电磁辐射与材料结构课件

第一章电磁辐射与材料结构

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．

电磁辐射也可称为电磁波，它在空间的传播遵循波动方程；电磁辐射波动性：反射、折射、干涉、衍射、偏振等．

主要物理参数有：波长(λ)或波数(σ或K)、频率(ν)及相位(φ)等．第一章电磁辐射与材料结构

第一节电磁辐射与物质波

一波长．在一个震动周期内传播的距离

波数．单位长度内波长的数目

频率．每秒波动次数

位相．任一时刻的状态参数

光速.波长．在一个震动周期内传播的距离

波数．单位长度内波长的数目

电磁波同时具有微粒性，即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．

电磁波波动性与微粒性通过下列关系式相联系:

电磁波同时具有微粒性，即电磁波是由光子所组成的光子流．二、电磁波谱

按一定波长范围(谱域)将电磁波分为若干波谱区:二、电磁波谱

按一定波长范围(谱域)将电磁波分为若干电磁辐射与材料结构ppt课件分三部分：

①长波部分:

包括射频波(无线电波)与微波，有时习惯上称此部分为波谱．长波辐射光子能量低，它与物质中间隔很小的能级跃迁能量相适应，如电子和原子核自旋分裂能级跃迁(顺磁共振和核磁共振)等．分三部分：

①长波部分:

包括射频波(无线电②中间部分:

包括紫外线、可见光和红外线，统称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而言．此部分辐射光子能量与原子或分子的外层电子的能级跃迁相适应.

③短波部分:

包括X射线和γ射线(以及宇宙射线)，此部分可称射线谱，是能量高的谱域．X射线产生于原子内层电子能级跃迁，而γ射线产生于核反应(如核衰变)．②中间部分:

包括紫外线、可见光和红外线，统称为光学三、物质波

德布罗意提出了运动实物粒子也具有波粒二象性的假设，即认为运动的实物粒子(指静止质量不为零的实物微粒，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．三、物质波

德布罗意提出了运动实物粒子也具有波粒二象电磁辐射与材料结构ppt课件第二节材料结构基础(一)

固体物质范围．

固体由原子(离子)聚集而成．

由于原子间的键合方式不同导致其聚集状态不同，从而形成了分子(高分子)态、晶态(晶体)和非晶态等固体物质的不同存在形式．第二节材料结构基础(一)

固体物质范围．

一、原子能态及其表征

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．

核外电子:在各自的轨道(称原子轨道)上运动并用“电子(壳)层”形象化描述电子的分布状况．每一确定运动状态的电子相应地具有确定的能量．

不同状态下所具有的能量数值各不相同.

量子化，常用能级表示.

能级图:是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(能级)按大小顺序排列(由下至上能量增大)而构成的梯级图形。一、原子能态及其表征

1．原子结构与电子量子数

原子:n(主量子数)

l(角量子数)

m(磁量子数)

s(自旋量子数)

ms(自旋磁量子数)

n值常用K，L，M，N，O，…表示，n决定电子运动状态的主要能量(主能级能量E)，有：

n(主量子数)

l(角量子数)

m(磁量子数)

s(自旋量子

l取值为0～n-1的正整数，对应于l=0，1，2，3，…的电子亚层或原子轨道形状分别称为spdf等层或(原子)轨道．

m

取值为0，±1，…，±l．

简并轨道简并度．n、l、m共同表征了电子的轨道运动.

l取值为0～n-1的正整数，对应于l=0，1，2电磁辐射与材料结构ppt课件

s、ms

是电子自旋运动的表征．

s表征自旋运动角动量的大小，s

=1／2，

ms取值为±1／2，表明电子自旋只有两个方向，通常称为正自旋和反自旋(顺时针或反时针方向)。ms决定电子自旋角动量在外磁场方向的分量大小．外磁场影响s、ms是电子自旋运动的表征．外磁场影响电磁辐射与材料结构ppt课件2．原子能态与原子量子数

运动状态(及能态)的叠加，并用电子量子数(n、l、m、s、ms)表征．

当考虑这些复杂作用时，量子理论将其分解为轨道—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)及自旋—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．2．原子能态与原子量子数

