电磁辐射与材料结构

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1、第一章电磁辐射与材料结构第一节电磁辐射与物质波第二节材料结构基础（1）第三节材料结构基础（2）第一节电磁辐射与物质波1.1.1电磁辐射与波粒二象性1.1.2电磁波谱1.1.3物质波1.1.1电磁辐射与波粒二象性2.性质与表述电磁波(部分谱域称为光)，它在空间的传播遵循波动方程；波动性的表现：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(v)及相位(φ)等．电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场．电磁波在真空中的传播速度(c)称光速，它与波长和频率满足关系（1-1）1.定义电磁

2、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．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。电磁波波动性与微粒性通过下列关系式相联系，即：（1-2）（1-3）h—普朗克常数h=6.626×10-34J•s1.1.2电磁波谱电磁光谱光谱区频率范（Hz）空气中波长作用类型γ射线X射线远紫外光紫外光可见光>1020(能量MeV)1020~10161016~10151015~7.5×10147.5×1014~4.0×1014＜10-1

3、2m10-3nm~10nm10nm~200nm200nm~400nm400nm~750nm原子核内层电子跃迁电子跃迁电子跃迁价电子跃迁近红外光红外光微波无线电波声波4.0×1014~1.2×10141.2×1014~10111011~108108~10520000~300.75um~2.5um2.5um~1000um0cm~100cm1m~1000m15km~106km振动跃迁振动或转动跃迁转动跃迁原子核旋转跃迁分子运动1.1.3物质波德布罗意(de.Broglie)于1924年提出了运动实物粒子也具有波粒

4、二象性的假设，即认为运动的实物粒子[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。德布罗意关系式：（1-4）λ称为德布罗意波长；v是粒子运动速度(注意此处不是光速c)；m为相对论质量。（1-5）当v《c时，m≈m01.定义2.电子的波粒二象性电子衍射实验：1927年，Davisson和Germer应用Ni晶体进行的电子衍射实验证实了电子具有波动性。将一束电子流经过一定的电压加速后通过金属单晶，象单色光通过小圆孔一样发生衍射现象，在感光底片上，得到一系列明

5、暗相同的衍射环纹（如右图所示）。第二节材料结构基础（1）1.2.1原子能态及其表征1.2.2分子运动与能态1.2.3原子的磁矩和原子核自旋1.2.4固体的能带结构1.2.1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。一般近似认为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。核外电子在不同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．能级图是按一定

6、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。核外电子的运动状态由5个量子数表征：n(主量子数)n决定电子运动状态的主要能量(主能级能量，n=1，2，3，4，5，…正整数。l(角量子数)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s、p、d、f等层或(原子)轨道．m(磁量子数)取值为0，±1，…，±l．例如p轨道(l=1)，则m=0，±1，表明p亚层有3个不同伸展方向的p轨道(常用pz、p

7、x、py分别表示)．s(自旋量子数)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(自旋磁量子数)ms决定电子自旋角动量在外磁场方向的分量大小，当无外磁场存在时，ms的取值不影响电子的能量大小，即电子正旋与反旋是简并的；反之，则将产生电子自旋能级的分裂．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。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。3

8、.原子基态、激发、电离及能级跃迁基态：通常，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。激发态：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，是高能态。激发：原子由基态转变为激发态的过程。电子跃迁或能级跃迁：原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁。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，产生电离。1.2