材料辐射与材料结构

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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2第一节电磁辐射与物质波一、电磁辐射与波粒二象性二、电磁波谱三、物质波3一、电磁辐射与波粒二象性电磁辐射（也可称为电磁波，有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）：在空间传播的交变电磁场。根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。波动性：电磁波在空间的传播遵循波动方程。描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（）、波数（或K或）、频率（）及相位（）等。=c（光速）微粒性：电磁波是由光子所组成的光子流。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。4波动性与微粒性的关系：E=h（=hc/）P=h/等式左边与

2、右边分别为表示电磁波微粒性与波动性的参数5二、电磁波谱将电磁波按波长（或频率）顺序排列即构成电磁波谱。6②中间部分，包括紫外线、可见光和红外线（红外光），统称为光学光谱，一般所谓光谱仅指此部分而言。③短波部分（高能部分），包括X射线和射线（以及宇宙射线），此部分可称射线谱。①长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，有时习惯上称此部分为波谱。7三、物质波运动实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或德布罗意波，如电子波、中子波等。德布罗意关系式(=h/p)=h/mv式中，p—运动实物粒子的动量；m—质量；v—速率。对于高速运动的粒子，m为相对论质量，有当v<

3、和电子衍射是基于电子的波动性而建立起来的。根据中子的波动性建立了中子衍射。电子波（运动电子束）波长将电子电荷e＝1.60×10-19C、电子质量mm0=9.11×10-31kg及h值代入上式，得式中，以nm为单位，V以V单位。代入德布罗意物质波公式，得9不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）1nm=10Å10第二节材料结构基础一、原子能态及其表征二、分子运动与能态三、原子的磁矩和原子核自旋四、固体的能带结构五、晶体结构11一、原子能态及其表征1．原子结构与电子量子数2．原子能态与原子量子数3．原子基态、激发、电离及能级跃迁与原子光谱有关的结构知识121．原子结构与电子量子数原子由原子核

4、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上运动并用“电子层”形象化描述电子的分布状况。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。5个量子数也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。13n、l、m对核外电子状态的表征意义14原子的电子能级示意图152．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，量子理论将这些复杂作用分解为：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

5、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。16J-J偶合：当剩余相互作用小于自旋-轨道相互作用时，先考虑后者的偶合（适用于重元素原子）。L-S偶合：当剩余相互作用大于自旋-轨道相互作用时，先考虑前者的偶合[适用于轻元素和中等元素（Z<40）的原子]。L-S偶合可记为（s1，s2，…）（l1，l2，…）=（S，L）=J（1-9）此式表示将各电子自旋角动量（，，…）与各电子轨道角动量（，，…）分别加和（矢量和），获得原子的总自旋角动量PS与总轨道角动量PL，然后再由PS与PL合成总（自旋-轨

6、道）角动量PJ（即PJ=PS+PL）。偶合方式17按L-S偶合，得到S、L、J、MJ等表征原子运动状态的原子量子数。S称总自旋量子数，表征PS的大小。L称总（轨道）角量子数，表征PL的大小。J称内量子数（或总量子数），表征PJ的大小；J为正整数或半整数，取值为：L+S，L+S-1，L+S-2，…，L-S，若L≥S，则J有2S+1个值，若L＜S，则J有2L+1个值。MJ称总磁量子数，表征PJ沿外磁场方向分量的大小，MJ取值为：0，1，2，…，J（当J为整数时）或1/2，3/2，…，J（当J为半整数时）。18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n

7、MLJ表示，称为光谱项。符号中，对应于L＝0，1，2，3，4…，常用大写字母S、P、D、F、G等表示。光谱支项M表示光谱项多重性（称谱线多重性符号），即表示n与L一定的光谱项可产生M个能量稍有不同的分裂能级（每一分裂能级称为一个光谱支项），此种能级分裂取决于J，每一个光谱支项对应于J的一个确定取值，而M则为J的可能取值的个数,即L≥S时，M=2S+1光谱项n（2s+1)LJL