第三章 粒子(束)与材料的相互作用
材料分析测试方法A教学大纲
《材料分析测试方法A》课程教学大纲课程英文名称：Materials Analysis Techniques (A)课程编号：113990090课程类别：专业课课程性质：必修课学分：4学时：64（其中：讲课学时：48 实验学时：16 上机学时: ）适用专业：材料物理开课部门：材料科学与工程学院一、课程教学目的和课程性质材料分析测试方法（A）是为材料物理本科专业学生开设的专业必修课之一。
材料分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌、缺陷等方面的现代分析测试技术及其有关理论基础的科学。
现代分析测试方法在材料生产过程中原材料的检测、产品质量监控以及新材料的研究与开发等方面具有重要的作用，它们既是材料分析测试的手段，也是材料科学研究必不可少的方法，是材料物理专业学生必备的专业知识之一。
通过本课程的教学，使学生系统地了解材料现代主要分析测试方法的基本原理、仪器设备、样品制备及应用，掌握常见分析测试技术所获信息的解释和分析方法，使学生能够独立（或与专业分析测试人员一起）拟定材料分析测试方案，进行材料分析和研究工作，为学生毕业后从事材料生产、检测、研发以及进一步深造打下良好的基础。
本课程的总体要求是，学生通过本课程的学习，能够：1．掌握电磁辐射、电子束和离子束等探针信号与物质的相互作用所产生的信息及根据这些信息建立的分析测试方法；2．掌握X射线衍射分析、电子衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析、电子探针显微分析、紫外可见吸收光谱分析、红外吸收光谱分析和热分析的基本原理、仪器设备、样品制备、主要功能、测试结果的分析方法和应用；3．熟悉俄歇电子能谱分析、X射线光电子能谱分析的基本原理、仪器设备、样品制备、主要功能和应用；4．了解紫外光电子能谱分析、拉曼光谱分析、扫描探针显微分析、原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析、原子荧光光谱分析、分子荧光光谱分析、核磁共振谱分析、穆斯堡尔谱分析、X射线荧光光谱分析、电子自旋共振谱分析、场离子显微分析、原子力显微分析、质谱和二次离子质谱分析等方法的基本原理、主要功能和应用。
固体物理中粒子的相互作用
固体物理中粒子的相互作用引言：固体物理是研究固体材料中原子和分子的行为和性质的学科。
在固体物理中，粒子的相互作用是一个重要的研究领域。
粒子的相互作用决定了固体材料的性质，包括力学性质、电学性质、热学性质等。
本文将介绍固体物理中常见的粒子相互作用，包括原子间相互作用、分子间相互作用和电子间相互作用。
一、原子间相互作用原子是构成固体材料的基本单位，原子间的相互作用对固体材料的性质具有重要影响。
原子间相互作用主要包括范德华力、离子键和共价键。
1. 范德华力范德华力是非共价键的一种相互作用力。
它是由于原子间的极化现象引起的，即原子的电子云在空间中不均匀分布，导致电荷分布不对称，从而形成电荷间的吸引力。
范德华力是一种弱力，但在大量原子间的积累下，可以对固体的性质产生显著影响。
2. 离子键离子键是由正负离子之间的相互吸引力形成的。
在固体中，正离子和负离子通过电荷吸引相互结合，形成一个离子晶体结构。
离子键通常具有高熔点和硬度，因为它们之间的吸引力很强。
3. 共价键共价键是由原子之间的电子共享形成的。
在共价键中，原子共享外层电子，使得原子之间形成稳定的化学键。
共价键通常具有较高的强度和热稳定性。
二、分子间相互作用分子是由原子通过共价键结合而成的，分子间的相互作用影响着物质的性质，尤其是液体和固体的性质。
分子间相互作用主要包括范德华力、氢键和疏水作用。
1. 范德华力在分子间，范德华力也是主要的相互作用力。
它是由分子的极化现象引起的，不同分子之间的电荷分布不均匀，从而形成电荷间的吸引力。
范德华力的大小取决于分子的极性和形状。
2. 氢键氢键是一种特殊的分子间相互作用力，它是由氢原子与氧、氮或氟原子之间的相互作用形成的。
氢键通常比范德华力更强，对分子的性质有显著影响。
例如，水的氢键使得水分子具有较高的沸点和比热容。
3. 疏水作用疏水作用是非极性分子之间的相互作用力。
非极性分子在水中往往聚集在一起，形成疏水聚集体。
疏水作用对脂肪酸、脂质等物质的溶解和聚集有重要影响。
核分析基础第3章
• 入射离子与靶原子碰撞的运动学因子、散 射截面和能量损失因子是背散射分析中的 三个主要参量。
1.离子碰撞后和碰撞前的能量之比K称为运动 学因子.
2.入射粒子与靶原子核之间的库仑排斥力作 用下的弹性散射过程的微分截面称为卢瑟 福散射截面.
