[材料科学]第一章 电磁辐射与材料结构.ppt

课程相关的参考书目： 王培铭，许乾慰 主编，《材料研究方法》，科学出版社，2005年 （0/jpkc/mrm/second/index.asp） 杨南如 主编，《无机非金属材料测试实验》，武汉工业大学出版社，1990年。 周玉 主编，《材料分析方法》，机械工业出版社, 2000 常铁军等 编著，《材料近代测试分析方法》，哈尔滨工业大学出版社，1999年。 （之一）电磁辐射与材料结构 本章内容 第一节 电磁辐射与物质波 电磁辐射与波粒二象性、电磁波谱、物质波 第二节 材料结构基础（一） 原子能级及其表征#、分子运动与能态 第三节 材料结构基础 （二） 晶体结构、干涉指数、倒易点阵#、晶带 学习目的与要求 一、目的与要求 1. *掌握电磁辐射与物质结构的关系。 2. 掌握电子波波长的计算。 3. 理解电子和分子的能级分布 3. *掌握干涉指数的表示方法和意义。 4.** 掌握倒易点阵与正点阵之间的关系，倒易矢量的表示方法。 5. 掌握晶带指数与晶面指数的关系。 二、学时 讲授2学时，自学大于8学时。 第一节 电磁辐射与物质波一、电磁辐射与波粒二象性 电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场 1、电磁辐射的波动性 电磁波在空间的传播遵循波动方程；反射、折射、干涉、衍射、偏振等是电磁辐射波动性的表现． 电磁波的物理参数 光速(c)：电磁波在真空中的传播速度：c=3×108 m/s 波长(λ)：波在一个振动周期内传播的距离 波数(σ或K) ：波在其传播方向上单位长度内波长的数目，亦即λ的倒数(1/λ) 频率(ν)：每秒钟内波振动的次数，Hz(赫兹)． 位相(φ)：决定波在任一时刻(或位置)的状态的参数，其值关系到同频率的不同波束能否发生干涉等相互作用：位相差为2π的整数倍时发生干涉 2、电磁波的粒子性 电磁波是由光子所组成的光子流，电磁波与物质相互作用，如光电效应等现象是其微粒性的表现。 物理参数有：光子能量(E)和光子动量(p)等 电磁波波动性与微粒性通过下式相联系，即 二、电磁波谱 三、物质波 德布罗意(de. Broglie)于1924年提出运动的实物粒子[指静止质量(m0)不为零的实物微粒，如电子、中子、质子等]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。物质波也符合波动性与微粒性关系式： 电子波 半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限，可见光的波长在3900~7600?，其极限分辨率为2000? 目前电子显微镜的分辨率达?数量级，正是由于采用短波长的电子波作为光源和磁透镜而实现的技术。 第二节 材料结构基础(一) 材料一般界定在固体物质范围，固体由原子(离子)聚集成分子态、晶态和非晶态等固体物质的不同存在形式。 一、原子能态及其表征 二、分子运动与能级 三、原子的磁矩和原子核自旋（选学） 四、固体的能带结构 （自学） 一、原子能态及其表征 1．原子结构与电子量子数 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．Na：1s22s22p63s1 核外电子在不同运动状态下所具有的能量数值各不相同，并且其变化是不连续的即量子化的，常用能级(图)形象化地进行表示． 能级图：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按大小顺序而构成的梯级图形 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 1889年瑞典物理学家里德伯将上述各系列谱线归纳出氢原子谱线的经验公式： 原子的电子能级示意图 2、原子能态与原子量子数 多电子原子中存在的电子与电子相互作用可分为轨道-轨道相互作用、自旋-自旋相互作用及自旋-轨道相互作用 将轨道-轨道相互作用、自旋-自旋相互作用称为剩余相互作用 对角动量进行加和组合的过程称为偶合，进而获得表征多电子原子整体运动状态与能态的原子量子数。偶合分为L-S偶合和J-J偶合。 原子能级：nMLJ 某原子的一个光谱项为23PJ， 即有n=2，L=1， 设S=1，（故M=2S+1=3）， 据L-S偶合，J=2，1，0。 （当有外磁场存在时， 出现塞曼分裂，其分裂情况 取决于MJ） 当J＝2时，MJ=0，?1，?2； J=1时，MJ=0，?1； J=0时，MJ＝0。 3．原子基态、激发、电离及能级跃迁 原子核外电子遵从能量最低原理、包利(Pauli)不相容原理和洪特(Hund)规则，分布于各个能级上，此时原子处于能量最低状态，称之为基态。 原子中的一个或几个电子由基态所处能级跃迁到高能级上，这时的原子状态称激发态，是高能态； 而原子由基态转变为激发态的过程称为激发，激发需要的能量称为激发能，其大小等于电子被激发后所处(高)能级与激发前所处能级之差 高能级向低能级跃迁