等破坏双分子螺旋构象的因素均能使其液晶的有序程度下降。2

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学