材料现代分析方法课件优秀PPT.ppt

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1、材料现代分析方法课件你现在浏览的是第一页，共62页阵胞与点阵类型：阵胞与点阵类型：周期性和对称性是晶体周期性和对称性是晶体的结构基元规则排列的基本特征的结构基元规则排列的基本特征。以某一阵点为坐标原点以某一阵点为坐标原点O，一般用三条，一般用三条互互不平行的，最短的阵点连线不平行的，最短的阵点连线为坐标的单位为坐标的单位矢量，可得到一个空间坐标系矢量，可得到一个空间坐标系(O-xyz)和一和一个平行六面体个平行六面体(V=abc),用这个平行六面用这个平行六面体来表述晶体结构的周期性，称之为阵胞体来表述晶体结构的周期性，称之为阵胞(晶胞晶胞)。a,b,c的长度称为点阵常数，的长度称为点阵常数，

2、b与与c，c与与a，及，及a与与b的夹角分别记为的夹角分别记为，。你现在浏览的是第二页，共62页你现在浏览的是第三页，共62页布拉菲点阵：在布拉菲点阵：在既能表达既能表达点阵周期性点阵周期性的同时的同时又能表达又能表达阵胞对称性阵胞对称性的基础上，布拉菲通的基础上，布拉菲通过数学方法推算出可能存在的阵胞只有过数学方法推算出可能存在的阵胞只有14种，所有晶体均可用这种，所有晶体均可用这14种阵胞表达的空种阵胞表达的空间点阵来描述其基元的空间排列规则。间点阵来描述其基元的空间排列规则。这这14种阵胞表达的空间点阵叫种阵胞表达的空间点阵叫布拉菲布拉菲(A.Bravais)点阵点阵。按阵胞形状特征将按

3、阵胞形状特征将14种布拉菲点阵归纳为种布拉菲点阵归纳为7大晶系。大晶系。按阵胞中阵点位置分布又分为简单阵胞按阵胞中阵点位置分布又分为简单阵胞(初初基阵胞基阵胞)和复合阵胞和复合阵胞(非初基阵胞非初基阵胞)。你现在浏览的是第四页，共62页简单阵胞：阵胞简单阵胞：阵胞8个角顶位置有阵点，每一个个角顶位置有阵点，每一个阵点为毗邻的阵点为毗邻的8个阵胞共有，因此简单阵胞个阵胞共有，因此简单阵胞只占有只占有1个阵点。个阵点。复合阵胞：除复合阵胞：除8个角顶外，在面心，体心或个角顶外，在面心，体心或底心位置还有阵点，即复合阵胞含多个阵底心位置还有阵点，即复合阵胞含多个阵点。点。参看教材参看教材P13，P1

4、4。点阵符号为相应英语。点阵符号为相应英语单词的首字母：单词的首字母：P:Primary;I:In;F:Face;C:Chassis(底盘底盘);R:Rhombus(菱形菱形).你现在浏览的是第五页，共62页3 晶体结构与空间点阵：晶体结构与空间点阵：将空间点阵的阵点复原为结构基元，便将空间点阵的阵点复原为结构基元，便得到晶体结构，即：得到晶体结构，即：晶体结构晶体结构=空间点阵空间点阵+结构基元。结构基元。此式为此式为概念表达式概念表达式，晶体结构不止是结，晶体结构不止是结构基元的简单堆砌，构基元的简单堆砌，基元与基元之间在基元与基元之间在结构上是不可分的结构上是不可分的。由于结构基元是无穷

5、尽的，因而晶体结由于结构基元是无穷尽的，因而晶体结构也是无限的构也是无限的(同一点阵结构因不同基元同一点阵结构因不同基元而构成不同晶体而构成不同晶体)。你现在浏览的是第六页，共62页你现在浏览的是第七页，共62页4 晶向指数与晶面指数：晶向指数与晶面指数：晶体中连接基元的直线和平面分别称为晶体中连接基元的直线和平面分别称为晶向和晶面，国际上通用晶向和晶面，国际上通用密勒指数密勒指数(W.H.MillerW.H.Miller)来标识晶向和晶面。来标识晶向和晶面。(1)晶向指数：从点阵坐标原点引出一条晶向指数：从点阵坐标原点引出一条直线，使其平行于待标识的晶向；找出直线，使其平行于待标识的晶向；找

6、出该直线上任意一点的坐标；将三个坐标该直线上任意一点的坐标；将三个坐标值按比例化为互质的整数并加方括号值按比例化为互质的整数并加方括号(坐坐标值为负时在相应指数上加标值为负时在相应指数上加“-”号，例号，例如如u v w)。你现在浏览的是第八页，共62页空间所有相互平行空间所有相互平行(方向一致方向一致)的晶向，其晶的晶向，其晶向指数相同，称之为向指数相同，称之为晶向组晶向组。将晶体中将晶体中方位不同但基元排列状况相同方位不同但基元排列状况相同的所有晶向组合称为一个的所有晶向组合称为一个晶向族晶向族，用，用表示。如立方晶系的表示。如立方晶系的族包族包含含6个晶向组：个晶向组：=100+010+