运动状态(及能态)的叠加，偶合方式:L—S偶合与J—J偶合两种方式.偶合方式:L—S偶合与J—J偶合两种方式.几个概念：

1各电子自旋角动量

2各电子轨道角动量

3总自旋角动量Ps

4总轨道角动量P

5总(自旋—轨道)角动量

6总自旋量子数

7总(轨道)角量子数

8称内量子数(或总量子数)

9总磁量子数10光谱项

11光谱项多重性(称谱线多重性符号)

12能级分裂

13塞曼分裂．几个概念：

1各电子自旋角动量

2各电子轨道角动量

3电磁辐射与材料结构ppt课件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。

基态

激发态

激发

激发能

激发电位

电子跃迁或能级跃迁

辐射跃迁

无辐射跃迁．

3．原子基态、激发、电离及能级跃迁

原子核外电电离能

电离电位

一次电离

二次电离

三次电离电离能

电离电位

一次电离

二次电离

三次电离二、分子运动与能态

分子由原子组成．原子结合成分子时可以是共价键，也可以是离子键，但离子键形成的分子只存在于高温蒸气中．

1．分子总能量与能级结构

分子的运动及相应能态远比原子复杂．

一般可近似认为分子总能量(E)由分子中各原子核外电子轨道运动能量(Ee)，原子(或原子团)相对振动能量(Ev)及整个分子绕其质心转动的能量(Er)组成:二、分子运动与能态

分子由原子组成．原子结合成分子时

分子能级由电子(运动)能级、振动能级和转动能级构成，如图1—3所示．

同一电子能级因振动能量不同分为若干振动能级；而同一振动能级又因转动能量不同分为若干转动能级．分子能级由电子(运动)能级、振动能级和转动能级构成，如电磁辐射与材料结构ppt课件2．分子轨道与电子能级

按分子轨道理论，原子形成分子后，电子不再定域在个别原子内，而是在遍及整个分子范围内运动；而且每个电子都可看作是在原子核和其余电子共同提供的势场作用下在各自的轨道(称为分子轨道)上运动．分子轨道可近似用原子轨道的线性组合表示．

分子轨道:成键轨道与反键轨道.2．分子轨道与电子能级

按分子轨道理论，原子形成分子后按价键理论，具有未成对电子的原子接近时可因未成对电子配对从而使原子轨道部分重叠形成分子轨道．

自旋反向的未成对电子配对形成成键轨道，自旋同向电子配对则形成反键轨道．

σ轨道

σ电子

σ键

π轨道

π电子

π键按价键理论，具有未成对电子的原子接近时可因未成对电子

电子的分子轨道运动能量与参与组合的原子轨道能量及它们的重叠程度有关．将分子轨道运动按能量大小顺序排列，即可得到分子的电子能级图．

分子中的电子在其电子能级中的分布也遵从能量最低原理与包利不相容原理．电子的分子轨道运动能量与参与组合的原子轨道能量及它们的电磁辐射与材料结构ppt课件3．分子的振动与振动能级

(1)双原子分子的振动

分子振动:分子中原子(或原子团)以平衡位置为中心的相对(往复)运动．

近似用弹簧谐振子(连有两个小球的弹簧体系，作无阻尼同周期振动)模拟．按虎克定律.3．分子的振动与振动能级

(1)双原子分子的振动

电磁辐射与材料结构ppt课件

(2)多原子分子的振动

多原子分子振动远较双原子分子复杂．

多原子分子振动可分为伸缩振动与变形振动两类．

伸缩振动:原子沿键轴方向的周期性(往复)运动；振动时键长变化而键角不变(双原子振动即为伸缩振动)．

变形振动:又称变角振动或弯曲振动，是指基团键角发生周期性变化而键长不变的振动．(2)多原子分子的振动

多原子分子振动远较双原子分子电磁辐射与材料结构ppt课件电磁辐射与材料结构ppt课件三、原子的磁矩和原子核自旋

1．原子的磁矩

(1)原子的轨道磁矩

原子中电子绕核旋转的轨道运动产生轨道磁矩

原子(中电子)轨道磁矩与轨道角动量关系三、原子的磁矩和原子核自旋

1．原子的磁矩

(1)原子的轨道电磁辐射与材料结构ppt课件(2)电子的自旋磁矩

电子自旋运动也产生磁矩。

电子自旋磁矩与自旋角动量关系:

