the 2nd lecture -3-2公開課一等獎(jiǎng)省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎(jiǎng)?wù)n件

第一章電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)

第一節(jié)電磁輻射與物質(zhì)波

一、電磁輻射與波粒二象性

電磁輻射是指在空間傳輸交變電磁場(chǎng)．

電磁輻射也可稱為電磁波，它在空間傳輸遵照波動(dòng)方程；電磁輻射波動(dòng)性：反射、折射、干涉、衍射、偏振等．

主要物理參數(shù)有：波長(λ)或波數(shù)(σ或K)、頻率(ν)及相位(φ)等．波長．在一個(gè)震動(dòng)周期內(nèi)傳輸距離

波數(shù)．單位長度內(nèi)波長數(shù)目

頻率．每秒波動(dòng)次數(shù)

位相．任一時(shí)刻狀態(tài)參數(shù)

光速.

電磁波同時(shí)含有微粒性，即電磁波是由光子所組成光子流．

電磁波與物質(zhì)相互作用，如光電效應(yīng)等現(xiàn)象是其微粒性表現(xiàn)．

電磁波波動(dòng)性與微粒性經(jīng)過以下關(guān)系式相聯(lián)絡(luò):

二、電磁波譜

按一定波長范圍(譜域)將電磁波分為若干波譜區(qū):分三部分：

①長波部分:

包含射頻波(無線電波)與微波，有時(shí)習(xí)慣上稱此部分為波譜．長波輻射光子能量低，它與物質(zhì)中間隔很小能級(jí)躍遷能量相適應(yīng)，如電子和原子核自旋分裂能級(jí)躍遷(順磁共振和核磁共振)等．②中間部分:

包含紫外線、可見光和紅外線，統(tǒng)稱為光學(xué)光譜，普通所謂光譜僅指此部分而言．此部分輻射光子能量與原子或分子外層電子能級(jí)躍遷相適應(yīng).

③短波部分:

包含X射線和γ射線(以及宇宙射線)，此部分可稱射線譜，是能量高譜域．X射線產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷，而γ射線產(chǎn)生于核反應(yīng)(如核衰變)．三、物質(zhì)波

德布羅意提出了運(yùn)動(dòng)實(shí)物粒子也含有波粒二象性假設(shè)，即認(rèn)為運(yùn)動(dòng)實(shí)物粒子(指靜止質(zhì)量不為零實(shí)物微粒，如電子、中子、質(zhì)子等)也含有波粒二象性，稱為物質(zhì)波或德布羅意波，如電子波、中子波等．第二節(jié)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(一)

固體物質(zhì)范圍．

固體由原子(離子)聚集而成．

因?yàn)樵娱g鍵合方式不一樣造成其聚集狀態(tài)不一樣，從而形成了分子(高分子)態(tài)、晶態(tài)(晶體)和非晶態(tài)等固體物質(zhì)不一樣存在形式．一、原子能態(tài)及其表征

1．原子結(jié)構(gòu)與電子量子數(shù)

原子:由原子核和繞核運(yùn)動(dòng)電子組成．

核外電子:在各自軌道(稱原子軌道)上運(yùn)動(dòng)并用“電子(殼)層”形象化描述電子分布情況．每一確定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電子對(duì)應(yīng)地含有確定能量．

不一樣狀態(tài)下所含有能量數(shù)值各不相同.

量子化，慣用能級(jí)表示.