3. 能量损失因子 当入射粒子从靶样品表面穿透到靶内某一深度 处发生大角度散射时，离子在这段入射路径上要损 失一小部分能量，同样，在发生散射后，背散射粒 子从靶内射出样品表面到达探测器，在这段出射路 径上也要损失一小部分能量．离子在样品中入射和 出射路径上的电离能量损失，使在样品深部发生背 散射的粒子的能量在能谱上相对于样品表面发生背 散射的粒子能量往低能量侧展宽。 能量宽度ΔE正比于靶厚度和离子在靶物质中的 背散射能量损失因子。这能谱曲线向低能侧的展宽， 反映出了靶原子随深度的分布情况。因此，由背散 射能谱分析，可以获得靶原子的深度分布信息，建 立背散射谱峰宽度与靶厚度之间的关系。
三、应用实例 卢瑟福反散射分析可用于：样品表面层杂质成分和深度 分布分析，材料表面各种薄膜组成和厚度分析，薄膜界 面特性分析，化合物的化学配比分析，以及离子束混合 材料分析等。 例：表面杂质含量分析
在玻璃碳基体上，用真空镀膜法镀上一层极薄的Au元素。用 2MeV的4He+束做RBS分析，测到的背散射能谱如图所示，图中 用箭头标出了Au和C的背散射峰位。C基体很厚，它的能谱是连 续的，Au层很薄，背散射能谱呈一高斯形状的峰.
四、带电粒子瞬发分析的特点 1.有极高的选择性，干扰小； 2.核反应特性不受靶所处的物理和化学状态的影响；
（条件允许时）样品可以在高温和高压下被分析
3. 适合分析重基体中的轻元素；
特别是B、H、He、Li、Be、C、N、O、F、Na、Mg和A1
03 第三章 纳米材料的能带理论及基本效应
能带模型
能带结构的描述方法：
能带中能级的汇集结构、密集程度，通常用 态密度N(E)表示。 N(E)定义为：晶体中单位体积、单位 能量宽度内存在的能级(或量子状态) 总数。 根据自由电子模型，金属中电 子的态密度(包括自旋)为：
1 2m N (E) 2 2 E 2
3 2
费米能级在能带中的位置由载流子平衡浓度和电中性条件计算得出。 电中性条件：n0 + NA- = p0 + ND+ 本征半导体 —— T = 0K时，导带和禁带的中央：
NC 1 1 EF ( EC EV ) kBT ln 2 2 NV
本征半导体中电子按能量的分布
费米能级的物理意义及计算方法
费米－狄拉克分布函数
金属晶体中电子占据态的密度为：
1 2m E n( E ) 2 2 ( E EF ) / kBT 2 e 1
3 2
1 2
单位体积中被占据态的密度n(E) = f (E) N(E)
费米能级的物理意义及计算方法
费米能级EF 的物理含义及其在能带中的位置：
§2. 纳米粒子的能带结构
1）金属纳米粒子的能带结构 2）半导体纳米粒子的能带结构
金属纳米粒子的能带结构
1 2m 1 N (E) 2 2 E 2 2
块 体 Au
3 2
宏观尺度的金属材料在高温条件下，其能带可以 看作是连续的。
金属纳米粒子的能带结构
从原子的离散能级到块体材料的准连续能带
能带模型
能带内电子的填充——导体、绝缘体、半导体
绝对零度时，电子由下至上依次 填满低能级（许容能带），留下的较 高能带是空的。依电子填充的实际情 形，形成导体、绝缘体和半导体。
第三章 粒子(束)与材料的相互作用
1、弹性散射 设原子的质量为M，质量数（质子数与中子数之和）为 A，碰撞前原子处于静止状态。电子质量与原子质量的 比值为me/M=1/1836A。根据动量和能量守恒定理，入 射电子与原子（核）碰撞后的最大能量损失可表示为
∆Emax = 2.17 ×10 −3 E0 sin 2 θ A
（3-1）
式中：E0—入射的电子能量； θ—半散射角，散射角（2θ）即散射电子运动 方向与入射方向之间的夹角。 原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射。
单位入射深度电子能量变化（dE/dz)与入射深度（z）的关 系如图3-2所示。曲线与横坐标的交点即为入射电子的最大 穿入深度。
图3-2 入射电子在固体中传播时的能量损失曲线 （E0=1keV、3keV、5keV和8keV）
3.1.2 电子与固体作用产生的信号 弹性散射和非弹性散射同时发生。前者使电子偏离原来方 向引起电子在固体中扩散；后者使电子能量逐渐减小，直 至被固体吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这 个范围称为电子与固体的作用区。 扫描电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和 辐射正是来自这个作用区。 1、电子与固体作用产生的信号
由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将 πr 叫做弹性散射截面，用σn表示。 当入射电子与核外电子作用时，散射角为
e 2θ = Vre
2 n
或
re =
e V (2θ )
（3-3）
π re2 (re是入射电子对核外电子的描准距离） 同理，可用
来衡量一个孤立核外电子把入射电子散射到2θ角以外的 能力，并称πre2 为核外电子的非弹性散射截面，用σe表示。
YJ vz = N
(3-12)
