本章主要内容光谱、第一章能谱1.1电磁辐射与物质波电磁辐射与材料结构衍射、电*1.2材料结构基础（一）子显微谱1.3材料结构基础（二）3、波动性1.1电磁辐射与物质波描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（2)：波在一个振动周期内传播的距离1、电磁辐射（电磁波）：空间传播的交变波数(c或X)：波在其传播方向上单位长度内波长的数目，亦即的例数(1/ 2)；有时也以2元 / 2作为波数电磁场。光也是一种电磁辐射频率 (v)： 每周期内重复的次数。 单位为Hz(赫效)2、根据量子理论，电磁辐射（电磁波）具>表现为：有波粒二象性反射，折射，干涉，衍射以及偏振等现象。相位（中）：决定波在任一时刻（或位置）的状态的参数，关系到同频率的不同波束能否发生干涉等相互作用4、粒子性5、波动性与粒子性的统一电磁波是由光子所组成的光子流电磁波波动性与微粒性的关系是表现为：光电效应（电磁波与物质相互作用）E=hv描述电磁波粒子性的主要物理参数为光子能量p=hla（E）与光子动量（p）微粒性波动性光电效应无可辨的参数的参数驳的证实了光是一种粒子
1 第一章 电磁辐射与材料结构 本章主要内容 1.1 电磁辐射与物质波 1.2 材料结构基础（一） 1.3 材料结构基础（二） 光谱、 能谱 衍射、电 子显微谱 1、电磁辐射（电磁波）：空间传播的交变 电磁场。光也是一种电磁辐射 2、根据量子理论，电磁辐射（电磁波）具 有波粒二象性 1.1 电磁辐射与物质波 波长(λ)：波在一个振动周期内传播的距离 波数(σ或K)：波在其传播方向上单位长度内波长的 数目，亦即λ的倒数(1/λ)；有时也以2π/λ作为波数． 频率(ν)：每周期内重复的次数．单位为Hz(赫兹) 3、波动性 ¾ 描述电磁波波动性的主要物理参数有： 反射，折射，干涉，衍射以及偏振等现象。 相位(φ)：决定波在任一时刻(或位置)的状态的 参数，关系到同频率的不同波束能否发生干涉 等相互作用 ¾ 表现为: 4、粒子性 电磁波是由光子所组成的光子流 表现为：光电效应（电磁波与物质相互作用） 描述电磁波粒子性的主要物理参数为光子能量 （E）与光子动量（p） 光电效应无可辩 驳的证实了光是 一种粒子 5、波动性与粒子性的统一 电磁波波动性与微粒性的关系是 E = hν p = h/λ 微粒性 的参数 波动性 的参数
电磁波谱①长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，习惯上称此部分为波谱。电子和原子核自射频波旋分裂能级跃迁1~1000m+-长波部分gth(cm)微波分子转动能级跃迁S1mm~ 1m波谱）射线谱光诺②中间部分，包括紫外线、可见光和红外④短波部分（高能部分），包括X射线和射线，统称为光学光谱，，一般所谓光谱仅指此线（以及宇宙射线），此部分可称射线谱，部分。是能量高的谱域近红外分子振动能红外线中红外(X射线←级和转动能0.75~1000um内层电子跃迁级跃迁10-3~10nm远红外短波部分中波部分可见光(射线谱）（光谱区）400~750/800nm原子或分子的外层电子射线紫外线近紫外←核反应跃迁10-5~10-1nm10~400m（核表变）远紫外三、物质波设谦区名称相应的液谱技术长范围产生机理射线10-510-1om核授应德布罗意(LouisdeBroglie)波穆斯堡尔谱法内限电于 X-射线吸收光谱法010-3~10 rg联迎X-荧光光谱法在光的波粒二象性启发下，原于光谱外限电子青年物理学家德布罗意于200~400mm分于光谱1924年提出了物质波的假50(800) r分干振动75~2.510设。他认为：“任何运动的最视跃迁2.5~50m红外吸收光谱法粒子皆伴随着一个波，粒子50~1000g分子种动的运动和波的传播不能相互稳设民证r分离。”电子自载、电子自旋共振波谱法~1000m核白炎核磁共根波谱法2