(2)电子的自旋磁矩

电子自旋运动也产生磁矩。

电电磁辐射与材料结构ppt课件(3)单电子原子内量子数与磁矩

单电子原子中也存在着电子自旋—轨道相互作用(当月(3)单电子原子内量子数与磁矩

单电子原子中也存在着电子（4）多电子原子磁矩因子

（4）多电子原子磁矩因子

2．原子核自旋与核磁矩

(1)原子核自旋

原子核由质子和中子组成，质子和中子在核中既有轨道运动又有自旋运动并有很强的自旋—轨道相互作用．

整个原子核的总角动量

核自旋

核自旋量子数工表征2．原子核自旋与核磁矩

(1)原子核自旋

原子核由质电磁辐射与材料结构ppt课件(2)核磁矩

(2)核磁矩

四、固体的能带结构

1．能带的形成

原子中核外电子在原子轨道上运动并处于不同的分立能级上．当N个原子相接近形成晶体时将发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象，量子理论证明，N个原子中原先能量直相同的能级(如各原子的2s能级)将分裂成N个能量各不相同的能级；但分裂的各能级范量差值不大．

原子数N很大分裂沟能级差值极小，可以视为连续分布，即形成有一定宽度的能带．四、固体的能带结构

1．能带的形成

原子中核外电子在电磁辐射与材料结构ppt课件2．能带结构的基本类型及相关概念

能带命名：可沿用能级分裂以前的原子能及名称．

禁带

能隙

价带

导带

芯能级

满带

空带2．能带结构的基本类型及相关概念

能带命名：可沿电磁辐射与材料结构ppt课件绝缘体能带结构特点：

为价带已被电子填满成为满带．

价带与最低空带(导带)间的禁带宽度较宽，约为3～6eV．

大多数离子晶体(NaCl、KCl等)、分子晶体(C12、C02等)和由具有偶数个价电子的原子组成的大多数共价晶体属于此类．绝缘体能带结构特点：

为价带已被电子填满成为满带．

本征半导体：最高满带(价带)与最低空带(导带)间禁带宽度较窄，约为0．1—2eV．一般是ⅣA族的Si或Ge．

导体:价带只填人部分电子或者价带虽已填满但与另一相临空带紧密相接或部分重叠；前者如碱金属元素组成的晶体，后者如Mg、Be、Zn、Cd等金属晶体．

费米能级

费米能。

对于导体，正F处于价带与导带的分界处．对于非导体(禁带中无杂质能级时)，正F则位于禁带中央．本征半导体：最高满带(价带)与最低空带(导带)间禁带第三节材料结构基础(二)

一、晶体结构

1．空间点阵的概念

晶体:组成它的原子(或离子、分子、原子团等，以下不需加以区别时，泛称原子)有规则排列的固体．

空间点阵

晶体点阵

点阵

空间格子

晶格第三节材料结构基础(二)

一、晶体结构

1．空间点阵的概电磁辐射与材料结构ppt课件2．阵胞与点阵类型

周期性与对称性是晶体中原子规则排列的基本特征．

阵胞(晶胞):在点阵中选择一个由阵点连接而成的几何图形(一般为平行六面体)作为点阵的基本单元来表达晶体结构的周期性．

单位阵胞矢量

点阵基矢

基本平移矢量

晶轴

阵点矢量坐标2．阵胞与点阵类型

周期性与对称性是晶体中原子规则排布拉菲(A．Bravais):

可能的阵胞只有14种，即所有晶体均可分别用这14种阵胞表达的空间点阵(称为布拉菲点阵)来描述其原子排布规则．

布拉菲(A．Bravais):

可能的阵胞只有14种电磁辐射与材料结构ppt课件电磁辐射与材料结构ppt课件电磁辐射与材料结构ppt课件

按阵胞形状特征将14种布拉菲点阵归纳为7个晶系；

按阵胞中阵点位置又分为简单阵胞(初基阵胞)和复合阵胞(非初基阵胞)．

简单阵胞只占有一个阵点(阵胞8个角顶位置上有阵点，但每一阵点为相毗邻的8个阵胞所共有).