对于给定的样品，N可由计算得出，试验中测定vz和J，Y 就可以确定。同样如果Y已知，J通过实验测定， vz就被 确定。因此在任一情况下精确测定J都是非常重要的。 2、二次离子 固体表面原子以离子态发射叫做二次离子。收集分析二次离 子得到二次离子质谱，它可以用于分析所有元素。二次离子 质谱目前包括微区分析、纵深剖析、三维实时成像、界面分 析、同位素分析等。
基本粒子的运动与相互作用
基本粒子的运动与相互作用在自然界中，最基本的单位是基本粒子，它们的运动和相互作用是构成我们所知的一切物质和现象的基础。
本文将探讨基本粒子的运动和相互作用，并介绍其中的一些重要概念和现象。
一、基本粒子的分类和运动目前科学家们已经发现了许多种基本粒子，它们按照自旋（spin）的不同被分为费米子（Fermions）和玻色子（Bosons）两大类。
费米子是具有半整数自旋的粒子，如电子、质子、中子等；玻色子是具有整数自旋的粒子，如光子、强子等。
基本粒子的运动遵循量子力学的规律，无法用经典力学的概念来描述。
在量子力学中，基本粒子的运动是用波函数（Wave Function）来描述的，而波函数本身则是一个复数形式的非定域波。
基本粒子的位置、动量、角动量等物理量是通过对波函数的数学处理来求得的。
对于费米子来说，波函数满足泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）：不能有两个费米子处于同一状态；而对于玻色子来说，多个粒子可以处于同一量子态。
二、基本粒子的相互作用基本粒子之间存在相互作用，常见的有电磁相互作用、引力相互作用、弱相互作用和强相互作用。
其中，电磁相互作用是最为常见的一种，它是由带电粒子之间引起的相互作用，包括电场作用和磁场作用。
引力相互作用是由物体之间产生的万有引力所引起的相互作用，是一种非常弱的相互作用。
弱相互作用是介于电磁相互作用和强相互作用之间的一种相互作用，它包括放射性衰变等过程。
强相互作用是介于电磁相互作用和引力相互作用之间的一种相互作用，是介于原子核内质子和中子之间的相互作用。
强相互作用产生的粒子是介于基本粒子和复合粒子之间的夸克（Quarks）和胶子（Gluons）等。
三、重要概念和现象1.能量守恒能量守恒是物理学中的基本定律之一，也是描述基本粒子相互作用的重要概念。
能量可以从一种形式转化为另一种形式，但总能量不变。
例如，粒子间的相互作用能被转化为动能或静能，但总能量必须始终保持不变。
荷电粒子束在材料科学中的应用
荷电粒子束在材料科学中的应用材料科学是一门工程性的学科，它的目的是研究和制备新材料，从而满足工业和科学应用的需求。
荷电粒子束技术是一种有效的材料改性和加工方法，它在材料科学领域中有着广泛的应用。
在本文中，将介绍荷电粒子束技术在材料科学中的应用，并且分析其中的原理和优点。
一、荷电粒子束技术的定义和原理荷电粒子束技术是指使用加速器将带电粒子加速为高速运动的电荷束，然后将其聚焦并加热到足够高的能量密度，将其注入到材料表面或体内，使其发生改变或加工的一种新型材料加工方法。
目前，常用的荷电粒子束技术有离子注入、离子束雕刻、电子束蒸散、离子束抛光、离子束磨削等。
荷电粒子束技术的原理可以用经典力学中的“碰撞理论”来解释。
当荷电粒子束进入材料内部或表面，局部的电子和原子将会与它发生碰撞，从而产生质量相互作用、能量转移和电荷转移等效应。
这些效应会导致材料的物理化学性质发生变化，从而实现材料的改性和加工。
此外，在材料表面或界面处，荷电粒子束还可以引发化学反应或表面重构，从而形成新的材料结构。
二、荷电粒子束技术在材料科学中的应用2.1、离子注入离子注入是最早被广泛应用的一种荷电粒子束技术。
它通过将高能离子注入到材料表面或体内，使其具有新的性能。
离子注入可以增强材料表面的硬度、耐磨性和升高阻抗，同时还可以改变材料的导电性和磁性。
离子注入技术在制备半导体器件、光电子学元器件和涂层材料等方面有着广阔的应用。
2.2、电子束蒸散电子束蒸散是一种将固态材料加工为薄膜或纳米颗粒的重要技术。
它通过将材料表面或自由空间热蒸发，使其形成气态物质，然后将其沉积在基底或者在空气中形成颗粒。
电子束蒸散技术可以制备多种新型材料，如纳米晶、薄膜、光电子学器件和硅基太阳能电池板等。
2.3、离子束雕刻离子束雕刻技术是一种高精度微纳加工技术，它通过将离子束聚焦到纳米级别，在材料表面或体内进行刻蚀或沉积，来制备微型电路、纳米模板、微型天线和微机械元器件等。
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用上一章讨论了原子核的放射性。
原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。
本章讨论这些粒子与物质的相互作用。
本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应β等等。
堆产生的各种各样的粒子，如n,,,,,3γHex,dta,本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。
通常叫做靶物质。
本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。
了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。
因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。