2 二、电磁波谱 射线谱 光谱 波谱 ①长波部分（低能部分），包括射频波（无 线电波）与微波，习惯上称此部分为波谱。 长波部分 射频波 1～1000m 微波 1mm～1m 电子和原子核自 旋分裂能级跃迁 分子转动能级跃迁 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。 中波部分 （光谱区） 红外线 0.75～1000um 紫外线 10～400nm 可见光 400～750/800nm 近红外 中红外 远红外 近紫外 远紫外 原子或分子 的外层电子 跃迁 分子振动能 级和转动能 级跃迁 ③短波部分（高能部分），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 短波部分 （射线谱） X射线 10-3～10nm γ射线 10-5～10-1nm 内层电子跃迁 核反应 （核衰变） 穆斯堡尔谱法 X-射线吸收光谱法 X-荧光光谱法 原子光谱 分子光谱 红外吸收光谱法 电子自旋共振波谱法 核磁共振波谱法 相应的波谱技术 三、物质波 －－德布罗意(Louis de Broglie)波 在光的波粒二象性启发下， 青年物理学家德布罗意于 1924年提出了物质波的假 设。他认为：“任何运动的 粒子皆伴随着一个波，粒子 的运动和波的传播不能相互 分离。” 独创性
即运动实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或1.225德布罗意波，如电子波、中于波等。1：JV●他预言：运动的实物粒子的能量E、动量P、与它相关联的波的频率V和波长入之间满足如下关系不网加速电压下电子装的液长（经相对论校正）E=hv加速电%/v电子该液长/m加连电%/v电子微微长/am加速电压/kV电子放放长/nm德布罗意关系式0.03380.0859BR8#200.00370P=h/a2称为德布罗意波长8#8880.006980.0025120.006010.01420.0190.0360,000870.,07130.00487D.01220.004181.2材料结构基础（一）半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限，可见光的波长在390~760nm，其极限分单电子原子辨率为200nm*原子能态，1多电子原子2AYo~2*分子能态+目前电子显微镜的分辨率达A数量级，放大倍数达百万倍固体能带原子的运动与能态核外电子的能量状态或运动状态（能级结构)由五个量子数进行表征核外电子在各自的轨道上运动并n(主量子数)用“电子（壳)层"形象化描述电子的分1(角量子数)布状况。m(磁量子数)Na:1s22s22p63s1s (自旋量子数)m,(自旋磁量子数)3
3 即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 λ 称为德布罗意波长 z 他预言：运动的实物粒子的能量 、动量 、与 它相关联的波的频率 和波长 之间满足如下关系 E P ν λ P h = / λ E h = ν V 1.225 λ = 半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极 限，可见光的波长在390~760 nm，其极限分 辩率为200nm γ λ 2 1 Δ 0 ≈ 目前电子显微镜的分辨率达Å数量级，放大 倍数达百万倍 *原子能态 *分子能态 固体能带 单电子原子 多电子原子 1.2 材料结构基础（一） 核外电子在各自的轨道上运动并 用“电子(壳)层”形象化描述电子的分 布状况． Na：1s22s22p63s1 一、原子的运动与能态 核外电子的能量状态或运动状态(能级结 构)由五个量子数进行表征 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)
角量子数/一亚层b、a、主量子数n一电子层意义：原子轨道的角度分布，即电子云的形状，意义：核外电子离核远近取值：7=0，1，2，..n-1取值n=1，2，3，...光谱中表示：s，p，d光谱中表示：K，L，M25轨道：S角量子数I：0C、磁量子数m自旋量子数s和m，d、s=1/2，表示电子本身作自旋运动。意义：原于轨道在空间的取向。取值：m=0，±1，±2，．.±，2/+1个m,为土1/2，电子自旋有顺时针和逆时针两个方向注：能量简并，在磁场中才会分裂如1=1，-0，±1，用pr，PP,表示。2核外电子的能量状态或运动状态（能级结构)由五个量子数进行表征tn=Drn(主量子数)：离核的远近s(=0)1（角量子数）：原子轨道的形状简并p(I=1)m（磁量子数）：原子轨道的空间取向L(n=2)FC5(1=0rs(自旋量子数)：电子自旋方向m（自旋磁量子数）K(n=1) s(=0)0+1/242无外磁场有外磁场电子轨道运动状态+能级图：按一定比例以一定高度的水平线代表一定电子自旋转动状态的能量，并把电子各个运动状态的能量（能级）按大小顺序（由下至上能量增大）而构成的梯级图形
