电磁辐射与材料结构精选PPT.ppt

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1、电磁辐射与材料结构第1页，此课件共33页哦与其他课程关系与其他课程关系先修课程：先修课程：1 1、大学物理、大学物理 (电磁学、波动与光学、量子物理电磁学、波动与光学、量子物理)；2 2、材料科学基础。、材料科学基础。X X射线衍射学射线衍射学电子显微分析电子显微分析仪器分析仪器分析电子能谱分析电子能谱分析第2页，此课件共33页哦材料现代分析方法材料现代分析方法1、定义：、定义：关于材料关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷成分、结构、微观形貌与缺陷等的等的现代现代分析、测试分析、测试技术及其有关理论基础的科学。技术及其有关理论基础的科学。2、方法：、方法：(1)基于基于电磁辐射电磁辐射及及运动粒

2、子束运动粒子束与物质相互作用。与物质相互作用。(2)基于其它物理性质或电化学性质与材料的关系。基于其它物理性质或电化学性质与材料的关系。第3页，此课件共33页哦主要章节主要章节第一章第一章 电磁辐射与电磁辐射与材料结构材料结构第二章第二章 电磁辐射与材料的相互作用电磁辐射与材料的相互作用第三章第三章 粒子束与材料的相互作用粒子束与材料的相互作用第四章第四章 材料现代分析方法概述材料现代分析方法概述第五章第五章 X X射线衍射原理射线衍射原理第六章第六章 X X射线衍射方法射线衍射方法第七章第七章 X X射线衍射分析的应用射线衍射分析的应用实验一、实验一、X X射线实验射线实验第九章第九章 透射

3、电子显微分析透射电子显微分析第十章第十章 扫描电子显微分析与电子探针扫描电子显微分析与电子探针实验二、扫描电镜及其观察实验二、扫描电镜及其观察第十三章第十三章 电子能谱分析法电子能谱分析法第十七章第十七章 热分析法热分析法第4页，此课件共33页哦第一篇第一篇 总论总论(材料现代分析方法基础与概述材料现代分析方法基础与概述)第一章第一章 电磁辐射与电磁辐射与材料结构材料结构(3(3学时学时)第二章第二章 电磁辐射与材料的相互作用电磁辐射与材料的相互作用(1(1学时学时)第三章第三章 粒子束与材料的相互作用粒子束与材料的相互作用(1(1学时学时)第四章第四章 材料现代分析方法概述材料现代分析方法概

4、述(1(1学时学时)第5页，此课件共33页哦第一章第一章 电磁辐射与材料结构电磁辐射与材料结构1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波1.2 1.2 材料结构基础材料结构基础(一一)1.3 1.3 材料结构基础材料结构基础(二二)第6页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波一、电磁辐射与波粒二象性一、电磁辐射与波粒二象性 1、定义、定义 指在空间传播的交变电磁场，也称指在空间传播的交变电磁场，也称电磁波电磁波。2、波动性、波动性 (1)传播遵循传播遵循波动方程波动方程；表现出反射、折射、表现出反射、折射、干涉干涉、衍射衍射、偏振等。、偏振等。(2)主要物理参

5、数有：主要物理参数有：波长波长()或波数或波数(或或K)、频率频率()及相位及相位()等。等。=C=3.0 108 m/s（真空）（真空）第7页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波3、微粒性、微粒性 电磁波是由电磁波是由光子光子所组成的光子流。所组成的光子流。光子始终以光子始终以光速光速运动；运动；是是静止质量为零静止质量为零的一种粒子。的一种粒子。因为光速不变，因此因为光速不变，因此光子的质量不会是零光子的质量不会是零。主要物理参数有：光子主要物理参数有：光子能量能量(E)和光子和光子动量动量(p)等。等。4、波动性与微粒性关系：、波动性与微粒性关系：E=h p

6、=h/（h=6.626 10-34Js）5、电磁波与物质、电磁波与物质相互作用相互作用。第8页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波二、电磁波谱二、电磁波谱 将电磁波按将电磁波按波长波长(或频率或频率)顺序排列即构成电磁波谱。顺序排列即构成电磁波谱。第9页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波三、物质波三、物质波(德布罗意波德布罗意波)1、定义、定义 运动的实物粒子（运动的实物粒子（电子电子、中子等）具有波粒二象性。、中子等）具有波粒二象性。2、实物粒子、实物粒子 静止质量为静止质量为m0，高速，高速(v)运动时，为运动时，为相对论质量相