如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。
在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。
有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。
§１带电粒子与物质的相互作用α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面：（1）射线（2）靶物质。
不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。
对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
地球物理测井专业主要利用射线与物质的相互作用来确定地层的一些参数。
由于γ射线不带电荷，可以入射到物质的深处，因而可以得出物质较深处的相互特性。
这是我们重点讨论非带电粒子与物质相互作用的原因。
具有一定能量的带电粒子射入靶物质与物质发生相互作用，有如下四种作用方式：（1）与核外电子发生非弹性碰撞；（2）与核发生非弹性碰撞；（3）与核外电子发生弹性碰撞；（4）与核发生弹性碰撞。
材料分析测试方法试题及答案
第一章电磁辐射与材料结构一、名词、术语、概念波数，分子振动，伸缩振动，变形振动（或弯曲振动、变角振动），干涉指数，晶带，原子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核磁矩。
二、填空1、电磁波谱可分为3个部分：①长波部分，包括( )与( )，有时习惯上称此部分为( )。
②中间部分，包括( )、( )和( )，统称为( )。
③短波部分，包括( )和( )（以及宇宙射线），此部分可称( )。
答案：无线电波（射频波），微波，波谱，红外线，可见光，紫外线，光学光谱，X射线，射线，射线谱。
2、原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为( )跃迁或( )跃迁。
答案：电子，能级。
3、电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出，称之为( )跃迁；若多余的能量转化为热能等形式，则称之为( )跃迁。
答案：辐射，无辐射。
4、分子的运动很复杂，一般可近似认为分子总能量（E）由分子中各( )，( )及( )组成。
答案：电子能量，振动能量，转动能量。
5、分子振动可分为( )振动与( )振动两类。
答案：伸缩，变形（或叫弯曲，变角）。
6、分子的伸缩振动可分为( )和( )。
答案：对称伸缩振动，不对称伸缩振动（或叫反对称伸缩振动）。
7、平面多原子（三原子及以上）分子的弯曲振动一般可分为( )和( )。
答案：面内弯曲振动，面外弯曲振动。
8、干涉指数是对晶面( )与晶面( )的标识，而晶面指数只标识晶面的（）。
答案：空间方位，间距，空间方位。
9、晶面间距分别为d110／2，d110/3的晶面，其干涉指数分别为( )和( )。
答案：220，330。
10、倒易矢量r*HKL的基本性质：r*HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶面，其长度r*HKL等于(HKL)之晶面间距d HKL的( )。
答案：倒数（或1/d HKL）。
11、萤石（CaF2）的（220）面的晶面间距d220=0.193nm，其倒易矢量r*220（）于正点阵中的（220）面，长度r*220=（）。
带电粒子与物质的相互作用
带电粒子进入任一种吸收介质后，就立 即同时与许多电子相互作用，在任一次 这样的相互作用中，电子当粒子从其附 近经过时都受到一次库伦引力的冲击。 根据相互作用的接近程度，这种冲击可 能使电子升至吸收体原子中的较高位壳 层（激发）或使电子完全脱离原子（电 离）。
传递给电子的能量必然来自带电粒子，隐刺带电粒子的速度 由于相互作用而降低，在一次碰撞中，质量为m、动能为E的 带电粒子传递给质量为me的电子的最大能量为4Eme/m，即 大约为每个核子的粒子能量的1/500，由于这是总能量的很小 的一部分，初级粒子经过吸收体时，一定是通过许多次这样 的相互作用才损失掉它的能量。在任何时刻，带电粒子都是 在与许多电子相互作用，因此总效果是粒子速度不断降低， 知道粒子被阻止。
为了描述快电子由于电离和激发引起的比能损失 （“碰撞损失”），Bethe也推出类似重带电粒子比能损 失的公式。
式中符号意义与前式相同。
电子与重带电粒子也不同，除经过库伦相互作用以外，还能 经过辐射过程损失能量。这些辐射损失的形式是轫致辐射， 及电磁波，它可以从电子径迹的任何位置发出。根据经典理 论，电子被加速时必然发射能量，而电子与吸收体相互作用 而偏转时相当于这种加速，经过这样辐射过程的线性比能损 失为
重带电粒子由于本身质量很重，不容易通过碰撞改变运动 方向，其径迹如图所示，除末尾以外，径迹相当平直。因 此重带电粒子可以用在某一吸收物质中的一定射程来表征， 这个射程的表示没有粒子穿透到这个经典方法或者量子力学方法可以求得，重带电粒子 穿过厚度为 dx 的介质层，与介质原子电子的碰撞所丢 失的能量可以用 Bethe-Bloch 公式来描述：
