确定晶格振动谱的实验方法

(1)布里渊散射：光子与长声学波声子的相互作用；
(2)拉曼散射：光子与光学波声子的相互作用；
拉曼效应（Raman效应），也称拉曼散射，光子的非弹性散射现象， 1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼发现，指光波在被散射后频率 发生变化的现象。 当光线从一个原子或分子散射出来时，绝大多数的光子，都是弹性散射 的，这称为瑞利散射。在瑞利散射下，散射出来的光子，跟射入时的光 子，它的能量、频率与波长是相同的。然而，有一小部份散射的光子 （大约是一千万个光子中会出现一个），散射后的频率会产生变化，通 常是低于射入时的光子频率，原因是入射光子和介质分子之间发生能量 交换。这即是拉曼散射。
斯托克斯散射：散射频率低于入射频率的散射； 反斯托克斯散射：散射频率高于入射频率的散射。
(1)布里渊散射：光子与长声学波声子的相互作用；
长声学波声子,
q→0, q<<Ω
由
| Ω Ω
|
k
k
| |
q
，
k k
= c k, '
n
k'
q 2k sin k
2
q
k
测出一系列的θ，可以求出q,从而得到ω与q的关系曲线
第五节 确定晶格振动谱的实验方法
本节主要内容: 3.5.1 中子的非弹性散射 3.5.2 光的散射和X射线散射
§3.5 晶格振动谱的实验方法
晶格振动的频率与波矢 之间的关q系
振动谱。
称为格波的色(q散) 关系，也称为晶格
实验方法主要有中子的非弹性散射、光子散射。
3.5.1 光子散射
1.光在散射
光折变效应也是格波与光波相互作用的例子。 光折变效应是指光致折射率改变的效应。
P' qθ
P
可见，倒逆散射对应较大的P和P’
另外，P和P’的夹角，即散射角也较大
固定入射中子流的动量 ，
测出不同散射方向上的动量 2.仪器
p E；
P2
2Mn
， p E
P' 2
P2
(
q
)
2Mn 2Mn
P ' P q Kh
P2
(q)
2Mn
单色器
布拉格反射产生单色 的动量为P的中子
中子源
Ω Ω
k k q
“+”表示吸收一个声子 “-”表示发射一个声子
k和代表入射光的波矢和能量，
k 和 Ω代表出射光的波矢和能量。
| Ω Ω |
|
k
k
|
q
当入射光的频率Ω和波矢k一定，在不同方向上（k’的方向上） 测得散射光子的频率Ω’，由Ω 和Ω’算出声子频率ω，再由k和 k’算出声子波矢q, 即可求出晶格振动频谱。
由能量守恒和准动量守恒得：
为中子质量
P' 2
P2
(
q
)
2Mn 2Mn
P' P
q
K h
“+”表示吸收一个声子 “-”表示发射一个声子
P' 2
P2
(
q
)
2Mn 2Mn
P ' P q Kh
Kh=0称为正常散射过程
P q P'
Kh≠0称为倒逆散射过程
P
q Kh P'
P'
Kh
qθ
P
X光的波长范围为10-7-10-11m，可以用来测定相当大波矢量范围内的振动谱。
当这时候，不满足q→0，
q 2k sin k不再适用
2
由 ||Ωk Ωk
| |
q
来求
然而， X光光子能量---104eV 声子能量---102eV
能量变化很少，不易测量。
中子散射的实验方法能够克服X光散射的这一困难。
(2)拉曼散射：光子与光学波声子的相互作用； 拉曼散射中所用的红外光的波长在10-3-10-6m的范围， 与红外光相互作用的格波的波长也应该是同数量级的。
这个波长范围的格波是属于长光学波。 因此，拉曼散射是光子与长光学波声子的相互作用。
2.X-射线散射
为了能测出更大波矢范围内的振动谱，就得采用更大波矢的光 子
反应堆中产生 的慢中子流
2
准 直 器
样品
准直器
分析器
探测器
中子谱仪结构示意图
布拉格反射产生单色 的动量为P’的中子
中子源
反应堆中产生 的慢中子流
单色器
2
准 直 器
样品
布拉格反射产生单色 的动量为P的中子
准直器
分析器
探测器
中子谱仪结构示意图
布拉格反射产生单色 的动量为P’的中子
思考题： 在拉曼散射中，光子会不会发生倒逆散射？
格波与光波相互作用、相互交换能量的过程，可以理解为光子 与声子的碰撞过程，碰撞的结果，导致光子的散射。
光子与晶体的相 互作用
光子吸收或发射声子 非弹性散射
光子与晶体中声子的相 互作用
散射过程满足能量守恒
和准动量守恒。
对于吸收声子过程：
'
对于发射声子过程：
Ω Ω
k
k q
Ω Ω
k q
k
小结： 1、简正振动
2、声子的概念和意义 3、晶格振动谱的实验测量方法
光子散射 中子散射 能量守恒 准动量守恒 光子散射：布里渊散射、拉曼散射、X射线散射
作业： P127，思考题：3,4,6,7,10
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3.5.1 中子的非弹性散射
1.原理
中子与晶体的相 互作用
中子吸收或发射声子 非弹性散射
散射过程满足能量守恒和准动量守恒。
中子与晶体中声子的相 互作用
中子散射的特点
•只与原子核发生作用 •探测要求高
入射中子流：
p 动量为
能量为
P2 E
2Mn
从晶体中出射的中子流：
动量为
p 能量为
E P2 2Mn