能級(jí)圖:是按一定百分比以一定高度水平線代表一定能量，并把電子各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能量(能級(jí))按大小次序排列(由下至上能量增大)而組成梯級(jí)圖形。n(主量子數(shù))

l(角量子數(shù))

m(磁量子數(shù))

s(自旋量子數(shù))

ms(自旋磁量子數(shù))

n值慣用K，L，M，N，O，…表示，n決定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要能量(主能級(jí)能量E)，有：

l取值為0～n-1正整數(shù)，對(duì)應(yīng)于l=0，1，2，3，…電子亞層或原子軌道形狀分別稱為spdf等層或(原子)軌道．

m取值為0，±1，…，±l．

簡(jiǎn)并軌道簡(jiǎn)并度．n、l、m共同表征了電子軌道運(yùn)動(dòng).

s、ms

是電子自旋運(yùn)動(dòng)表征．

s表征自旋運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量大小，s

=1／2，

ms取值為±1／2，表明電子自旋只有兩個(gè)方向，通常稱為正自旋和反自旋(順時(shí)針或反時(shí)針方向)。ms決定電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向分量大?。獯艌?chǎng)影響2．原子能態(tài)與原子量子數(shù)

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(及能態(tài))疊加，并用電子量子數(shù)(n、l、m、s、ms)表征．

當(dāng)考慮這些復(fù)雜作用時(shí)，量子理論將其分解為軌道—軌道相互作用(各電子軌道角動(dòng)量之間作用)、自旋—自旋相互作用(各電子自旋角動(dòng)量之間作用)及自旋—軌道相互作用(指電子自旋角動(dòng)量與其軌道角動(dòng)量作用，單電子原子中也存在此作用)，并將軌道—軌道及自旋—自旋作用合稱為剩下相互作用，進(jìn)而經(jīng)過對(duì)各角動(dòng)量進(jìn)行加和組合過程(稱為偶合)取得表征原子整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與能態(tài)原子量子數(shù)．偶合方式:L—S偶合與J—J偶合兩種方式.幾個(gè)概念：

1各電子自旋角動(dòng)量

2各電子軌道角動(dòng)量

3總自旋角動(dòng)量Ps

4總軌道角動(dòng)量P

5總(自旋—軌道)角動(dòng)量

6總自旋量子數(shù)

7總(軌道)角量子數(shù)

8稱內(nèi)量子數(shù)(或總量子數(shù))

9總磁量子數(shù)10光譜項(xiàng)

11光譜項(xiàng)多重性(稱譜線多重性符號(hào))

12能級(jí)分裂

13塞曼分裂．3．原子基態(tài)、激發(fā)、電離及能級(jí)躍遷

原子核外電子遵從能量最低原理、包利(Pauli)不相容原理和洪特(Hund)規(guī)則，分布于各個(gè)能級(jí)上。

基態(tài)

激發(fā)態(tài)

激發(fā)

激發(fā)能

激發(fā)電位

電子躍遷或能級(jí)躍遷

輻射躍遷

無輻射躍遷．

電離能

電離電位

一次電離

二次電離

三次電離二、分子運(yùn)動(dòng)與能態(tài)

分子由原子組成．原子結(jié)合成份子時(shí)能夠是共價(jià)鍵，也能夠是離子鍵，但離子鍵形成分子只存在于高溫蒸氣中．

1．分子總能量與能級(jí)結(jié)構(gòu)

分子運(yùn)動(dòng)及對(duì)應(yīng)能態(tài)遠(yuǎn)比原子復(fù)雜．

普通可近似認(rèn)為分子總能量(E)由分子中各原子核外電子軌道運(yùn)動(dòng)能量(Ee)，原子(或原子團(tuán))相對(duì)振動(dòng)能量(Ev)及整個(gè)分子繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)能量(Er)組成:

分子能級(jí)由電子(運(yùn)動(dòng))能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)組成，如圖1—3所表示．

同一電子能級(jí)因振動(dòng)能量不一樣分為若干振動(dòng)能級(jí)；而同一振動(dòng)能級(jí)又因轉(zhuǎn)動(dòng)能量不一樣分為若干轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)．2．分子軌道與電子能級(jí)