与重带电粒子相比，快电子的射程的概念不太明
确，因为电子的总路程的长度比沿初始速度方向穿 透的距离大得多。通常，电子的射程是从图中那样 的曲线将末端直线部分外推到零求得的，它表示几 乎没有电子能穿透的吸收体厚度。
量子力学中的粒子间相互作用
量子力学中的粒子间相互作用量子力学是一门研究微观世界的科学，它揭示了原子、分子以及更小尺度下物质与能量的行为规律。
在量子力学中，粒子间相互作用是一项重要的研究内容，它描述了粒子之间的相互影响和相互作用方式。
粒子间相互作用是指当两个或多个粒子彼此接近时，它们之间会发生的相互作用过程。
在经典物理学中，粒子间的相互作用可以通过牛顿力学定律来描述，而在量子力学中，粒子间相互作用的表达则需要引入量子力学的框架。
量子力学中的粒子间相互作用可以通过哈密顿量来描述。
哈密顿量是量子力学中描述系统能量的算符，它包含了粒子的动能和势能等因素。
粒子间的相互作用可以通过哈密顿量中的相互作用项来进行描述。
例如，在描述两个带电粒子之间的相互作用时，可以引入电磁相互作用项，它描述了带电粒子之间由于电荷而产生的相互作用。
粒子间相互作用的强弱可以通过相互作用能量来衡量。
相互作用能量是描述系统在粒子间发生相互作用时的能量变化。
在量子力学中，相互作用能量可以通过计算粒子间的散射振幅来得到。
散射振幅是系统的入射粒子被散射到不同角度或能量状态下的概率幅。
通过计算散射振幅，可以得到粒子间相互作用的准确描述。
除了通过哈密顿量和散射振幅来描述粒子间相互作用外，量子场论也为我们提供了另一种描述粒子间相互作用的框架。
量子场论认为粒子实际上是场的激发，而粒子间的相互作用则是场之间的相互作用。
在量子场论中，通过引入相应的相互作用顶角，可以描述粒子间的相互作用过程。
相较于哈密顿量和散射振幅，量子场论提供了更为统一和一般的描述方式。
粒子间相互作用不仅仅是理论物理的研究内容，它在现实世界中也具有广泛的应用。
例如，在材料科学中，粒子间的相互作用决定了材料的性质和行为。
通过研究粒子间相互作用，可以设计出具有特定性质的材料，如光学材料、电子材料等。
在生物学中，粒子间的相互作用也是细胞内部各种生物过程的重要驱动力。
通过研究粒子间相互作用，可以深入了解生物体系的功能和机制。
粒子流灼灸仪的工作原理
粒子流灼灸仪的工作原理引言粒子流灼灸仪是一种利用高能粒子束对材料进行加工的设备，其工作原理主要涉及到粒子束的生成、加速、聚焦和与材料的相互作用过程。
本文将详细解释与粒子流灼灸仪的工作原理相关的基本原理，包括粒子束的生成、加速、聚焦以及与材料的相互作用。
1. 粒子束的生成粒子束是粒子流灼灸仪的核心部件，它由粒子源产生。
粒子源可以是离子源、电子源或中子源等，不同的粒子源会产生不同类型的粒子束。
1.1 离子源离子源是一种能够产生离子束的装置，常用的离子源有离子源发生器和离子注入器。
离子源发生器通过电离原子或分子产生离子，离子注入器则将已经产生的离子注入到加速装置中。
离子源发生器的基本原理是利用电离过程将中性原子或分子转化为带电离子。
它通常由离子源、电离室和抽气系统组成。
离子源将中性原子或分子引入电离室内，通过电离室内的电离装置对其进行电离，使其转化为离子。
电离室内通常包含电离电极和加速电极，通过施加适当的电压使原子或分子发生电离。
离子源发生器的输出离子束通常具有较低的能量和较大的束斑尺寸，需要进一步加速和聚焦。
1.2 电子源电子源是一种能够产生电子束的装置，常用的电子源有热阴极电子枪和冷阴极电子枪。
电子源发生器通过加热或冷阴极发射电子，产生电子束。
热阴极电子枪的基本原理是利用热电子发射现象将阴极表面的电子发射出来。
它通常由热阴极、阳极和加速电极组成。
热阴极通过加热使其表面电子发射，阳极和加速电极通过施加适当的电压加速电子束。
热阴极电子枪的输出电子束通常具有较高的能量和较小的束斑尺寸。
冷阴极电子枪的基本原理是利用冷阴极表面的场致发射现象将电子发射出来。
与热阴极电子枪不同，冷阴极电子枪无需加热，因此可以更快地启动和关闭。
冷阴极电子枪的输出电子束通常具有较高的电流和较小的束斑尺寸。
1.3 中子源中子源是一种能够产生中子束的装置，常用的中子源有中子发生器和中子注入器。
中子源发生器通过核反应将中子产生，中子注入器则将已经产生的中子注入到加速装置中。
粒子束加工技术的研究与应用
粒子束加工技术的研究与应用随着科学技术的不断发展，各种新型材料的出现以及对材料制造倾向的改变，粒子束加工技术作为一种先进的、高效的加工技术，逐渐受到人们的关注和重视。
本文将介绍粒子束加工技术的研究与应用，并展望其未来的发展。
一、粒子束加工技术概述粒子束加工技术是利用高能粒子束（如电子束、离子束、中子束等）对材料进行加工的工艺方法。
其过程是利用粒子束的能量与材料发生相互作用，破坏晶体结构或打散原子分子，使其产生化学、物理变化，从而达到加工和改善材料性能的目的。
目前，粒子束加工技术已经广泛应用于微电子、光电子、信息技术等领域，如半导体器件、太阳电池、显示器件、光学元器件、气体传感器等。
此外，粒子束加工技术在机械制造、生物医学、材料科学等领域也受到了广泛关注，有望成为未来材料制造的重要工艺技术之一。
二、粒子束加工技术的研究进展（一）电子束加工技术的研究电子束加工技术是一种重要的粒子束加工技术之一。
其特点是具有高精度、高速度、高成形性等优点，可以实现微细加工、小尺寸加工和高深宽比加工等要求。