7、001+100+010+001你现在浏览的是第九页，共62页(2)晶面指数：找出待标识晶面在三条坐晶面指数：找出待标识晶面在三条坐 标轴上的截距并取其倒数，将它们化为互标轴上的截距并取其倒数，将它们化为互质的整数并加圆括号质的整数并加圆括号(若某截距为负，则在若某截距为负，则在相应指数上加相应指数上加“-”)，如，如(h k l)。(h k l)表示表示的也不是一个晶面，而是的也不是一个晶面，而是空间所有相互平空间所有相互平行行(方向一致方向一致)的一组晶面，称之为的一组晶面，称之为晶面组晶面组。你现在浏览的是第十页，共62页将晶体中方位不同但原子排列状况相同的所将晶体中方位不同但原子排列状况

8、相同的所有晶面组合称为一个有晶面组合称为一个晶面族晶面族,用用hkl表示。表示。例如立方晶系的例如立方晶系的111=(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)+(111)立方系中立方系中，凡指数相同的晶向与晶面均相互，凡指数相同的晶向与晶面均相互垂直，如垂直，如110(110),211(211)等。等。你现在浏览的是第十一页，共62页你现在浏览的是第十二页，共62页(3)六方晶系晶向指数与晶面指数：除用密六方晶系晶向指数与晶面指数：除用密勒指数标识外，根据六方晶系的对称性特勒指数标识外，根据六方晶系的对称性特点，还可以采用点，还可以采用四轴定向四轴定向方

9、法标识，称为方法标识，称为密勒密勒-布拉菲指数布拉菲指数。以以a1,a2,a3和和c为坐标轴单为坐标轴单位矢量建立四轴坐标系位矢量建立四轴坐标系(O-a1,a2,a3,c),按密勒标按密勒标识方法可得到四数值的晶识方法可得到四数值的晶向指数向指数uvtw和晶面指数和晶面指数(hkil)。如图示绿色原子。如图示绿色原子面为面为(1010)。a2a3a2c你现在浏览的是第十三页，共62页六方晶系的四数值晶向指数六方晶系的四数值晶向指数uvtw和晶和晶面指数面指数(hkil)均只有均只有3个值是独立的：个值是独立的：t=-(u+v)(1-39)I=-(h+k)(1-40)5干涉指数干涉指数:干涉指数

10、是材料衍射分析中干涉指数是材料衍射分析中常用的参数之一，它能常用的参数之一，它能同时标识出晶面同时标识出晶面的空间方位和晶面间距的空间方位和晶面间距。将将(hkl)晶面间距记为晶面间距记为dhkl，则晶面间距，则晶面间距为为dhkl/n(n为整数为整数)的虚拟晶面的晶面的虚拟晶面的晶面指数为指数为(nh nk nl)，记为，记为(HKL),称称干涉干涉指数指数。你现在浏览的是第十四页，共62页干涉指数与晶面指数：干涉指数与晶面指数：（HKL)=(nh nk nl)=n(hkl),由此可知：干涉指数由此可知：干涉指数可以看成是带有公约数的晶面指数。即广义的晶面可以看成是带有公约数的晶面指数。即广

11、义的晶面指数。将干涉指数按比例化为互质整数时指数。将干涉指数按比例化为互质整数时(n=1)，不论晶面间距如何，干涉指数均还原为晶面指不论晶面间距如何，干涉指数均还原为晶面指数数(hkl)。干涉指数表示的晶面不一定真有结构基元存在干涉指数表示的晶面不一定真有结构基元存在。引。引入干涉指数的概念是为了简化实际工作过程入干涉指数的概念是为了简化实际工作过程(如简如简化布拉格方程；建立倒易阵点与正点阵晶面的对化布拉格方程；建立倒易阵点与正点阵晶面的对应关系等应关系等)。你现在浏览的是第十五页，共62页二二 倒易点阵倒易点阵1 倒易点阵的定义：倒易点阵的定义：对于一个由点阵基矢对于一个由点阵基矢a,b,

12、c 定义的空间点定义的空间点阵阵(可称为正点阵可称为正点阵)，如果存在另一个由点，如果存在另一个由点阵基矢阵基矢a*,b*,c*定义的空间点阵，满足：定义的空间点阵，满足：aa*=bb*=cc*=K(常数，通常取常数，通常取1）ab*=ac*=ba*=bc*=ca*=cb*=0 (1-42)则称由则称由a*,b*,c*所定义的点阵为所定义的点阵为a,b,c所所定义的点阵的倒易点阵。定义的点阵的倒易点阵。你现在浏览的是第十六页，共62页显然，显然，正点阵与倒易点阵互为倒易点阵。正点阵与倒易点阵互为倒易点阵。正点阵的阵胞体积正点阵的阵胞体积:V=a(bc)即即 a(bc)/V=1由由 aa*=1(