7、对论质量m:3、物质波波长、物质波波长()：=h/p=h/mv4、电子波电子波波长波长()：（加速电压为：（加速电压为V）第10页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波5、不同加速电压下、不同加速电压下电子波电子波的波长（经相对论校正）的波长（经相对论校正）第11页，此课件共33页哦1.1 1.1 电磁辐射与物质波电磁辐射与物质波*电子波与电子波与X X射线的比较：射线的比较：相同点：相同点：波且波且波长波长范围大致相同，范围大致相同，0.001nm0.001nm10nm10nm。不同点：不同点：1 1、X X射线由射线由光子光子组成，组成，光子不带电，静止质量为零

8、；光子不带电，静止质量为零；2 2、电子波由、电子波由电子电子组成，组成，电子带负电，静止质量不为零。电子带负电，静止质量不为零。第12页，此课件共33页哦1.2 1.2 材料结构基础材料结构基础(一一)一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征二、分子运动与能态（略）二、分子运动与能态（略）三、原子的磁距和原子核自旋（略）三、原子的磁距和原子核自旋（略）四、固体的能带结构四、固体的能带结构第13页，此课件共33页哦一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征材料材料原子原子(离子离子)；原子原子分子分子(高分子高分子)态、晶态和非晶态等。态、晶态和非晶态等。1原子结构与电子量子数原子结构与电子量子

9、数 (1)原子结构原子结构原子核和电子组成。原子核和电子组成。(2)电子量子数电子量子数:核外电子的运动状态核外电子的运动状态 由由n(主量子数主量子数)、l(角量子数角量子数)、m(磁量子数磁量子数)、s(自旋量子数自旋量子数)和和ms(自旋磁量子数自旋磁量子数)表征。表征。第14页，此课件共33页哦一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征(3)能级图能级图 按一定比例，以一定高度的水平线代表一定的能量，按一定比例，以一定高度的水平线代表一定的能量，并把电子各个运动状态的能量并把电子各个运动状态的能量(能级能级)，按大小顺序排列按大小顺序排列(由下至上能量增大由下至上能量增大)，而构成的梯级

10、图形。，而构成的梯级图形。第15页，此课件共33页哦一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征2原子能态与原子量子数原子能态与原子量子数(自学自学)3原子基态、激发态、电离及能级跃迁原子基态、激发态、电离及能级跃迁 (1)基态基态:核外电子分布于各个能级上，原子处于核外电子分布于各个能级上，原子处于能量最低能量最低状态。状态。(2)激发态激发态:一个或几个电子由基态所处能级跃迁到一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级高能级上，上，这时的原子状态称这时的原子状态称激发态激发态，是高能态；，是高能态；原子由基态转变为激发态的过程称为原子由基态转变为激发态的过程称为激发激发。激发所需要的能量称为激发

11、所需要的能量称为激发能激发能；常以电子伏特表示，称为常以电子伏特表示，称为激发电位激发电位。激发能的大小激发能的大小等于等于 电子被激发后所处电子被激发后所处(高高)能级与激发前所处能级能级与激发前所处能级(能量能量)之差。之差。第16页，此课件共33页哦一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征(3)电子跃迁电子跃迁(或能级跃迁或能级跃迁)原子中电子受激向高能级跃迁；原子中电子受激向高能级跃迁；或由高能级向低能级跃迁称为或由高能级向低能级跃迁称为电子跃迁电子跃迁(或能级跃迁或能级跃迁)。跃迁分为两种方式：跃迁分为两种方式：多余的能量以多余的能量以电磁辐射电磁辐射的方式放出，称之为的方式放出，称

12、之为辐射跃迁辐射跃迁；若多余的能量转化为若多余的能量转化为热能热能等形式，则称之为等形式，则称之为无辐射跃迁无辐射跃迁。(4)电离：电离：原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束缚，产生原子中的电子获得足够的能量就会脱离原子核的束缚，产生电离电离。使原子电离所需的能量称之为使原子电离所需的能量称之为电离能电离能，常以电子伏特表示，称为常以电子伏特表示，称为电离电位电离电位。原子失去一个电子，称为原子失去一个电子，称为一次电离一次电离；再次电离，使原子再失去一个电子，称为再次电离，使原子再失去一个电子，称为二次电离二次电离；三次电离三次电离等，依次类推。等，依次类推。第17页，此课件共33页

