第一章电磁辐射与材料结构汇编.docx

第一章电磁辐射与材料结构教学目的：1、掌握电磁辐射波的基础知识； 2、掌握材料结构的基本性质； 3、掌握晶体结构的基本表示方法；教学重点：1、光谱项与光谱支项的求解； 2、固体能带理论； 3、倒易点阵的表示方法；教学难点：1、光谱项与光谱支项的求解； 2、倒易点阵的表示方法；第一节电磁辐射与物质波一、电磁辐射与波粒二象性电磁辐射（也可称为电磁波，有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）：在空间传播的交变电磁场。根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。波动性：电磁波在空间的传播遵循波动方程。描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（）、波数（或K或）、频率（）及相位（）等。=c（光速）微粒性：电磁波是由光子所组成的光子流。描述电磁波微粒性的主要物理参数有：光子能量（E）和光子动量（p）等。波动性与微粒性的关系：E=h（=hc/ ）P=h/等式左边与右边分别为表示电磁波微粒性与波动性的参数二、电磁波谱将电磁波按波长（或频率）顺序排列即构成电磁波谱。图1-1 电磁波按波长（或频率）顺序排列即构成电磁波谱表1-1电磁波谱①长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，有时习惯上称此部分为波谱。与物质中间隔很小的能级跃迁相适应。②中间部分，包括紫外线、可见光和红外线（红外光），统称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而言。与原子或分子外层电子的能级跃迁相适应。③短波部分（高能部分），包括X射线和射线（以及宇宙射线），此部分可称射线谱。产生于原子内层电子能级跃迁。三、物质波运动实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或德布罗意波，如电子波、中子波等。德布罗意关系式：(=h/p)=h/mv 1-1式中，p——运动实物粒子的动量；m——质量；v——速率。对于高速运动的粒子，m为相对论质量，有 1-2当vc时，mm0。透射电镜和电子衍射是基于电子的波动性而建立起来的。根据中子的波动性建立了中子衍射。电子波（运动电子束）波长1-31-4将电子电荷e＝1.60×10-29C、电子质量mm0=9.11×10-31kg及h值代入上式，得1-5式中，以nm为单位，V以V单位。 1-6表1-2不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）第二节材料结构基础一、原子能态及其表征（与原子光谱有关的结构知识）1．原子结构与电子量子数原子由原子核和绕核运动的电子组成。一般近似认为核外电子在各自的轨道上运动并用“电子（壳）层”形象化描述电子的分布状况。核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁量子数)、s(自旋量子数)和ms(自旋磁量子数)表征。 5个量子数也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。表1-3n、l、m对核外电子状态的表征意义图1-2 原子的电子能级示意图2．原子能态与原子量子数多电子原子中，存在着电子与电子相互作用等复杂情况，量子理论将这些复杂作用分解为：轨道-轨道相互作用：各电子轨道角动量之间的作用自旋-自旋相互作用：各电子自旋角动量之间的作用自旋-轨道相互作用：指电子自旋角动量与其轨道角动量的作用（单电子原子中也存在此作用）并将轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用，进而通过对各角动量进行加和组合的过程（称为偶合）获得表征原子整体运动状态与能态的原子量子数。偶合方式J-J偶合：当剩余相互作用小于自旋-轨道相互作用时，先考虑后者的偶合（适用于重元素原子）。L-S偶合：当剩余相互作用大于自旋-轨道相互作用时，先考虑前者的偶合[适用于轻元素和中等元素（Z40）的原子]。L-S偶合可记为（s1，s2，…）（l1，l2，…）=（S，L）=J（1-7）此式表示将各电子自旋角动量（PS1，PS2，…）与各电子轨道角动量（PL1，PL2，…）分别加和（矢量和），获得原子的总自旋角动量PS与总轨道角动量PL，然后再由PS与PL合成总（自旋-轨道）角动量PJ（即PJ=PS+PL）。按L-S偶合，得到S、L、J、MJ等表征原子运动状态的原子量子数。S称总自旋量子数，表征PS的大小。L称总（轨道）角量子数，表征PL的大小。J称内量子数（或总量子数），表征PJ的大小；J为正整数或半整数，取值为：L+S，L+S-1，L+S-2，…，L-S，若L≥S，则J有2S+1个值，若L＜S，则J有2L+1个值。MJ称总磁量子数，表征PJ沿外磁场方向分量的大小，MJ取值为：0，1，2，…，J（当J为整数时）或1/2，3/2，…，J（当J为半整数时）。光谱项*用n（主量子数）、S、L、J、MJ等量子数表征原子能态，则原子能级由符号nMLJ表示，称为光谱项。符号中，对应于L＝0，1，2，3，4…，常用大写字母S、P、D、F、G等