13、取取K=1)，得：，得：a*=(bc)/V同理：同理：b*=(ca)/V c*=(ab)/V (1-43)你现在浏览的是第十七页，共62页倒易矢量及其基本性质：倒易矢量及其基本性质：倒易矢量：以某一倒易阵点为坐标原点倒易矢量：以某一倒易阵点为坐标原点(倒易原点，一般取其与正点阵坐标原点倒易原点，一般取其与正点阵坐标原点重合重合)，以，以a*,b*,c*分别为三条坐标轴的单分别为三条坐标轴的单位矢量建立坐标系，由位矢量建立坐标系，由倒易原点向任意倒易原点向任意倒易阵点倒易阵点(倒易点倒易点)的连接矢量的连接矢量叫叫倒易矢量倒易矢量，用用r*HKL表示：表示：r*HKL=Ha*+Kb*+Lc*(1

14、-47)式中式中(H,K,L)为倒易点的坐标值。为倒易点的坐标值。你现在浏览的是第十八页，共62页r*r*HKLHKL的基本性质的基本性质的基本性质的基本性质：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,其长度其长度|r*HKL|等于等于(HKL)的面间距的面间距dHKL的倒数。的倒数。证明证明1:正点阵中正点阵中 某一某一(HKL)晶面与三条坐标轴的交晶面与三条坐标轴的交点为点为A(1/H,0,0);B(0,1/K,0);C(0,0,1/L)。(HKL)面上任意两条不平行的直线垂直于面上任意两条不平行的直线垂直于r*HKL则则(HKL)r*HKL:ABr*HKL=(

15、1b/K-1a/H)(Ha*+Kb*+Lc*)=0;ACr*HKL=(1c/L-1a/H)(Ha*+Kb*+Lc*)=0。你现在浏览的是第十九页，共62页证明证明2:dHKL等于等于(HKL)面于任意坐标轴上面于任意坐标轴上的截距的截距(如如OA)在在r*HKL垂直于垂直于(HKL)方向方向的投影值：的投影值：OAr*HKL=dHKLr*HKL=(a/H+1/K+1/L)(Ha*+Kb*+Lc*)=1,即：即：r*HKL=1/dHKL (1-48)dHKL=1/r*HKL 你现在浏览的是第二十页，共62页r*HKL的两个说明：的两个说明：一个阵点指数为一个阵点指数为HKL的倒易点对应正的倒易点

16、对应正点阵中一组点阵中一组(HKL)面，面，(HKL)的方位与晶的方位与晶面间距由该倒易点相应的面间距由该倒易点相应的r*HKL决定决定；同样，；同样，正点阵中每一正点阵中每一(HKL)对应一个倒易点，该对应一个倒易点，该倒易点在倒易点阵中的坐标倒易点在倒易点阵中的坐标(可称为阵点可称为阵点指数指数)即为即为(H,K,L)。如果已知晶体的点阵参数，由如果已知晶体的点阵参数，由(1-44)可可求得相应的倒易点阵参数，从而建立其倒求得相应的倒易点阵参数，从而建立其倒易点阵。易点阵。你现在浏览的是第二十一页，共62页晶面与倒易矢量(倒易点)的对应关系你现在浏览的是第二十二页，共62页4 晶面间距与晶

17、面夹角公式：晶面间距与晶面夹角公式：晶面间距公式：晶面间距公式：由由 r*HKL=1/dHKL知：知：1/d2HKL=(r*HKL)2=r*HKL r*HKL=(Ha*+Kb*+Lc*)(Ha*+Kb*+Lc*)=H2a*2+K2b*2+L2c*2+2HKa*b*+2HLa*c*+2KLb*c*(1-49)此公式为普适公式，适用于各种晶系此公式为普适公式，适用于各种晶系。你现在浏览的是第二十三页，共62页立方晶系的晶面间距：立方晶系的晶面间距：立方晶系中：立方晶系中：a*=b*=c*=1/a；=90o 代入式代入式(1-49)得：得：1/d2HKL=(H2+K2+L2)/a2或：或：dHKL=

18、a/H2+K2+L2 (1-50)由此看出由此看出:晶面间距不仅与点阵常数晶面间距不仅与点阵常数a相相关，而且与晶面的空间取向相关。关，而且与晶面的空间取向相关。你现在浏览的是第二十四页，共62页 晶面夹角公式：晶面夹角公式：两晶面两晶面(H1K1L1)和和(H2K2L2)的夹角的夹角可用两可用两晶面的法线夹角来表示，也可用两晶面对晶面的法线夹角来表示，也可用两晶面对应的倒易矢的夹角表示，即：应的倒易矢的夹角表示，即：cos=r*H1K1L1r*H2K2L2/r*H1K1L1r*H2K2L2=H1H2a*2+K1K2b*2+L1L2c*2+K1H2b*a*+L1H2c*a*+H1K2a*b*+