目前，电子束加工技术已经成为微电子学和半导体器件制造中不可缺少的工艺方法之一。
近年来，电子束加工技术研究的主要方向是提高加工精度和加工速度，同时改善加工质量和材料特性。
例如，采用新型的电子束光阑技术、电子束成形技术和电子束交点控制技术，可以实现高精度、高质量的微细加工和高速度的大面积加工。
此外，电子束加工技术在3D打印、纳米加工、超快动态实验等领域也有着广泛的应用前景。
随着新型材料、新技术和新工艺的不断涌现，电子束加工技术将会得到更广泛的应用和不断的发展。
（二）离子束加工技术的研究离子束加工技术是一种利用高能离子束对材料进行加工的工艺方法。
其特点是具有高质量、高效率、高可控性等优点，可以实现微细加工、精度加工和多元化加工等要求。
目前，离子束加工技术正在成为材料、半导体、信息等领域的重要工艺方法之一。
近年来，离子束加工技术研究的主要方向是提高加工精度和加工速度，同时改善加工质量和材料特性。
粒子物理教案第三章
粒子物理教案第三章第三章：基本粒子与基本相互作用一、引言（100字）本章将介绍粒子物理学中的基本粒子和基本相互作用。
我们将了解到物质的最基本组成单位，并探究它们之间是如何相互作用的。
通过学习基本粒子和基本相互作用，我们能够更好地理解宇宙的本质和结构。
二、基本粒子（400字）1.质点粒子：介绍质子、中子和电子作为基本粒子的性质和特点，以及它们在物质中的作用和重要性。
2.胶子：对胶子的概念和作用进行介绍，包括颜色荷和胶子的作用于强相互作用中的重要性。
3.轻子：介绍电子、中微子和夸克，以及它们在电磁相互作用中的重要性。
4.强子：对介子、重子和反粒子进行介绍，以及它们之间的相互作用和性质。
三、基本相互作用（500字）1.强相互作用：介绍强相互作用的概念、强子的组成和强子的相互作用。
2.电磁相互作用：讲解电磁相互作用的性质和重要性，以及电磁相互作用在宏观世界中的应用。
3.弱相互作用：介绍弱相互作用的概念、作用和重要性，以及它对基本粒子的影响和贡献。
4.引力相互作用：对引力相互作用的本质和特点进行介绍，以及它对宇宙的影响和作用。
四、宇宙的结构与演化（200字）1.宇宙的结构：从微观角度和宏观角度上，探讨宇宙的结构和组成，以及宇宙的演化过程。
2.宇宙中的基本粒子和相互作用：介绍宇宙中存在的基本粒子和相互作用的重要性和作用。
3.宇宙的演化模型：介绍宇宙的演化模型和宇宙起源的理论，如宇宙大爆炸理论等。
4.宇宙学问题和前沿研究：介绍宇宙学问题和现代粒子物理学的研究方向，如黑暗物质和暗能量等。
五、总结（100字）本章从基本粒子和基本相互作用的角度，介绍了宇宙的结构和演化。
通过学习本章内容，我们更好地理解了宇宙的本质和结构，以及基本粒子和相互作用在宇宙中的作用和重要性。
在未来的研究中，我们将继续深入探索宇宙的奥秘，并进一步拓展我们对宇宙的认识和理解。
材料分析测试技术左演声课后答案
材料分析测试技术左演声课后答案第⼀章电磁辐射与材料结构⼀、教材习题1-1 计算下列电磁辐射的有关参数：（1）波数为3030cm -1的芳烃红外吸收峰的波长（µm ）；答：已知波数ν=3030cm -1 根据波数ν与波长λ的关系)µm (10000)cm (1λν=-可得：波长µm 3.3µm 3030100001≈==νλ（2）5m 波长射频辐射的频率（MHz ）；解：波长λ与频率ν的关系为λνc =已知波长λ=5m ，光速c ≈3×108m/s ，1s -1=1Hz 则频率MHz 6010605/103168=?=?=-s ms m ν（3）588.995nm 钠线相应的光⼦能量（eV ）。
答：光⼦的能量计算公式为λνch h E ==已知波长λ=588.995nm=5.88995?10-7m ，普朗克常数h ＝6.626×10-34J ?s ，光速c ≈3×108m/s ，1eV=1.602×10-19J则光⼦的能量（eV ）计算如下：eV eV J m s m s J E 107.210602.110375.3 10375.31088995.5/10310626.61919197834≈??=?==-----1-3 某原⼦的⼀个光谱项为45F J ，试⽤能级⽰意图表⽰其光谱⽀项与塞曼能级。
答：对于光谱项45F J ，n =4，L =3，M =5；S =2(M =2S +1=5)，则J =5，4，3，2，1，当J =5，M J =0，±1，±2，···±5；……J =1，M J =0，±1。
光谱项为45F J 的能级⽰意图如下图：1-4辨析原⼦轨道磁矩、电⼦⾃旋磁矩与原⼦核磁矩的概念。
答：原⼦轨道磁矩是指原⼦中电⼦绕核旋转的轨道运动产⽣的磁矩；电⼦⾃旋磁矩是指电⼦⾃旋运动产⽣的磁矩；原⼦核磁矩是指原⼦中的原⼦核⾃旋运动产⽣的磁矩。
4-3带电粒子中子与物质的相互作用
中子射线与物质相互作用
(2) 非弹性散射 中子的一部分能量用于激发原子核，而后它 离开相互作用点，被激发的原子核放出光子 后又回到基态。因此，中子的部分能量变成 了辐射γ 能。
(b) 非弹性碰撞
中子射线与物质相互作用
(3) 吸收
原子核俘获中子的过程称为吸收。俘获中子的原子 核呈激发状态，紧接着它就发射出光子或带电的粒 子。 对于几个重原子，也可能发生核裂变图。残存的原 子核常常是放射性的。
R0 0.318E
3/ 2
