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电磁辐射与波粒二象性、电磁波谱、物质波第二节材料结构基础（一）原子能态及其表征、分子运动与能态、原子的磁矩和原子核自旋、固体的能带结构第三节材料结构基础（二）晶体结构、倒易点阵、晶带西南科技大学张宝述1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2一、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。波动性：：波长（）、波数（或K或）、频率（）及相位（）等。=c（光速）微粒性：光

2、子能量（E）和光子动量（p）等。波动性与微粒性的关系：E=h=hc/P=h/3二、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。电磁波谱区段的界限是渐变的Trillion-万亿45电磁波谱的分区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。②中间部分，包括紫外线（光）、可见光和红外线（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。6不同谱域常用的波长单位射线和X射线：nm，Å（1nm

3、=10-9m，1Å=0.1nm=10-10m）紫外线、可见光：nm红外线：m，常用波数（cm-1）表示波长微波：cm射频（无线电波）：m波数：1cm中所含波长的数目，即波长的倒数。单位是厘米-1，即cm-1换算公式：练习电磁波不同单位之间的换算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。德布罗意关系式式中，-德布罗意波长；h-普朗克常数；p-运动实物粒子的动量；m-质量；v-速度。对于高速运动的粒子，m为相对论质量，有当v<

4、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。8电子电荷e＝1.60×10-29C电子质量mm0=9.11×10-31kg普朗克常数h＝6.626×10-34Js（未经相对论校正）电子波（运动电子束）波长以nm为单位，V以V单位。9经相对论校正练习不同加速电压下，电子波长的计算。加速电压较大时，电子波的波长需经相对论校正！10Acceleratingvoltage(kV)Non-relativisticwavelength(nm)Relativisticwavelength(nm)Mass(×m0)V

5、elocity(×108m/s)1000.003860.003701.1961.6441200.003520.003351.2351.7592000.002730.002511.3912.0863000.002230.001971.5872.3304000.001930.001641.7832.48410000.001220.000872.9572.823ElectronPropertiesasaFunctionofAcceleratingVoltageWilliamsDB,CarterCB.Transmissio

6、nelectronmicroscopy.NewYork:Plenum,200911第二节材料结构基础（一）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12一、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131．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

7、能量状态(能级结构)。14图1-1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-

8、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