19、L1K2c*b*+H1L2a*c*+K1L2b*c*/r*H1K1L1r*H2K2L2 (1-51)你现在浏览的是第二十五页，共62页 式式(1-51)为普适公式，通用于各晶系为普适公式，通用于各晶系。对立方晶系而言，有：对立方晶系而言，有：a*=b*=c*=1/a;*=*=*=90o又又 r*HKL=1/dHKL=H2+K2+L2/a,因此：因此：cos=(H1H2+K1K2+L1L2)/(H12+K12+L12 H22+K22+L22)(1-52)你现在浏览的是第二十六页，共62页 d值与晶面指数值与晶面指数hkl的关系的关系 立方立方(等轴等轴)晶系晶系 正方正方(四方、四角四方、四角)

20、晶系晶系 正交正交(斜方斜方)晶系晶系 六方六方(六角六角)晶系晶系你现在浏览的是第二十七页，共62页d值与晶面指数值与晶面指数hkl的关系的关系三角三角(菱方菱方)(菱形菱形)晶系晶系单斜单斜 晶系晶系三斜三斜 晶系晶系你现在浏览的是第二十八页，共62页三三 晶带晶带晶体中晶体中与某一晶向与某一晶向uvw平行的所有平行的所有(HKL)晶面构成一条晶带，称为晶面构成一条晶带，称为uvw晶带晶带。晶向晶向uvw中过点阵坐标原点的直线称为中过点阵坐标原点的直线称为晶带轴，其矢量坐标表达式为：晶带轴，其矢量坐标表达式为：ruvw=ua+vb+wc由于同一晶带中各晶面的法线与晶带轴垂由于同一晶带中各晶

21、面的法线与晶带轴垂直，也就是直，也就是各晶面的倒易矢各晶面的倒易矢r*HKL与晶带轴与晶带轴垂直垂直，因此有：，因此有：ruvwr*HKL=0你现在浏览的是第二十九页，共62页立方晶系的010晶带你现在浏览的是第三十页，共62页由：由：ruvwr*HKL=(ua+vb+wc)(Ha*+Kb*+Lc*)=0得：得：Hu+Kv+Lw=0 (1-53)式式(1-53)称为晶带定理，它表明了晶带轴指称为晶带定理，它表明了晶带轴指数数uvw与属于该晶带之晶面的晶面指数与属于该晶带之晶面的晶面指数(HKL)的关系。的关系。注意注意：ruvw是晶带轴是晶带轴uvw的坐标矢量，而的坐标矢量，而r*HKL是晶面

22、组是晶面组(HKL)法线的坐标矢量法线的坐标矢量(倒倒易矢易矢)。你现在浏览的是第三十一页，共62页零层倒易平面零层倒易平面(电子衍射分析中的一个基本电子衍射分析中的一个基本概念概念)：同一晶带中的各同一晶带中的各(HKL)晶面都与晶带轴晶面都与晶带轴uvw平行，因此它们的倒易矢平行，因此它们的倒易矢r*HKL也都也都处于同一组倒易平面内处于同一组倒易平面内(该组倒易平面与该组倒易平面与构成构成uvw晶带的各晶面垂直，同时也与晶带的各晶面垂直，同时也与晶带轴垂直晶带轴垂直)。过倒易坐标原点过倒易坐标原点O*的倒易平面称为的倒易平面称为零层零层倒易平面倒易平面。你现在浏览的是第三十二页，共62页

23、H1K1L1(H1K1L1)(H2K2L2)H2K2L2你现在浏览的是第三十三页，共62页已知同一晶带俩晶面指数求晶带轴指数：已知同一晶带俩晶面指数求晶带轴指数：已知：已知：uvw晶带中任意两个晶面指数晶带中任意两个晶面指数(H1K1L1)和和(H2K2L2)，由晶带轴定理得：，由晶带轴定理得：H1u+K1v+L1w=0 H2u+K2v+L2w=0两式联解得：两式联解得：u:v=(K1L2-K2L1):(L1H2-L2H1)和：和：v:w=(L1H2-L2H1):(H1K2-H2K1)两式连比得：两式连比得：u:v:w=(K1L2-K2L1):(L1H2-L2H1):(H1K2-H2K1)(1

24、-54)你现在浏览的是第三十四页，共62页第二章第二章 电磁辐射与材料的相互作用电磁辐射与材料的相互作用当电磁辐射与材料相互作用时，会产生辐射当电磁辐射与材料相互作用时，会产生辐射的吸收，发射，散射和光电离等现象，他的吸收，发射，散射和光电离等现象，他们是材料现代分析方法的主要技术基础。们是材料现代分析方法的主要技术基础。你现在浏览的是第三十五页，共62页一一 辐射的吸收与发射辐射的吸收与发射1 辐射的吸收与吸收光谱：辐射的吸收与吸收光谱：辐射的吸收辐射的吸收是是指辐射通过物质时，某些频率的辐射被指辐射通过物质时，某些频率的辐射被组成物质的粒子组成物质的粒子(原子，离子或分子等原子，离子或分子