按分子軌道理論，原子形成份子后，電子不再定域在個(gè)別原子內(nèi)，而是在遍布整個(gè)分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)；而且每個(gè)電子都可看作是在原子核和其余電子共同提供勢(shì)場(chǎng)作用下在各自軌道(稱為分子軌道)上運(yùn)動(dòng)．分子軌道可近似用原子軌道線性組合表示．

分子軌道:成鍵軌道與反鍵軌道.按價(jià)鍵理論，含有未成對(duì)電子原子靠近時(shí)可因未成對(duì)電子配對(duì)從而使原子軌道部分重合形成份子軌道．

自旋反向未成對(duì)電子配對(duì)形成成鍵軌道，自旋同向電子配對(duì)則形成反鍵軌道．

σ軌道

σ電子

σ鍵

π軌道

π電子

π鍵

電子分子軌道運(yùn)動(dòng)能量與參加組合原子軌道能量及它們重合程度相關(guān)．將分子軌道運(yùn)動(dòng)按能量大小次序排列，即可得到分子電子能級(jí)圖．

分子中電子在其電子能級(jí)中分布也遵從能量最低原理與包利不相容原理．3．分子振動(dòng)與振動(dòng)能級(jí)

(1)雙原子分子振動(dòng)

分子振動(dòng):分子中原子(或原子團(tuán))以平衡位置為中心相對(duì)(往復(fù))運(yùn)動(dòng)．

近似用彈簧諧振子(連有兩個(gè)小球彈簧體系，作無阻尼同周期振動(dòng))模擬．按虎克定律.

(2)多原子分子振動(dòng)

多原子分子振動(dòng)遠(yuǎn)較雙原子分子復(fù)雜．

多原子分子振動(dòng)可分為伸縮振動(dòng)與變形振動(dòng)兩類．

伸縮振動(dòng):原子沿鍵軸方向周期性(往復(fù))運(yùn)動(dòng)；振動(dòng)時(shí)鍵長改變而鍵角不變(雙原子振動(dòng)即為伸縮振動(dòng))．

變形振動(dòng):又稱變角振動(dòng)或彎曲振動(dòng)，是指基團(tuán)鍵角發(fā)生周期性改變而鍵長不變振動(dòng)．三、原子磁矩和原子核自旋

1．原子磁矩

(1)原子軌道磁矩

原子中電子繞核旋轉(zhuǎn)軌道運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生軌道磁矩

原子(中電子)軌道磁矩與軌道角動(dòng)量關(guān)系(2)電子自旋磁矩

電子自旋運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生磁矩。

電子自旋磁矩與自旋角動(dòng)量關(guān)系:

(3)單電子原子內(nèi)量子數(shù)與磁矩

單電子原子中也存在著電子自旋—軌道相互作用(當(dāng)月（4）多電子原子磁矩因子

2．原子核自旋與核磁矩

(1)原子核自旋

原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子在核中現(xiàn)有軌道運(yùn)動(dòng)又有自旋運(yùn)動(dòng)并有很強(qiáng)自旋—軌道相互作用．

整個(gè)原子核總角動(dòng)量

核自旋

核自旋量子數(shù)工表征(2)核磁矩

四、固體能帶結(jié)構(gòu)

1．能帶形成

原子中核外電子在原子軌道上運(yùn)動(dòng)并處于不一樣分立能級(jí)上．當(dāng)N個(gè)原子相靠近形成晶體時(shí)將發(fā)生原子軌道交疊并產(chǎn)生能級(jí)分裂現(xiàn)象，量子理論證實(shí)，N個(gè)原子中原先能量直相同能級(jí)(如各原子2s能級(jí))將分裂成N個(gè)能量各不相同能級(jí)；但分裂各能級(jí)范量差值不大．

原子數(shù)N很大分裂溝能級(jí)差值極小，能夠視為連續(xù)分布，即形成有一定寬度能帶．2．能帶結(jié)構(gòu)基本類型及相關(guān)概念

能帶命名：可沿用能級(jí)分裂以前原子能及名稱．

禁帶

能隙

價(jià)帶

導(dǎo)帶

芯能級(jí)