复合阵胞则含有1个以上阵点(除角顶位置外，在面心、体心或底心位置尚有阵点)．按阵胞形状特征将14种布拉菲点阵归纳为7个晶系；

3．晶体结构与空间点阵

结构基元还原为晶体结构

晶体结构+空间点阵+结构基元．

虽然空间点阵只有14种，但由于结构基元的多样性(可能是同种或异种原子、离子，也可能是分子、原子团等，而原子团内的原子分布也不尽相同等)，因而每一种点阵因结构基元不同可表示多种晶体结构，即晶体结构的种类是无限的．3．晶体结构与空间点阵

结构基元还原为晶体结构

电磁辐射与材料结构ppt课件4．晶向指数与晶面指数

晶向

晶面

原子面

晶向指数

晶面指数

密勒指数(W．H．Miller)4．晶向指数与晶面指数

晶向

晶面

原子面(1)晶向指数

确定方法如下：

①建立坐标系，即以任一阵点为坐标原点，以晶轴为坐标轴，并以点阵基矢a、b、c分别为相应坐标轴单位矢量；

②通过坐标原点引一直线，使其平行于待标识的晶向；

③求出该直线上任意一点的坐标；

④将3个坐标值按比例化为最小整数(即互质的整数)并加方括号，即为所求晶向指数．

晶向组

晶向族(1)晶向指数

确定方法如下：

①建立坐标系，即以(2)晶面指数

确定方法如下：

①建立坐标系；

②求出待标识晶面在3个坐标轴上的截距③取3个截距值的倒数，将其按比例化为最小整数(即互质的整数)并加圆括号.

晶面组

晶面族(2)晶面指数

确定方法如下：

①建立坐标系；

电磁辐射与材料结构ppt课件(3)六方晶系晶向指数与晶面指数

六方系晶向与晶面除采用密勒指数标识外，根据六方晶系对称性特点，还可采用四轴定向方法标识，称为密勒—布拉菲指数．(3)六方晶系晶向指数与晶面指数

六方系晶向与晶面除采用电磁辐射与材料结构ppt课件5．干涉指数

干涉指数：

干涉指数是对晶面空间方位与晶面间距的标识．

干涉指数可以认为是可带有公约数的晶面指数，即广义的晶面指数．对于一定方位的晶面组，若将其划分为不同晶面间距之晶面组时，可进而以与(nhnknl)标识．若将干涉指数按比例化为最小整数(互质整数)，即n=1，则不论晶面间距如何，其干涉指数均还原为晶面指数(hkl)，此时意味着只以晶面空间方位来标识晶面．

5．干涉指数

干涉指数：

干涉指数是对晶面空

干涉指数表示的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，即干涉指数表示的晶面上不一定有原子分布．

干涉指数概念的建立是出于衍射分析等工作的实际需要，它使许多问题的解决得以简化(如简化布拉格方程；建立倒易阵点与正点阵晶面的一一对应关系等)．干涉指数表示的晶面并不一定是晶体中的真实原子面，即干涉电磁辐射与材料结构ppt课件二、倒易点阵

1．倒易点阵的定义

倒易点阵是由晶体点阵按照一定的对应关系建立的空间(几何)点(的)阵(列)，此对应关系可称为倒易变换．

定义：对于一个由点阵基矢ai(i=1，2，3，应用中常记为a、b、c)定义的点阵(可称正点阵)，若有另一个由点阵基矢aj*(j=1，2，3，可记为a*，b*，c*)定义的点阵，满足:二、倒易点阵

1．倒易点阵的定义

倒易点阵是2．倒易点阵基矢表达式2．倒易点阵基矢表达式3．倒易矢量及其基本性质

在倒易点阵中建立坐标系：以任一倒易阵点为坐标原点(以下称倒易原点，一般取其与正点阵坐标原点重合)，以a1*、a2*、a3*分别为三坐标轴单位矢量．由倒易原点向任意倒易阵点(以下常简称为倒易点)的连接矢量称为倒易矢量，用r*表示．若r*终点(倒易点)坐标为(H，K，L)(此时可将r*记作r*HKL)，则r*在倒易点阵中的坐标表达式为:3．倒易矢量及其基本性质

在倒易点阵中建立坐电磁辐射与材料结构ppt课件与r*及其性质有关的两个问题