25、等)选择性地吸收选择性地吸收从而使辐射强度减弱的现从而使辐射强度减弱的现象象。实质是物质粒子吸收辐射能量后由。实质是物质粒子吸收辐射能量后由低能级低能级(一般为基态一般为基态)向高能级向高能级(激发态激发态)跃迁。被吸收的光子能量等于跃迁前后跃迁。被吸收的光子能量等于跃迁前后两个能级的能量差：两个能级的能量差：h=E2-E1 (2-1)式中：式中：E2为高能级能量，为高能级能量，E1为低能级能量为低能级能量你现在浏览的是第三十六页，共62页辐射能量被吸收的程度辐射能量被吸收的程度(吸光度吸光度)与光的频与光的频率率或者波长或者波长的关系曲线称为吸收光谱。的关系曲线称为吸收光谱。不同物质的粒子能

26、态不同物质的粒子能态(能级结构，能量大能级结构，能量大小等小等)各不相同，因而具有表明自己独有各不相同，因而具有表明自己独有特征的吸收光谱。特征的吸收光谱。通过对材料的吸收光谱分析，可以掌握通过对材料的吸收光谱分析，可以掌握材料的成份。材料的成份。你现在浏览的是第三十七页，共62页 2 辐射的发射与发射光谱辐射的发射与发射光谱辐射的发射辐射的发射是指物质吸收辐射能量后产是指物质吸收辐射能量后产生电磁辐射的现象生电磁辐射的现象。实质是物质粒子吸。实质是物质粒子吸收能量被激发到高能态后，经过短暂停收能量被激发到高能态后，经过短暂停留留(10-8-10-4s)，再返回基态，再返回基态(或低能态或低能

27、态)，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。多余的能量以电磁辐射的形式释放出来。物质发射的电磁辐射频率取决于辐射前物质发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量差：后两个能级的能量差：=/h=(E2-E1)/h (2-2)你现在浏览的是第三十八页，共62页产生辐射的前提是物质被激发到高能态产生辐射的前提是物质被激发到高能态，使，使物质激发的方式有两类：物质激发的方式有两类：非电磁辐射激发非电磁辐射激发(非光激发非光激发)：常用的有热：常用的有热激发激发(如电火花，电弧，火焰和电阻加热如电火花，电弧，火焰和电阻加热等等)和电激发和电激发(电子束轰击电子束轰击)。电磁辐射激发电磁辐射激发(光激发

28、光激发)：也叫光致发光。：也叫光致发光。激发源光子叫一次光子，被激发物质发激发源光子叫一次光子，被激发物质发射的光子叫二次光子射的光子叫二次光子。你现在浏览的是第三十九页，共62页物质吸收一次光子到发射二次光子有一定的物质吸收一次光子到发射二次光子有一定的时间间隔。由时间间隔的长短将二次光分为：时间间隔。由时间间隔的长短将二次光分为：荧光荧光：时间间隔时间间隔:10-810-4s磷光磷光：时间间隔：时间间隔:10-410s 物质发射辐射的强度物质发射辐射的强度(能量能量)对频率对频率或波长或波长的分布称为发射光谱；光致发光的叫荧光的分布称为发射光谱；光致发光的叫荧光光谱或磷光光谱。各种物质都具

29、有各自的光谱或磷光光谱。各种物质都具有各自的特征发射光谱。特征发射光谱。你现在浏览的是第四十页，共62页3 光谱的分类光谱的分类按辐射与物质相互作用的性质不同，光按辐射与物质相互作用的性质不同，光谱可分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱可分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱谱(拉曼散射谱拉曼散射谱)。吸收光谱和发射光谱按物质作用微粒不吸收光谱和发射光谱按物质作用微粒不同再分为原子光谱和分子光谱；按波长同再分为原子光谱和分子光谱；按波长范围不同再分为红外光谱，可见光谱，范围不同再分为红外光谱，可见光谱，紫外光谱和紫外光谱和X光谱等。光谱等。你现在浏览的是第四十一页，共62页吸收光谱：吸收光谱：光谱名称光

30、谱名称 能级跃迁类型能级跃迁类型 辐射种类辐射种类穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱 原子核能级原子核能级 射线射线X射线吸收谱射线吸收谱 内层电子能级内层电子能级 X射线射线原子吸收光谱原子吸收光谱 价电子能级价电子能级 紫外紫外,可见光可见光紫外吸收光谱紫外吸收光谱 分子电子能级分子电子能级 紫外紫外,可见光可见光可见吸收光谱可见吸收光谱 分子电子能级分子电子能级 紫外紫外,可见光可见光红外吸收光谱红外吸收光谱 分子振动能级分子振动能级 红外线红外线顺磁共振波谱顺磁共振波谱 电子自旋能级电子自旋能级 微波微波核磁共振波谱核磁共振波谱 原子核磁能级原子核磁能级 射频射频你现在浏览的是第四十二页，共62页*