滿帶

空帶絕緣體能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

為價(jià)帶已被電子填滿成為滿帶．

價(jià)帶與最低空帶(導(dǎo)帶)間禁帶寬度較寬，約為3～6eV．

大多數(shù)離子晶體(NaCl、KCl等)、分子晶體(C12、C02等)和由含有偶數(shù)個(gè)價(jià)電子原子組成大多數(shù)共價(jià)晶體屬于這類．

本征半導(dǎo)體：最高滿帶(價(jià)帶)與最低空帶(導(dǎo)帶)間禁帶寬度較窄，約為0．1—2eV．普通是ⅣA族Si或Ge．

導(dǎo)體:價(jià)帶只填人部分電子或者價(jià)帶雖已填滿但與另一相臨空帶緊密相接或部分重合；前者如堿金屬元素組成晶體，后者如Mg、Be、Zn、Cd等金屬晶體．

費(fèi)米能級(jí)

費(fèi)米能。

對(duì)于導(dǎo)體，正F處于價(jià)帶與導(dǎo)帶分界處．對(duì)于非導(dǎo)體(禁帶中無雜質(zhì)能級(jí)時(shí))，正F則位于禁帶中央．第三節(jié)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(二)

一、晶體結(jié)構(gòu)

1．空間點(diǎn)陣概念

晶體:組成它原子(或離子、分子、原子團(tuán)等，以下不需加以區(qū)分時(shí)，泛稱原子)有規(guī)則排列固體．

空間點(diǎn)陣

晶體點(diǎn)陣

點(diǎn)陣

空間格子

晶格2．陣胞與點(diǎn)陣類型

周期性與對(duì)稱性是晶體中原子規(guī)則排列基本特征．

陣胞(晶胞):在點(diǎn)陣中選擇一個(gè)由陣點(diǎn)連接而成幾何圖形(普通為平行六面體)作為點(diǎn)陣基本單元來表示晶體結(jié)構(gòu)周期性．

單位陣胞矢量

點(diǎn)陣基矢

基本平移矢量

晶軸

陣點(diǎn)矢量坐標(biāo)布拉菲(A．Bravais):

可能陣胞只有14種，即全部晶體均可分別用這14種陣胞表示空間點(diǎn)陣(稱為布拉菲點(diǎn)陣)來描述其原子排布規(guī)則．

按陣胞形狀特征將14種布拉菲點(diǎn)陣歸納為7個(gè)晶系；

按陣胞中陣點(diǎn)位置又分為簡(jiǎn)單陣胞(初基陣胞)和復(fù)合陣胞(非初基陣胞)．

簡(jiǎn)單陣胞只占有一個(gè)陣點(diǎn)(陣胞8個(gè)角頂位置上有陣點(diǎn)，但每一陣點(diǎn)為相毗鄰8個(gè)陣胞所共有).

復(fù)合陣胞則含有1個(gè)以上陣點(diǎn)(除角頂位置外，在面心、體心或底心位置還有陣點(diǎn))．3．晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

結(jié)構(gòu)基元還原為晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)+空間點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)基元．

即使空間點(diǎn)陣只有14種，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)基元多樣性(可能是同種或異種原子、離子，也可能是分子、原子團(tuán)等，而原子團(tuán)內(nèi)原子分布也不盡相同等)，因而每一個(gè)點(diǎn)陣因結(jié)構(gòu)基元不一樣可表示各種晶體結(jié)構(gòu)，即晶體結(jié)構(gòu)種類是無限．4．晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

晶向

晶面

原子面

晶向指數(shù)

晶面指數(shù)

密勒指數(shù)(W．H．Miller)(1)晶向指數(shù)

確定方法以下：

①建立坐標(biāo)系，即以任一陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以晶軸為坐標(biāo)軸，并以點(diǎn)陣基矢a、b、c分別為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸單位矢量；