4.4 β 射线与物质相互作用
电子与靶物质的相互作用，主要有
电离、激发 快电子穿过靶物质时，与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞，从而把一部分 能量转给核外电子，使靶原子电离或激发。 轫致辐射 由于电子质量轻，当入射电子与靶原子核发生非弹性碰撞时，其速度和方向都 会发生很大的变化，根据经典电磁理论，将产生电磁辐射，这种电磁辐射称为 轫致辐射。带电粒子的轫致辐射引起的辐射能量损失率为
带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞
当入射带电粒子从靶原子附近掠过时，靶原子的核外电 子因库仑相互作用而受到吸引或排斥，获得一部分能量。 如果核外电子获得的能量大于轨道结合能，电子脱离原子 核的束缚逸出，成为一个自由电子，原子成为正离子。即 入射带电粒子引起的靶原子的电离过程。原子的最外层电 子受核的束缚最弱，最容易被电离。 如果核外电子在库仑相互作用中获得的动能较小，不足以 被电离，但有可能从原来较低的能级跃迁到较高的能级， 从而使原子处于激发状态，这种过程称为激发，处于激发 态的原子不稳定，会通过跃迁返回基态(退激)，退激过程 中会释放出可见光或紫外线，这就是受激原子的发光现象 。
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞
当入射带电粒子到达靶原子核的库仑场时，其库 仑引力或斥力会使入射粒子的速度和方向发生变 化。由电磁学理论可知，伴随着这种运动状态的 改变会产生电磁辐射（称为“韧致辐射”），从 而造成入射粒子的能量损失，这种能量损失称为 “辐射损失”。(辐射损失是轻带电粒子损失能量 的一种重要方式) 如电子撞击阳极靶 重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞时，可能 使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称 为库仑激发。一般库仑激发概率太小，将不予考 虑。
粒子与物质的相互作用
原生放射性核素：自地球以来就存在于地壳内的放射性核素。广泛存 在于地球的岩石、土壤、江河湖海中。 eg. 238U系、232Th系、40K
人工辐射源
人体受到照射的辐射来源
一般场所： 天然本底为 2. 4 mSv/a,
多为内照射 (222Rn, 60%)
二、 电离辐射与物质的相互作用
1、 alpha 粒子与物质的相互作用
2
六、辐射监测简介 三、 电离辐射相关的量与单位 活度（activity），A 吸收剂量（absorbed dose）, D 当量剂量（equivalent dose）, HT 有效剂量（effective dose），E
一、简介
1、简述辐射
辐射的概念并不陌生。
辐射是指以高速粒子或电磁波 的形式向周围空间或物质发射并在 其中传播能量的现象的统称，如热 辐射、核辐射等。
α 粒子： 带2个单位正电荷, 质量数为4的氦原子核, 是个带电的粒子, 一般由质量较重的放射性原子核发射, 能量为不连续的, 能量通常为4—9 Mev。 α 粒子通过物质时, 能量转移(损失)的主要方式是电离和 激发。在射线和物质相互作用时, 电离也是其他各种射线 损失能量的主要方式。 射程非常短, 1个5Mev的α 粒子在空气中的射程大约是 3.5cm, 在铝金属中只有23 μ m, 因此,一般认为α 粒子不会对人体造成外照射的损害. 但 当其进入人体的组织或器官时, 其能量会全部被组织和器 14 管所吸收,所以内照射的危害是必须考虑的。 :
除了上述3个天然放射系外，还有一个用人工方法获得的人工放射系。 4n+1系（镎系）：该系核素的质量数A都是4的整倍数加1，A=4n+1 该系中Np-237的半衰期最长，为2.14×106年。
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图3-4 二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系
（3）IX表示电子激发诱导的X射线辐射强 度 ①连续的X射线 ②特征X射线 ③X射线荧光（二次特征X射线） （4）IE表示表面元素发射的总强度 （5）IA为样品吸收电流 （6）IT为透射电子流
2. 电子非弹性散射平均自由程和信息深度
入射电子、二次电子和背散射电子在固体 中传播时不断经受非弹性散射，相继两次 非弹性散射之间电子所经过的平均路程称 为电子非弹性散射平均自由程，用λe表示。
1. 弹性散射
离子弹性散射的两大特点： ①散射几率正比于Zl和Z2的平方，因此，当入射离子由H+变为He+时， 散射几率增加4倍； ②散射几率正比于1/sin4θ，强烈地依赖于散射角2θ，2θ=90°的散射几 率是2θ=180°的4倍。
图3-6 离子-原子碰撞
散射后离子的能量 E1=k2E0 其中
粒子（ 第三章 粒子（束）与材料的相 互作用
主要内容
第一节 电子束与材料的相互作用 第二节 离子束与材料的相互作用
第一节 电子束与材料的相互作用
入射电子（又称为初始或一次电子） 照射固体时与固体中粒子的相互作用 包括： （1）入射电子的散射； 1 （2）入射电子对固体的激发； （3）受激发粒子在固体中的传播。