13、哦一、原子能态及其表征一、原子能态及其表征能级图能级图第18页，此课件共33页哦四、固体的能带结构四、固体的能带结构1能带的形成能带的形成 N个原子中原先能量值相同的能级个原子中原先能量值相同的能级(如各原子的如各原子的2s能级能级),将分裂成将分裂成N个能量各不相同的能级；个能量各不相同的能级；但分裂的各能级能量差值不大，但分裂的各能级能量差值不大，以致于可以视为连续分布，即形成有一定宽度的能带。以致于可以视为连续分布，即形成有一定宽度的能带。一般晶体的能带宽度一般晶体的能带宽度(Eg)约为几个约为几个ev(最多不过几十个最多不过几十个ev)。第19页，此课件共33页哦四、固体的能带结构四、

14、固体的能带结构2 2能带结构的基本类型及相关概念能带结构的基本类型及相关概念 能带可沿用能级分裂以前的原子能级名称命名，如能带可沿用能级分裂以前的原子能级名称命名，如2s2s能带、能带、2p2p能带等能带等 原子不同能级分裂的能带之间可能存在间隙，称之为原子不同能级分裂的能带之间可能存在间隙，称之为禁带禁带；禁带宽度又称为禁带宽度又称为能隙能隙 原子不同能级分裂的能带之间也可能发生重叠。原子不同能级分裂的能带之间也可能发生重叠。与原于基态价电子能级相应的能带称为与原于基态价电子能级相应的能带称为价带价带，与原子激发态能级与原子激发态能级(指高于基态价电子能级的高能级指高于基态价电子能级的高能级

15、)相应的能带称为相应的能带称为导带导带。原子内层能级原子内层能级(常称常称芯能级芯能级)仍保持仍保持孤立原子的特征。孤立原子的特征。各个能级中的分布也遵从包利不相各个能级中的分布也遵从包利不相容原理，容原理，即每一能级分布两个电子即每一能级分布两个电子第20页，此课件共33页哦四、固体的能带结构四、固体的能带结构2 2能带结构的基本类型及相关概念能带结构的基本类型及相关概念 能带中所有能级能带中所有能级(能态能态)都己被电子填满则称为都己被电子填满则称为满带满带能带中各能态尚无电子填充，则称为能带中各能态尚无电子填充，则称为空带空带在电子末被激发的正常情况下，导带没有电子填入，因而是空带在电子

16、末被激发的正常情况下，导带没有电子填入，因而是空带价带中各能态均为电子填充则称为满带；价带中各能态均为电子填充则称为满带；价带中有时只有一部分放电子填满，此部分成为满带；其未填充的部分也称为导带。价带中有时只有一部分放电子填满，此部分成为满带；其未填充的部分也称为导带。第21页，此课件共33页哦四、固体的能带结构四、固体的能带结构2 2能带结构的基本类型及相关概念能带结构的基本类型及相关概念第22页，此课件共33页哦四、固体的能带结构四、固体的能带结构2 2能带结构的基本类型及相关概念能带结构的基本类型及相关概念绝对零度时，固体中电子占据的最高能级称为费米能级，绝对零度时，固体中电子占据的最高

17、能级称为费米能级，其能量称费米能。其能量称费米能。对于导体，费米能处于价带与导带的分界处对于导体，费米能处于价带与导带的分界处对于非导体对于非导体(禁带中无杂质能级时禁带中无杂质能级时)，费米能则位于禁带中央。，费米能则位于禁带中央。第23页，此课件共33页哦1.3 1.3 材料结构基础材料结构基础(二二)一、晶体结构一、晶体结构二、倒易点阵二、倒易点阵三、晶带（略）三、晶带（略）第24页，此课件共33页哦一、晶体结构一、晶体结构1空间点阵空间点阵:2晶胞与点阵类型晶胞与点阵类型 点阵基矢点阵基矢(a,b,c);(,);任意阵点任意阵点（x,y,z）的）的矢量矢量 rxyz xa+yb+zc

18、（布拉菲点阵）（布拉菲点阵）3晶体结构与晶体结构与空间点阵空间点阵4晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数 ，；（），（），。5.晶面间距晶面间距d dhklhkl。晶面夹角等。晶面夹角等。第25页，此课件共33页哦一、晶体结构一、晶体结构5干涉指数干涉指数(广义的晶面指数广义的晶面指数)(1)出于出于衍射分析等工作的衍射分析等工作的实际需要实际需要。(2)A1，A2，A3，为为(010)晶面组晶面组(面间距记为面间距记为d010)；分别插入分别插入B1，B2，；形成晶面间距为形成晶面间距为d010/2的的A1，B1，A2，B2，晶面晶面(组组)。表示为表示为(020)干涉指数干涉指数 干涉指数

