固体物理实验方法
固体物理实验技术使用方法
固体物理实验技术使用方法在固体物理的研究和实验中，实验技术的应用至关重要。
各种实验技术不仅可以帮助我们观察和测量样本的性质，还能帮助我们揭示物质的微观结构和性质。
本文将介绍一些常用的固体物理实验技术使用方法，并探讨其优缺点和适用范围。
一、X射线衍射实验技术X射线衍射是一种重要的固体物理实验技术，可用于分析晶体的结构和性质。
使用该技术时，首先需要一台X射线衍射仪。
我们将待测的晶体放置在衍射仪的样品台上，然后调整入射角和衍射角，以便获得清晰的衍射图案。
通过分析衍射图案，我们可以推断出晶体的晶格常数、晶体结构和晶面指数等信息。
然而，X射线衍射技术也存在一些局限。
首先，非晶态材料和粉末样品并不适合使用X射线衍射。
其次，该技术需要高度纯净的晶体样品，并且通常需要进行复杂的样品制备步骤。
因此，在实际操作时需要充分考虑样品的制备和测量条件。
二、扫描电子显微镜（SEM）技术扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌分析技术，它可以提供高分辨率的样品表面形貌图像。
在进行SEM实验时，我们需要将待测样品放置在SEM仪器的样品台上，并用电子束扫描样品表面，通过观察电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品的电子图像。
SEM技术具有很高的表面分辨率和显微镜图像的深度。
它可以观察微观尺度下的样品表面微结构，并提供有关样品表面元素成分的信息。
然而，SEM仪器的高分辨率也需要较高的设备维护成本，并且对样品制备要求较高。
三、核磁共振（NMR）实验技术核磁共振是一种重要的固体物理实验技术，广泛应用于材料科学和化学等领域。
使用NMR技术时，我们将待测样品置于一个强磁场中，并通过施加射频脉冲来激发样品中的原子核。
通过测量激发原子核的自旋矩阵元的信号来获得样品的核磁共振谱图。
核磁共振谱图可以提供样品的化学位移、偶合常数、弛豫时间等信息。
NMR技术具有极高的分辨率和灵敏度。
它可以测量不同核自旋的能级差，并用于分析样品中不同核自旋的种类、数量和化学环境。
压缩强度名词解释
压缩强度的概念及背景什么是压缩强度？压缩强度是指在压缩过程中，所需应用的力和能量对材料产生的变形的程度。
简单来说，压缩强度可以用以衡量材料在受到压缩力时的抗压能力。
压缩强度的重要性压缩强度是衡量材料耐压能力的重要指标之一。
在工程领域中，了解材料的压缩强度可以帮助我们选择合适的材料用于承受压缩力的结构。
此外，合理地控制压缩强度还可以保证工程结构的安全性和可靠性。
压缩强度的测试方法为了准确测量材料的压缩强度，人们开发了多种压缩测试方法，其中常用的包括：1.压缩试验机2.固体物理实验法3.数值模拟方法下面将分别对这三种测试方法进行介绍。
压缩试验机原理及使用压缩试验机是一种常见的测试设备，通过施加垂直向下的力使材料受到压缩，在测试过程中可连续测量压缩力与变形量，从而计算得到材料的压缩强度。
压缩试验机通常由加载机构、控制系统和测量系统组成。
加载机构用于施加压缩力，控制系统则用于控制施力速度和测量变形量，测量系统则用于测量压缩力和变形量。
优缺点压缩试验机具有以下优点：•测试过程简单、直观，结果可靠。
•适用于不同材料的压缩强度测试。
•可以得到大量数据，用于进一步研究和分析。
然而，压缩试验机也存在一些不足之处：•在测试软材料时，可能会造成样品失稳。
•无法模拟真实的工程应力条件，测试结果可能与实际情况存在差异。
因此，在具体应用中，需要根据实际需要考虑使用压缩试验机的迭代核心力度。
固体物理实验法原理及使用固体物理实验法是一种通过理论模型和实验验证相结合的方法来探究材料的力学和物理性质。
通过观察材料在受到压缩力时的变形和破裂行为，可以间接地推断出其压缩强度。
在固体物理实验中，常用的测试方法包括：1.数码相机观察法：通过拍摄并分析材料在压缩过程中的图像，可以观察到变形和破裂的情况。
2.拉伸-压缩法：通过在不同方向施加力，观察材料在不同条件下的压缩强度，以得出结果。
优缺点固体物理实验法具有以下优点：•可以直接观测和记录材料的变形和破裂行为，对研究材料的压缩性能有较好的解释能力。
固体物理实验方法-USTC
NSRL（合肥） SRRC（新竹）
第三代
APS（美国） ESRF（欧洲）
SSRC（上海，在建）
SPRING8（日本）
2)同步辐射装置
二极弯转磁铁（Bend Magnet）、扭摆磁铁 （Wiggler Magnet）、波荡器（undulator）
同步辐射的优异特性 1)广宽平滑的连续谱 根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外直至 真空紫外，软X射线，硬X射线，甚至γ射 线，其
4)偏振性 5)洁净 6)脉冲时间结构 7)高稳定性 8)可由理论准确计算 9)同步辐射实验室对全世界开放
