电磁辐射与材料结构课件.ppt

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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．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.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:二、电磁波谱按一定波长范围(谱域)将电

2、磁波分为若干波谱区: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．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)．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(

3、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．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．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

4、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。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：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.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

5、，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

6、子数．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Ps4总轨道角动量P5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．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．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

7、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: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．2．