4. 电子吸收
电子吸收主要指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。 显然不同于X射线的“真吸收”。 电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。
图3-2 入射电子在固体中传播时的能量损失曲线 （E0=1keV、3keV、5keV和8keV）
二、电子与固体作用产生的信号
1.电子与固体作用产生的信号 2.电子非弹性散射平均自由程和信息深度 3.电子能谱
一、散射
当一束聚焦电子沿一定方向射到固体 上时，在固体原子的库仑电场作用下， 入射电子方向将发生改变，这种现象 称为（电子）散射。 有散射弹性和非 弹性散射之分。 原子中的原子核和核外电子对入射电 子均有散射作用。
图3-1 电子散射示意图 （a）与原子核作用；（b）与核外电子作用
1. 原子核对入射电子的散射
有弹性散射和非弹性散射。 散射损失的能量
散射角（2θ）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。 θ 非弹性散射损失的能量∆E转化为X射线，它们之间的关系是
式中，h是普朗克常数，c是光速，γ及λ分别是X射线的频率与波长。
2. 核外电子对入射电子的散射 原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非 弹性散射。 在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部 分转变为热，部分使物质产生各种激发现象（如， 原子电离、自由载流子、二次电子、俄歇电子、 特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、电 子感生电导等）。 因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所 以称为电子激发。
2. 二次离子
固体表面原子以离子态发射叫做二次 离子。 收集分析二次离子得到二次离子质谱， 可以用于分析所有元素（包括氢和所 有同位素）。
表3-2 离子与材料相互作用产生的信号 及据之建立的分析方法
二、溅射与二次离子 1.离子溅射 能量为E0 的入射离子轰击固体时，直接或间接地 迫使固体表面许多原子运动，这种过程称为级联 碰撞。 当表面原子获得足够的动量和能量背离表面运动 时，就引起表面粒子（原子、离子、原子团等） 的发射，这种现象称为溅射。 溅射产额（Y）定义为溅射出的粒子数（Ns）与入 射离子数目（N0）的比值 Y=Ns/N0 （3-11）
图 入射电子产生的各种信息的深度和广度范围 (a) 电子束散射区域形状(梨形作用体积) (b)重元素样品的电子束散射区域形状(半球形作用体积) 1-入射电子束；2-俄歇电子激发体积；3-样品表面；4-二次电子激发体积； 5-背散射电子激发体积；6-初级X射线激发体积
3. 电子能谱
图3-5 电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）
入射电子与原子的相互作用产生的各种信息
O入射电子 ●原子中的核外电子或二次电子
3. 散射ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ面
入射电子被原子核散射时，散射角2θ的大小与瞄准距离 （电子入射方向与原子核的距离）rn、原子核电荷Ze以及 入射电子的加速电压V有关，其关系为 （3-2） πrn2叫做弹性散射截面，用σn表示。 当入射电子与核外电子作用时，散射角2θ为 （3-3） πre2为核外电子的非弹性散射截面，用σe表示。
2 [( M 2 − M 12 sin 2 2θ ) + M 1 cos 2 2θ ] 2 k = (M 1 + M 2 ) 2 2 1 2
（3-9）
（3-10）
碰撞后离子的能量损失与靶原子的质量有关，离子与轻元素靶原子碰 撞的能量损失比与重元素靶原子碰撞的能量损失大。
2. 非弹性散射
离子在固体中传播时由于被电子非弹 性散射产生的能量损失率称为固体对 离子的阻止功率，它与离子的种类、 能量以及样品的成分有关。
三、电子激发产生的其它现象
1.等离子体振荡 2.电声效应 3.电子感生电导 4.阴极荧光
表3-1 电子与材料相互作用产生的信号 及据之发展起来的分析方法
第二节 离子束与材料的相互作用
一、散射 二、二次离子 动量和能量转移是离子与固体相互作 用的重要特征。
一、散射
离子与固体原子的碰撞可以用台球间的碰 撞来描述。 对碰撞过程的约束（来自电子的非弹性散 射）可想像为在台球桌面上有一层水，即 在两次碰撞之间也有能量损失。 因此，离子的能量取决于碰撞过程和碰撞 之间所经历的路程。
1. 电子与固体作用产生的信号
图3-3 入射电子束与固体作用产生的发射现象
（1）IR为背散射电子流，包括：弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 （2）IS表示二次电子流，它包括（真）二次电子和特征二次电子（俄 歇电子） 从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值（IS/I0）称为二次 电子产额，用δ表示。