31、1958年，穆斯堡尔年，穆斯堡尔(Rudolf Ludwig Mossbauer)在慕尼黑大学进行博士论文的工作中，发现了穆在慕尼黑大学进行博士论文的工作中，发现了穆斯堡尔效应。这是一种斯堡尔效应。这是一种原子核对原子核对射线的无反冲射线的无反冲共振吸收或共振散射现象共振吸收或共振散射现象。这一现象跨越了核物理这一现象跨越了核物理学和固体物理学两个领域，它的重要性很快引起了学和固体物理学两个领域，它的重要性很快引起了科学家的高度重视和普遍承认，并且很快发展起来，科学家的高度重视和普遍承认，并且很快发展起来，应用于物理学、化学、冶金学、生物学、医学、地应用于物理学、化学、冶金学、生物学、医学、地

32、质学、考古学等众多科学领域，形成了专门的穆斯质学、考古学等众多科学领域，形成了专门的穆斯堡尔谱学。为此，穆斯堡尔获得了诺贝尔奖堡尔谱学。为此，穆斯堡尔获得了诺贝尔奖。你现在浏览的是第四十三页，共62页*穆斯堡尔谱学为研究穆斯堡尔谱学为研究核周围核周围物理化学环境提供了新的方法，物理化学环境提供了新的方法，由于核共振现象对由于核共振现象对射线的能量具有极高的灵敏度，因此，用射线的能量具有极高的灵敏度，因此，用它可以探测它可以探测射线能量的极其微小的变化射线能量的极其微小的变化。发射发射射线的自射线的自由原子核会发生反冲，反冲会使发射谱线的能量降低一些，由原子核会发生反冲，反冲会使发射谱线的能量降

33、低一些，但在低温条件下，由于晶格约束，反冲的可能是但在低温条件下，由于晶格约束，反冲的可能是质量很大的质量很大的晶体晶体，反冲的能量损失很小，发射的，反冲的能量损失很小，发射的射射线线可以被同可以被同类类核共核共振吸收，共振振吸收，共振谱线变得很尖锐，能量分辨率可达谱线变得很尖锐，能量分辨率可达10-12穆斯堡尔谱线的尖锐程度，可以使人们观察到一般情况穆斯堡尔谱线的尖锐程度，可以使人们观察到一般情况下根本不可能观察到的细微现象，如一些相对论效应、下根本不可能观察到的细微现象，如一些相对论效应、核能级的塞曼效应等。穆斯堡尔效应所能发生的条件，核能级的塞曼效应等。穆斯堡尔效应所能发生的条件，限于某

34、些一定物质。我们把能观察到穆斯堡尔效应的原限于某些一定物质。我们把能观察到穆斯堡尔效应的原子、核或同位素称为穆斯堡尔原子、穆斯堡尔核或穆斯子、核或同位素称为穆斯堡尔原子、穆斯堡尔核或穆斯堡尔同位素。目前我们已经发现了堡尔同位素。目前我们已经发现了45种元素的种元素的103种核跃种核跃迁可以观察到穆斯堡尔效应。迁可以观察到穆斯堡尔效应。你现在浏览的是第四十四页，共62页生产厂家：生产厂家：英国牛津公司英国牛津公司 仪器型号：仪器型号：OXFORD-MS-500仪器存放地址：仪器存放地址：穆斯堡尔谱实验穆斯堡尔谱实验室（长春市解放大室（长春市解放大路路119号，吉林大学白楼号，吉林大学白楼221室

35、）室）你现在浏览的是第四十五页，共62页发射光谱：发射光谱：光谱名称光谱名称 能级跃迁类型能级跃迁类型 辐射种类辐射种类X荧光光谱荧光光谱 内层电子能级内层电子能级 X荧光荧光原子发射光谱原子发射光谱 价电子能级价电子能级 紫外紫外,可见光可见光原子荧光光谱原子荧光光谱 价电子能级价电子能级 紫外紫外,可见光可见光分子荧光光谱分子荧光光谱 分子电子能级分子电子能级 紫外紫外,可见光可见光分子磷光光谱分子磷光光谱 分子电子能级分子电子能级 紫外紫外,可见光可见光你现在浏览的是第四十六页，共62页光谱按强度对波长的分布光谱按强度对波长的分布(曲线曲线)特点特点(或按或按胶片记录的光谱表象胶片记录的

36、光谱表象)，可分为三类：，可分为三类：线光谱：在某些特定波长的位置有强度线光谱：在某些特定波长的位置有强度很高的很高的狭仄狭仄谱线。含物质特征信息。谱线。含物质特征信息。带光谱：多条波长相近的谱线形成的谱带光谱：多条波长相近的谱线形成的谱带带(不同谱带不同谱带非常接近非常接近，形成，形成难以分辨难以分辨的的宽线宽线)。含物质特征信息。含物质特征信息。连续光谱：光强度对波长连续分布。不连续光谱：光强度对波长连续分布。不含物质特征信息。含物质特征信息。你现在浏览的是第四十七页，共62页（/nm）(/)你现在浏览的是第四十八页，共62页二二 辐射的散射辐射的散射辐射的散射指电磁辐射与物质发生相互作辐