②經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線，使其平行于待標(biāo)識(shí)晶向；

③求出該直線上任意一點(diǎn)坐標(biāo)；

④將3個(gè)坐標(biāo)值按百分比化為最小整數(shù)(即互質(zhì)整數(shù))并加方括號(hào)，即為所求晶向指數(shù)．

晶向組

晶向族(2)晶面指數(shù)

確定方法以下：

①建立坐標(biāo)系；

②求出待標(biāo)識(shí)晶面在3個(gè)坐標(biāo)軸上截距③取3個(gè)截距值倒數(shù)，將其按百分比化為最小整數(shù)(即互質(zhì)整數(shù))并加圓括號(hào).

晶面組

晶面族(3)六方晶系晶向指數(shù)與晶面指數(shù)

六方系晶向與晶面除采取密勒指數(shù)標(biāo)識(shí)外，依據(jù)六方晶系對(duì)稱性特點(diǎn)，還可采取四軸定向方法標(biāo)識(shí)，稱為密勒—布拉菲指數(shù)．5．干涉指數(shù)

干涉指數(shù)：

干涉指數(shù)是對(duì)晶面空間方位與晶面間距標(biāo)識(shí)．

干涉指數(shù)能夠認(rèn)為是可帶有條約數(shù)晶面指數(shù)，即廣義晶面指數(shù)．對(duì)于一定方位晶面組，若將其劃分為不一樣晶面間距之晶面組時(shí)，可進(jìn)而以與(nhnknl)標(biāo)識(shí)．若將干涉指數(shù)按百分比化為最小整數(shù)(互質(zhì)整數(shù))，即n=1，則不論晶面間距怎樣，其干涉指數(shù)均還原為晶面指數(shù)(hkl)，此時(shí)意味著只以晶面空間方位來標(biāo)識(shí)晶面．

干涉指數(shù)表示晶面并不一定是晶體中真實(shí)原子面，即干涉指數(shù)表示晶面上不一定有原子分布．

干涉指數(shù)概念建立是出于衍射分析等工作實(shí)際需要，它使許多問題處理得以簡(jiǎn)化(如簡(jiǎn)化布拉格方程；建立倒易陣點(diǎn)與正點(diǎn)陣晶面一一對(duì)應(yīng)關(guān)系等)．二、倒易點(diǎn)陣

1．倒易點(diǎn)陣定義

倒易點(diǎn)陣是由晶體點(diǎn)陣按照一定對(duì)應(yīng)關(guān)系建立空間(幾何)點(diǎn)()陣(列)，此對(duì)應(yīng)關(guān)系可稱為倒易變換．

定義：對(duì)于一個(gè)由點(diǎn)陣基矢ai(i=1，2，3，應(yīng)用中常記為a、b、c)定義點(diǎn)陣(可稱正點(diǎn)陣)，若有另一個(gè)由點(diǎn)陣基矢aj*(j=1，2，3，可記為a*，b*，c*)定義點(diǎn)陣，滿足:2．倒易點(diǎn)陣基矢表示式3．倒易矢量及其基本性質(zhì)

在倒易點(diǎn)陣中建立坐標(biāo)系：以任一倒易陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(以下稱倒易原點(diǎn)，普通取其與正點(diǎn)陣坐標(biāo)原點(diǎn)重合)，以a1*、a2*、a3*分別為三坐標(biāo)軸單位矢量．由倒易原點(diǎn)向任意倒易陣點(diǎn)(以下常簡(jiǎn)稱為倒易點(diǎn))連接矢量稱為倒易矢量，用r*表示．若r*終點(diǎn)(倒易點(diǎn))坐標(biāo)為(H，K，L)(此時(shí)可將r*記作r*HKL)，則r*在倒易點(diǎn)陣中坐標(biāo)表示式為:與r*及其性質(zhì)相關(guān)兩個(gè)問題