延波荡器长度方向的距离
X射线激光原理图
4.其它X射线源
1)放射源 55Fe 发射出Mn K 实验室常用于校
准探测器 2)等离子体源 激光等离子体光源 Z箝缩等离子体光源 飞 秒脉冲强激光的高次谐波 3)X射线激光、自由电子激光 4)宇宙中的X射线源
3)X射线管的主要性能指标 靶元素 确定谱特征 常用靶元素Mo Cu W Ag 功率 密封管1-3KW 旋转靶12KW, 18KW(100KW)
焦斑 标准焦斑 1mm10mm细聚焦管 0.4mm 4mm
3.同步辐射
1）同步辐射和同步辐射光源
速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲线运动时
5.X射线辐射损伤与防护
实验中必须不让光源直接照射人体 记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监 测。通常X射线实验室（包括同步辐射）中辐 射剂量远低于安全剂量。
例 Cu
K1 0.15406nm K2 0.15444nm K 0.1542nm
K 0.13923nm
V0 8.98KV
C.特征谱强度 I 与电压V电流i的关系 I Bi(V V0)n n=1.5--2 与连续谱比，当 V (3 5)V0 时，强度强两个量级 K系三条谱线的强度比 1 :2 : 100 : 50 : 20
《固体物理教案》课件
《固体物理教案》PPT课件一、引言1. 介绍固体物理的概念和重要性2. 固体的分类和特点3. 固体物理的研究方法和内容二、晶体结构1. 晶体的定义和特点2. 晶体的基本结构类型3. 晶体的空间群和点群4. 晶体的对称性分析三、晶体的物理性质1. 晶体的光学性质2. 晶体的电性质3. 晶体的磁性质4. 晶体的热性质四、晶体的力学性质1. 晶体的弹性性质2. 晶体的塑性变形3. 晶体的断裂和强度4. 晶体的超导性质五、非晶体和准晶体1. 非晶体的定义和特点2. 非晶体的形成和结构3. 准晶体的定义和特点4. 准晶体的结构和性质六、电子态和能带理论1. 电子态的定义和分类2. 自由电子气和费米液体3. 能带理论的基本概念4. 能带的计算和分析方法七、原子的电子结构和元素周期表1. 原子的电子结构类型2. 原子轨道和电子云3. 元素周期表的排列原理4. 元素周期律的应用八、半导体物理1. 半导体的定义和特点2. 半导体的能带结构3. 半导体的导电性质4. 半导体器件的应用九、超导物理1. 超导现象的发现和特性2. 超导体的微观机制3. 超导体的临界参数4. 超导技术的应用十、纳米材料和固体interfaces1. 纳米材料的定义和特性2. 纳米材料的制备和应用3. 固体interfaces 的定义和类型4. 固体interfaces 的性质和调控十一、磁性和顺磁性材料1. 磁性的基本概念和分类2. 顺磁性材料的微观机制3. 顺磁性材料的宏观特性4. 顺磁性材料的应用十二、金属物理1. 金属的电子性质2. 金属的晶体结构3. 金属的塑性变形机制4. 金属的疲劳和腐蚀十三、光学性质和声子1. 固体的光学吸收和散射2. 声子的定义和特性3. 声子的晶体和性质4. 声子材料的应用十四、拓扑缺陷和量子材料1. 拓扑缺陷的定义和分类2. 量子材料的定义和特性3. 量子材料的研究方法和应用4. 拓扑缺陷和量子材料的前沿进展十五、固体物理实验技术1. 固体物理实验的基本方法2. 固体物理实验的仪器和设备3. 固体物理实验的数据分析和处理4. 固体物理实验的实际应用重点和难点解析一、引言重点：固体物理的基本概念和研究内容。
固体物理基础曹全喜总结
固体物理基础曹全喜总结固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科。
固体是物质的一种状态，具有一定的形状和体积，分子或原子之间相对稳定，排列有序。
固体物理研究的对象包括晶体、非晶体、液晶等各种固态形态的物质。
固体物理的研究方法主要包括实验和理论两个方面。
实验是通过对实际物体进行测量和观察，获取物质性质和行为的数据。
实验方法包括X射线衍射、电子显微镜等。
理论方法是通过建立物理模型和方程，运用数学工具进行推导和计算，预测和解释实验现象。
理论方法主要包括量子力学、统计物理等。
固体物理的研究内容包括晶体结构、物质的力学性质、热学性质、电学性质、磁学性质等方面。
晶体结构是固体物理的基础，它研究的是物质的原子或分子的排列方式。
晶体结构的研究对于理解物质的性质和行为具有重要意义。
物质的力学性质研究的是物质的变形和力学响应。
热学性质研究的是物质的热传导、热膨胀等现象。
电学性质研究的是物质对电场的响应，包括电导、电磁波传播等。
磁学性质研究的是物质对磁场的响应，包括磁化、磁共振等。
固体物理的研究对于科学技术的发展和人类社会的进步具有重要意义。
固体物理的研究成果在材料科学、电子器件、能源等领域有广泛的应用。