37、射的散射指电磁辐射与物质发生相互作用时部分偏离入射方向而分散传播的现象。用时部分偏离入射方向而分散传播的现象。物质中与辐射物质中与辐射(即入射线即入射线)相互作用而相互作用而导致导致散射的实物微粒称为散射的实物微粒称为散射基元散射基元。它可以是。它可以是电子，也可以是原子或分子等电子，也可以是原子或分子等 等，取决于等，取决于物质结构以及入射线波长等多种因素。物质结构以及入射线波长等多种因素。你现在浏览的是第四十九页，共62页1 分子散射分子散射当入射线的波长比物质分子或分子聚集体当入射线的波长比物质分子或分子聚集体的尺寸大得多时，散射基元主要是分子或的尺寸大得多时，散射基元主要是分子或分子聚

38、集体。分子聚集体。分子散射分为瑞利散射和拉曼散射两种。分子散射分为瑞利散射和拉曼散射两种。瑞利散射瑞利散射是指入射线光子与分子发生弹性是指入射线光子与分子发生弹性碰撞，光子运动方向改变但能量不变的散碰撞，光子运动方向改变但能量不变的散射射。显然，瑞利散射线与入射线波长相同。显然，瑞利散射线与入射线波长相同。你现在浏览的是第五十页，共62页拉曼散射拉曼散射是指单一波长的入射线是指单一波长的入射线(单色光单色光)的光子与分子发生非弹性碰撞，光子的的光子与分子发生非弹性碰撞，光子的运动方向和能量都有改变的散射运动方向和能量都有改变的散射。波长长于入射线的称为波长长于入射线的称为斯托克斯线斯托克斯线；

39、波；波长短于入射线的称为反斯托克斯线。长短于入射线的称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线出现在入射斯托克斯线和反斯托克斯线出现在入射线两旁，构成拉曼散射谱。线两旁，构成拉曼散射谱。拉曼散射产生于分子振转能级跃迁拉曼散射产生于分子振转能级跃迁，谱，谱线结构与分子结构密切相关，含有物质线结构与分子结构密切相关，含有物质的特征信息。的特征信息。你现在浏览的是第五十一页，共62页*斯托克斯定则：荧光频率不能超过激发光斯托克斯定则：荧光频率不能超过激发光的频率。的频率。当激发产生于基态与较当激发产生于基态与较高能态时定则成立。此高能态时定则成立。此时只产生斯托克斯线。时只产生斯托克斯线。当激发产生

40、于两个激发当激发产生于两个激发态之间时有例外。可能态之间时有例外。可能产生反斯托克斯线。产生反斯托克斯线。你现在浏览的是第五十二页，共62页*反斯托克斯跃迁的应用一例：光制冷反斯托克斯跃迁的应用一例：光制冷常温下物质都处于激发常温下物质都处于激发态，态，有些物质在退激发有些物质在退激发时回到基态的几率更大，时回到基态的几率更大，然后再吸收环境温度激然后再吸收环境温度激发到常温激发态。用光发到常温激发态。用光激发这类材料到高于常激发这类材料到高于常温激发态后，完成一次温激发态后，完成一次激发过程便能降低一些激发过程便能降低一些环境温度。环境温度。基态基态常温激发态常温激发态光激发态光激发态h+Q

41、-Q你现在浏览的是第五十三页，共62页2 晶体中的电子散射晶体中的电子散射X射线等短波长的电磁辐射照射晶体时，射线等短波长的电磁辐射照射晶体时，电子是散射基元。它包括相干散射和非相电子是散射基元。它包括相干散射和非相干散射两种。干散射两种。相干散射相干散射指入射线光子与原子内受核束缚指入射线光子与原子内受核束缚较紧的电子较紧的电子(内层电子内层电子)发生弹性碰撞，运发生弹性碰撞，运动方向改变而能量不变的散射动方向改变而能量不变的散射。也称为弹。也称为弹性碰撞。因汤姆逊性碰撞。因汤姆逊(J.J.Thomson)首先用首先用经典电动力学方法研究相干散射现象，故经典电动力学方法研究相干散射现象，故又

42、称为经典散射或又称为经典散射或汤姆逊散射汤姆逊散射。你现在浏览的是第五十四页，共62页相干散射的产生及特点：相干散射的产生及特点：当当入射光子能量不足以使原子电离也不足入射光子能量不足以使原子电离也不足以使原子发生能级跃迁以使原子发生能级跃迁时，受碰撞的电子时，受碰撞的电子将发生与入射线频率相一致的受迫振动并将发生与入射线频率相一致的受迫振动并因此产生交变电磁场。即每一个受迫振动因此产生交变电磁场。即每一个受迫振动的电子成了新的电磁波源，向外发射次级的电子成了新的电磁波源，向外发射次级电磁波电磁波(散射散射)。由于。由于散射波与入射波同频散射波与入射波同频同相同相，因此各电子的散射波之间可能产