4 a、主量子数 n—电子层 意义：核外电子离核远近 取值：n = 1 ，2 ，3 ，. 光谱中表示：K, L, M 轨道: s p d f 角量子数l: 0 1 2 3 b、角量子数l—亚层 意义：原子轨道的角度分布，即电子云的形状。 取值：l = 0，1，2，.n-1 光谱中表示：s, p, d c、磁量子数m 如l＝1，m=0，±1，用px, py, pz表示。 意义：原子轨道在空间的取向。 取值： m= 0，±1，±2，. ±l，2l+1个 注：能量简并，在磁场中才会分裂 d、自旋量子数s和ms s=1/2，表示电子本身作自旋运动。 ms为±1/2，电子自旋有顺时针和逆时针两个方向 n (主量子数)：离核的远近 l (角量子数)：原子轨道的形状 m (磁量子数)：原子轨道的空间取向 s (自旋量子数)：电子自旋方向 ms (自旋磁量子数) 电子自旋转动状态 电子轨道运动状态 核外电子的能量状态或运动状态(能级结 构)由五个量子数进行表征 能级图：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（由下至上能量增大）而构成的梯级图形 K(n=1) L(n=2) M(n=3) p(l=1) s(l=0) s(l=0) s(l=0) p(l=1) d(l=2) 无外磁场 有外磁场 +2 - 2 - 1 + 1 0 0 + 1 - 1 0 0 +1 -1 0 0 -1/2 +1/2 . 简并
用能级图表示钠原子核外电子分布情况例3：用能级图表示钠原子核外电子分布情况3d钠原子，Z=11钠原子，Z=11n=3 3p(1s)(2s)(2p)6(3s)电子在原子中的分布遵从下列三个原理：n=3, 1=0, m=0, m,=±1/23sm=0,m,=±1/2=01.泡利不相容原理n=2【m=0,m=±1/22pm=-1,m,=±1/22.能量最低原理n=2m=1,m=±1/23.洪特（Hund）规则2sn=1,1=0,m=0,m=±1/2n=11s3d钠原子，Z-11单电子原子电子量子数[n、1、、8、]表征n=33p(1s)2(2s)(2p)(3s)想略这些作用，原于的整体运动状态可视3s(1s)(2s)(2p)*(3p)为核外各电子运动状态(及能态)的叠加，用电于量于数[、1、显、&、m,]表征多电子原子2p相互作用不被忽略，原于的整体运动状n=2态（及能态）要用原子量子数来进行表征电子与电子相互作用2s如何得到原于量子数？？n=11s的蒸气吸收光谱如何得到原子量子数？？剩余相互作用《自旋一轨道相互作用J要考虑到这些作用，按量子理论分析：轨道一轨道相互作用热道一轨道相互传用剩余相互作用J-J偶合重元素原子一自施相互·自旋一自旋相互作用作用·自旋一轨道相互作用中剩余相互作用>自旋一轨道相互作用J偶合原子量子数L-S偶合Z<40的元素5
5 钠原子，Z=11 1.泡利不相容原理 2.能量最低原理 3.洪特（Hund）规则 电子在原子中的分布遵从下列三个原理： 例3：用能级图表示钠原子核外电子分布情况 n=1 1s n=2 3d n=3 3p 3s n=1, l=0, m=0, ms=±1/2 n=2 l=0 l=1 m=0, ms=±1/2 m=0, ms=±1/2 m=-1, ms=±1/2 m=1, ms=±1/2 2p 2s 钠原子，Z=11 n=3, l=0, m=0, ms=±1/2 (1s)2(2s)2(2p)6(3s)1 用能级图表示钠原子核外电子分布情况 n=1 1s n=2 3d n=3 3p 3s 2p 2s 钠原子，Z=11 (1s)2(2s)2(2p)6(3s)1 (1s)2(2s)2(2p)6(3p)1 钠蒸气吸收光谱 单电子原子 多电子原子 电子与电子相互作用 忽略这些作用，原子的整体运动状态可视 为核外各电子运动状态(及能态)的叠加， 用电子量子数[n、l、m、s、ms]表征 相互作用不被忽略，原子的整体运动状 态(及能态)要用原子量子数来进行表征 电子量子数[n、l、m、s、ms ]表征 如何得到原子量子数？？ ¾如何得到原子量子数？？ 要考虑到这些作用，按量子理论分析： z轨道—轨道相互作用 z自旋—自旋相互作用 z自旋—轨道相互作用 剩余相互作用 偶合 原子量子数 剩余相互作用 <自旋—轨道相互作用 轨道—轨道相互 作用 自旋—自旋相互 作用 J-J偶合 重元素原子 剩余相互作用 >自旋—轨道相互作用 L-S偶合 Z<40的元素