19、干涉指数是对是对晶面空间方位晶面空间方位与与晶面间距晶面间距的标识。的标识。第26页，此课件共33页哦一、晶体结构一、晶体结构(3)干涉指数与晶面指数的关系干涉指数与晶面指数的关系 若将若将(hkl)晶面间距记为晶面间距记为dhkl，则晶面间距为则晶面间距为dhkl/n的晶面的晶面干涉指数干涉指数为为(nh nk nl),记为记为(HKL),dhkl/n记为记为dHKL(4)干涉指数干涉指数(HKL)可以认为是可可以认为是可带有公约数带有公约数(n)的晶面指数的晶面指数 即即(nh nk nl)，或写为，或写为n(hkl)，即，即广义的晶面指数广义的晶面指数。(5)干涉指数表示的晶面上干涉指数

20、表示的晶面上不一定不一定有原子分布。有原子分布。第27页，此课件共33页哦二、倒易点阵二、倒易点阵1定义定义 (1)一个由点阵基矢一个由点阵基矢ai(i=1，2，3;即即a,b,c)定义的定义的点阵点阵(正点阵正点阵)，(2)若有另一个由点阵基矢若有另一个由点阵基矢aj*(j1，2，3，可记为，可记为a*,b*,c*）定义的）定义的点阵点阵，(3)满足满足 i=j时，时，aj*ai=K(K为常数，一般为为常数，一般为1)；i j时，时，aj*ai=0。(4)则称则称由由aj*定义的点阵定义的点阵为为ai定义的点阵定义的点阵的的倒易点阵倒易点阵。(5)对应关系：对应关系：a1*a1=a2*a2=

21、a3*a3=K a1*a2=a1*a3=a2*a1=a2*a3 =a3*a1=a3*a2 =0 *正点阵正点阵与与倒易点阵倒易点阵互为互为倒易。倒易。a*b*c*第28页，此课件共33页哦二、倒易点阵二、倒易点阵2倒易点阵基矢表达式倒易点阵基矢表达式立方晶系：立方晶系：正点阵：正点阵：a=b=c，=90；倒易点阵：倒易点阵：a*=b*=c*=1/a，*=*=*=90。a*b*c*第29页，此课件共33页哦二、倒易点阵二、倒易点阵3倒易矢量及其基本性质倒易矢量及其基本性质 (1)倒易矢量：倒易矢量：由由倒易原点倒易原点向任意倒易阵点的连接矢量称为向任意倒易阵点的连接矢量称为倒易矢量倒易矢量，用，

22、用r*表示。表示。以以a1*、a2*、a3*分别为三坐标轴单位矢量，分别为三坐标轴单位矢量，若若r*终点终点(倒易点倒易点)坐标为坐标为(H，K，L)，则，则 r*HKL Ha1*+Ka2*+La3*(2)基本性质（推导过程基本性质（推导过程P18-19自学自学）：）：r*HKL垂直于垂直于正点阵正点阵中相应的中相应的(HKL)晶面，晶面，r*HKL等于等于(HKL)之晶面间距之晶面间距dHKL的倒数。的倒数。a*b*c*第30页，此课件共33页哦1.3 1.3 材料结构基础材料结构基础(二二)(2)基本性质：基本性质：r*HKL垂直于正点阵中相应的垂直于正点阵中相应的(HKL)晶面，晶面，r

23、*HKL等于等于(HKL)之晶面间距之晶面间距dHKL的倒数。的倒数。a*b*c*推导：推导：正点阵正点阵中每一中每一(HKL)面面对应着一个对应着一个倒易点倒易点(H,K,L)；一个一个倒易点倒易点(H,K,L)对应对应正点阵正点阵中一组中一组(HKL)面面。正点阵正点阵(HKL)方位与晶面间距由该倒易点相应的方位与晶面间距由该倒易点相应的r*HKL决定。决定。第31页，此课件共33页哦1.3 1.3 材料结构基础材料结构基础(二二)4晶面间距与晶面夹角公式晶面间距与晶面夹角公式(1)晶面间距公式晶面间距公式(2)晶面夹角公式晶面夹角公式(H1K1L1)与与(H2K2L2)立方系晶面间距公式：立方系晶面间距公式：立方系晶面立方系晶面夹角公式夹角公式：第32页，此课件共33页哦1.3 1.3 材料结构基础材料结构基础(二二)abc第33页，此课件共33页哦