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《晶体结构分析导论：从基础理论到前沿应用》 图书简介 本书旨在为学习材料科学、凝聚态物理、化学以及相关工程领域的研究人员和高年级本科生提供一本全面、深入且高度实用的晶体结构分析导论。我们深知，理解物质的宏观性质与其微观原子排列方式之间的内在联系，是现代科学技术发展的基石。因此，本书的编写核心理念在于搭建理论知识与实验操作之间的坚实桥梁，帮助读者系统掌握从晶体学的基本概念到先进的衍射技术及其数据解析方法。 第一部分：晶体学基础与对称性原理 本部分首先奠定了晶体结构分析的理论基础。我们从晶体的宏观描述入手，详述了点阵、空间群、晶胞、布拉维点阵等核心概念。重点章节深入探讨了晶体学的对称性原理，这是理解和分类所有晶体结构的关键。我们不仅详细介绍了旋转群、反演操作和镜面反射的数学描述，还着重分析了14种布拉维点阵和230种空间群的分类逻辑及其在描述不同材料晶体结构中的实际应用。为了便于读者理解，书中融入了大量三维空间示意图和几何推导过程，力求使抽象的群论概念变得直观易懂。特别地，我们引入了群论在简化结构分析问题中的应用实例，为后续的高级主题做好了铺垫。 第二部分：X射线衍射理论与技术 X射线衍射（XRD）是目前研究晶体结构最主要的技术手段。本书的第二部分将精力集中于这一核心技术。首先，我们系统阐述了X射线的基本性质、产生机制以及与物质的相互作用，特别是相干散射和非相干散射的物理过程。随后，本书详细推导了布拉格定律和劳厄方程，并解释了它们在确定晶面间距和倒易点阵矢量中的重要性。 在实验技术方面，我们全面介绍了粉末衍射（PXRD）和单晶衍射（SCXRD）的仪器构造、数据采集流程及注意事项。针对粉末衍射，我们着重讨论了衍射峰的强度、形状与衍射峰展宽分析，这对于评估材料的晶粒尺寸和微应力至关重要。对于单晶衍射，本书深入讲解了米勒指数的确定、衍射数据的收集与处理，并详细阐述了结构因子（Structure Factor）的计算及其与原子位置和形式因子的关系。 第三部分：晶体结构解析与精修 这是本书的实践核心部分。结构解析是将采集到的衍射强度数据转化为具体原子坐标和热振动参数的过程。我们清晰地划分了结构解析的几个关键步骤： 1. 结构决定问题（Phase Problem）的引入与克服： 详细介绍了直接法（Direct Methods）的基本思路，包括Sigma2关系和利用Scherer公式进行相位估计的实用方法。此外，对于复杂结构，本书也探讨了Patterson函数法在定位重原子方面的优势与局限性。 2. 结构模型的构建与评估： 解释了如何根据初步解析结果建立初始原子模型，并引入了电子密度图的观察与修正技巧。 3. 结构精修（Refinement）： 重点阐述了最小二乘法原理在结构精修中的应用，包括如何计算残差因子（如$R$因子和$R_w$因子）以及评估模型的拟合优度。书中特别强调了如何正确处理热参数（各向异性与同向异性）以及氢原子的定位问题。 为了增强实用性，本书在这一部分穿插了多个基于实际案例的结构解析流程演示，旨在让读者能够迅速上手处理真实的衍射数据。 第四部分：先进结构分析技术与应用 面对新型功能材料的挑战，本部分介绍了超越传统X射线衍射的先进技术和分析范式。 中子衍射与电子衍射： 探讨了中子散射（尤其对轻元素和磁性结构）相对于X射线的独特优势，并简要介绍了高能电子衍射在薄膜和表面结构分析中的应用。 同步辐射与高压/高温衍射： 介绍了利用同步辐射光源获取高通量、高分辨率衍射数据的优势，以及在极端条件（如超高压和高温）下进行晶体结构原位研究的方法论。 缺陷与非晶态结构分析： 针对现实中普遍存在的晶体缺陷（如堆垛层错、孪晶）和非晶/纳米材料，本书讲解了如何利用衍射峰的轮廓分析（如Rietveld精修扩展）来提取关于局部结构和无序度的信息。 第五部分：数据处理与软件实践 理论的学习必须与实践相结合。本部分专注于当前主流的晶体结构分析软件的操作指南，而非仅仅停留在软件的介绍层面。我们提供了详尽的步骤指导，涵盖了数据预处理、结构解析、精修以及结果可视化的全过程。通过一系列精心设计的模块化练习，读者将能够熟练运用如GSAS/EXPGUI, SHELX系列，或Topas等工具来解决实际的晶体学问题。本书强调的不仅仅是“如何点击按钮”，更是“为什么要这样设置参数”，确保读者对软件背后的物理和数学原理有深刻理解。 面向读者 本书适合化学、物理、材料科学、矿物学、地球科学等领域的学生、研究生以及从事材料研发和基础科学研究的工程师和科研人员。它要求读者具备基础的微积分和线性代数知识，但无需预先掌握复杂的群论或高级散射理论。本书力求在理论深度和工程实用性之间找到最佳平衡点，是掌握现代晶体结构分析技术的理想参考书。
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