电磁辐射与材料结构.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,电磁辐射与波粒二象性,电磁波谱,物质波,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()或波数(或K)、频率(v)及相位()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
2、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=6.62610-34 Js,1.1.2 电磁波谱,电磁光谱,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),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vc时,mm0,1.定义,2.电子
3、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,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
4、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0n-1的正整数,对应于l=0,1,23,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
5、明p亚层有3个不同伸展方向的p轨道(常用pz、px、py分别表示)s(自旋量子数)表征自旋运动角动量的大小,s=1/2ms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.原子基态、激发、电离及能级跃迁,基态:通常
6、,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。,1.2.2 分子运动与能态(共价键),1分子的总能量与能级结构,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,即,(1-10
7、),Ee(简称电子运动能)、Ev(简称分子振动能)及Er(简称分子转动能)均是量子化的,故分子能级由电子(运动)能级、振动能级和转动能级构成。,2分子轨道与电子能级,按分子轨道理论,原子形成分子后,电子不再定域在个别原子内,而是在遍及整个分子范围内运动;每个电子都可看作是在原子核和其余电子共同提供的势场作用下在各自的轨道(称为分子轨道)上运动。分子轨道可近似用原子轨道的线性组合表示。分子轨道可分为成键轨道与反键轨道,成键分子轨道能量较参与组合的原子轨道能量低,而反键分子轨道能量则高于参与组合的原子轨道能量组合的原子轨道能量。,3分子的振动与振动能级(1)双原子分子的振动 可近似用弹簧谐振子(连
8、有两个小球的弹簧体系,作无阻尼同周期振动)模拟将质量分别为m1与m2的两个原子视为小球,而将连接它们的化学键视为质量可忽略的弹簧按虎克定律,有:,胡克定律,分子振动与弹簧谐振子相比,不同之处在于其振动能量是量子化的按量子理论的推导,有,(1-13),式中:Ev分子振动能;V振动量子数,V可取值0,1,2,;h 普朗克常数,(2)多原子分子的振动 多原子分子振动可分为伸缩振动与变形振动两类。伸缩振动是指原子沿键轴方向的周期性(往复)运动;振动时键长变化而键角不变(双原子振动即为伸缩振动)。变形振动又称变角振动或弯曲振动,是指基团键角发生周期性变化而键长不变的振动,(1)伸缩振动:,(2)变形振动
9、:,1.2.3 原子的磁矩和原子核自旋,1.磁矩 描述载流线圈或微观粒子磁性的物理量。在原子中,电子因绕原子核运动而具有轨道磁矩;电子还因自旋具有自旋磁矩;原子核、质子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。这些对研究原子能级的精细结构,磁场中的塞曼效应以及磁共振等有重要意义,也表明各种基本粒子具有复杂的结构。,2.原子核的自旋,若原子核存在自旋,产生核磁矩:自旋角动量:,I:自旋量子数;h:普朗克常数;核磁子=eh/2M c;,自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩,原子的自旋情况可以用(I)表征:,核 磁 矩:,1.2.4 固体的能带结构,1.能带的形成,从STM得到的硅晶体表面的原子
10、结构图,量子力学计算表明,晶体中若有N个原子,由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中变成了N条靠得很近的能级,称为能带。,能带的宽度记作E,数量级为 EeV。,若N=1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。,一般规律:,1.越是外层电子,能带越宽,E越大。,2.点阵间距越小,能带越宽,E越大。,3.两个能带有可能重叠。,离子间距,能带重叠示意图,2.能带中电子的排布,晶体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。,排布原则:,(1)服从包利不相容原理,(2)服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl,它最多能容纳 2(2 l+1)个电子。,这一能级分裂成
11、由 N条能级组成的能带后,能带最多能容纳 2N(2l+1)个电子。,电子排布时,应从最低的能级排起。,2、3能带,最多容纳 6N个电子。,例如,1、2能带,最多容纳 2N个电子。,价带,空带,禁带,满带,导带,3.几个有关能带的名称:,排满电子的能带,价电子能级分离后形成的能带,未排电子的能带,空带也是导带,不能排电子的区域,未排满电子的价带,它们的导电性能不同,是因为它们的能带结构不同。,晶体按导电性能的高低可以分为,4.导体、半导体和绝缘体,从能级图上来看,是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带(Eg 约36 eV),共有化电子很难从低能级(满带)跃迁到高能级(空带)上去。,在外电场的作用下
12、,共有化电子很难接受外电场的能量,所以形不成电流。,绝缘体,在外电场的作用下,大量共有化电子很 易获得能量,集体定向流动形成电流。,从能级图上来看,是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。,导体,半导体的能带结构与绝缘体的能带结构类似,但是禁带很窄(E g约0.12 eV)。,半导体,绝缘体与半导体的击穿,当外电场非常强时,绝缘体与半导体的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中。通常称为半导体与绝缘体被击穿。,绝缘体,半导体,导体,第三节 材料结构基础(2),1.3.1 晶体结构1.3.2 倒易点阵1.3.3 晶带,1.3.1 晶体结构,1.空间点阵的概念,晶体:物质点(原子、离子
13、、分子)在空间周期排列构成固体物质。结构基元:在晶体中重复出现的基本单元;在三维空间周期排列;为简便,可抽象为几何点。,空间点阵:上述几何点在空间的分布,每个点称为阵点。,The Lattice and the Basis,晶体结构=空间点阵+基元,电气石卵石,铁铝榴石(almandine),尖晶石Spinel,尖晶石Spinel,金刚石-Diamond,铁铝榴石-almandine,钙铁榴石(翠榴石)-andradite,黄铁矿FeS2,萤石CaF2,萤石(CaF2)与闪锌矿(ZnS),萤石,石盐NaCl,锆石(Zircon)-ZrSiO4,绿柱石Be3Al2Si6O18,祖母绿,绿柱石晶体
14、,各种绿柱石晶体,天河石-Amazonite,石膏晶体,长石(Feldspar)晶体和双晶,红锑矿-Kermesite,蓝宝石(Al2O3)晶体,红宝石(Al2O3),烟晶(SiO2)Smokey Quartz,石英的晶面条纹,电气石的晶面条纹,刚玉晶体的晶面条纹,柱状刚玉晶体,铬钒钙铝榴石,金刚石晶体的晶面条纹,铁钙铝榴石Grossulars,铁钙铝榴石Grossulars,板状红宝石晶体,2阵胞与点阵类型,在点阵中选择一个由阵点连接而成的几何图形(一般为平行六面体)作为点阵的基本单元来表达晶体结构的周期性,称为阵胞(晶胞),晶胞有两个要素:晶胞的大小和形状,由晶胞参数 规定。晶胞内部各个原
15、子的坐标位置,由原子坐标参数x,y,z规定。,14种布拉菲点阵,三斜:简单三斜,单斜:简单单斜 底心单斜,正交:简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,菱方:简单菱方,六方:简单六方,四方:简单四方 体心四方,立方:简单立方,体心立方,面心立方,(1)堆积方式,等径球体在平面上的紧密排列:,第二层球体落于B或C孔隙上,第三层位于第一层正上方,第三层位于一二层间隙,六方最紧密堆积,面心立方最紧密堆积,第三层球体叠加时,有两种完全不同的堆叠方式:,1)六方紧密堆积:,按ABABAB的顺序堆积,球体在空间的分布与空间格子中的六方格子相对应。例:金属锇Os、铱Ir,密排六方结构:,(0001)面,2)
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