43、生，因此各电子的散射波之间可能产生相互干涉，所以叫相干散射。相互干涉，所以叫相干散射。你现在浏览的是第五十五页，共62页o汤姆逊散射示意图汤姆逊散射示意图你现在浏览的是第五十六页，共62页*汤姆逊散射的推导：汤姆逊散射的推导：相干散射没有能量转移，则电子无状态改变。即在任相干散射没有能量转移，则电子无状态改变。即在任意方向上，意方向上，电子受入射线电场的作用力矩为零电子受入射线电场的作用力矩为零:eE0ere=eEeR (E0,Ee垂直于各自的运动方向垂直于各自的运动方向)其中其中re为电子的经典半径：为电子的经典半径：re=e2/mec2，即：，即：eE0sinre=eEeR，整理得：整理得

44、：Ee=E0e2sin/mec2R，又，又:I0=E02,Ie=Ee2,即：即：Ie=I0e4sin2/me2c4R2 (2-3)式中式中为散射线方向为散射线方向E0的夹角。的夹角。R为散射线上任意一点与电子的距离。为散射线上任意一点与电子的距离。你现在浏览的是第五十七页，共62页非相干散射非相干散射指入射光子与原子内受束缚较弱指入射光子与原子内受束缚较弱的电子的电子(外层电子或自由电子外层电子或自由电子)发生非弹性碰撞，发生非弹性碰撞，光子的运动方向和能量都有改变的散射光子的运动方向和能量都有改变的散射。也称。也称为康普顿为康普顿-吴有训效应，因只能用量子理论吴有训效应，因只能用量子理论解释

45、，也称为量子散射。解释，也称为量子散射。能量为能量为h1的入射光子与的入射光子与电子相撞，能量变为电子相撞，能量变为h2因碰撞是随机的，故入因碰撞是随机的，故入射线与散射线不相干。射线与散射线不相干。h2h1你现在浏览的是第五十八页，共62页 康普顿散射实验仪器康普顿散射实验仪器:康普顿散射效应是光与物质相互作用康普顿散射效应是光与物质相互作用的三种效应之一。康普顿效应进一步证明了光的量子性、微的三种效应之一。康普顿效应进一步证明了光的量子性、微粒性，尤其是光子具有能量、质量、动量，光与物质相互作粒性，尤其是光子具有能量、质量、动量，光与物质相互作用时保持能量和动量守恒性用时保持能量和动量守恒

46、性(光源光源 137Cs)。你现在浏览的是第五十九页，共62页*量子散射公式的推导：量子散射公式的推导：静止电子被入射光子碰撞后：静止电子被入射光子碰撞后：Ee=h1+mec2-h2 (能量守恒能量守恒)(1)Pe=P1-P2 (动量守恒动量守恒)(2)将将(1)除以除以c再平方后减去再平方后减去(2)的平方，有：的平方，有：(h1+mec2-h2)2/c2-(P1-P2)2=Ee2/c2-Pe2=me2c2，因为因为P1=h1/c,P2=h2/c,P1P2=P1P2cos2,由上式得由上式得:1/2=1+(1-cos2)h1/mec2,因因=c/,解得解得:2-1=(1-cos2)h/mec

47、=0.00243(1-cos2)式中式中h/mec叫康普顿波长叫康普顿波长(nm)(2-4)你现在浏览的是第六十页，共62页三三 光电离光电离光电离指入射光子能量足够大时，使原子光电离指入射光子能量足够大时，使原子或分子产生电离的现象。其过程可表示为：或分子产生电离的现象。其过程可表示为：M+hM+e (2-5)式中式中M为原子或分子。为原子或分子。M+为离子。为离子。物质在光照下释放电子物质在光照下释放电子(光电子光电子)的现象称的现象称为光电效应。为光电效应。光电子产额随入射光子能量的变化关系光电子产额随入射光子能量的变化关系称为光电子能谱。称为光电子能谱。你现在浏览的是第六十一页，共62页光电子能谱与物质状态，能级或能带结构及光电子能谱与物质状态，能级或能带结构及光电子来自原子内的层次密切相关，是含有光电子来自原子内的层次密切相关，是含有物质成分，结构等信息的特征谱。物质成分，结构等信息的特征谱。吸收光谱，发射光谱，拉曼散射谱和光电子吸收光谱，发射光谱，拉曼散射谱和光电子能谱均含有物质成分，结构等特征信息，在能谱均含有物质成分，结构等特征信息，在不加区别时，统称为特征谱。不加区别时，统称为特征谱。你现在浏览的是第六十二页，共62页