例如，固体物理研究为新材料的开发和设计提供了理论基础。
固体物理的研究成果也为电子器件的设计和制造提供了重要的指导。
在能源领域，固体物理的研究对于太阳能电池、燃料电池等新型能源技术的发展具有重要意义。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他在固体物理的研究和教学方面做出了卓越贡献。
曹全喜教授的研究涉及固体物理的多个方面，包括晶体生长、低维材料、磁性材料等。
他的研究成果在国内外学术界产生了广泛的影响。
曹全喜教授的教学工作也备受学生和同行的认可，他培养了一大批优秀的固体物理学者。
固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科，具有重要的理论和应用价值。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他的研究成果为固体物理的发展做出了重要贡献。
固体物理 1 (2)
CD+OD, CD = - RlS0 OD=RlS
当光程差是波长的整数时产生衍射极大为 整数。 CD+OD=Rl( S - S0) = 为整数 (11)
这个方程称为劳厄(Laue)方程。
The Nobel Prize in Physics 1914 "for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals"
反射球的作法 设入射线沿CO方向，取线段 C=2/， 是所用单色X射线的 波长。再以C为心，以OC=2/为半径所作的球就是反射球。 若P是球面上的一个倒格点，则CP就是以OP为倒格矢的一族晶 面(h1h2h3)的反射方向，如图所示，图中虚线示晶面族(h1h2h3)之 迹。同样，设想球面上另有一倒格点 Q (图中未曾画出)，则CQ 代表以OQ为倒格矢的另一族晶面的反射方向。 作反射球时要注意，晶体 并不在球心C，而是在倒格点 O处，C不一定是倒格点。
原子散射因子的计算方法
设 r 为原子中某一点P 的位矢，So，S分别是入射方向和衍射 方向的单位矢量，则由P点的散射波相由0 r (k k 0 ) r 2
sr
设(r)d是电子在P点附近体积元 d 内的几率，原子散射因子为
这里所考虑的是一级反射，则自O点和球面上一倒格 点间的联线OP间不含倒格点。如果反射是二级的，则当 中还含有一个倒格点。
波长一定时，反射球大小一定。倒易格子参数越小 (晶 胞越大)，倒易格子点越密集，所产生衍射的数目也越多。
(4) 实验方法 当晶体相对入射线有一种取向，即倒易格子分布一定 时即有一定数量的倒易格子点落到球面上，产生相应数目 的衍射。 当改变晶体取向，即倒易格子与反射球做相对运动的 过程，将有另一些倒易格子点落到反射球面上。 因此晶体 (倒易格子) 和反射球之间不同形式的相对运 动对应于晶体的X射线衍射的各种实验。
固体物理-固体比热容
（2.93）
由（2.90）式给出。
后来发现，杜隆-珀替定律只适用于足够高 的温度。对于一个典型固体 Cv 的值被发现 随温度的影响具有如图2.9所示的行为。
固体比热的经典理论
由图可知，在低温时，热容量不再保持 为常数，而是随温度的下降很快趋向于零。
Modern Theory of the Specific Heat of Solids 固体比热的现代理论
Heat Capacity of Solids 固体热容
固体比热的经典理论
在十九世纪，由实验得到在室温下固体的 比热是由杜隆-珀替定律给出的：
Cv 3R 3N A K B
（2.90）
热容是一个与温度和材料都无关的常数。 其中R=NAKB，NA是阿伏伽德罗常数（6.03×1023 atoms /mole）KB是玻尔兹曼常数（1.38×10-16尔 格/开，尔格是功和能量的单位1焦耳=107尔格）。 回想一下，1卡路里= 4.18焦耳= 4.18×107尔格。 因此，（2.90）所给出的结果
T 9 Nk B D
பைடு நூலகம்
0
x 4e x 1 2e x 3e 2 x dx
x 4 ne nx dx
n 1
3
0
T 9 Nk B D
利用积分公式：
3
4 nx n x e dx
n 1
j
1 n exp n j j 2 j n j
exp n j n
j
其中
1 E n j j 2 j 1 nj j exp k T 1 B
固体物理学-晶体X射线衍射的实验方法
现衍射极大？并指出在什么样的波长下，能观察到这些衍射极大。
解：
简单正交格子正格基矢：
՜ ՜ ՜
, ,
表示沿三个坐标轴方向的单
位矢量。
Solid State Physics
简单正交格子正格基矢：
其倒格基矢：
倒格矢：
据题意，入射的X射线的波矢
实的抽象，有严格的物理意义。
(2) 倒易点阵是晶体点阵的倒易，不是客观实在，没有特
定的物理意义，纯粹为数学模型和工具。
(3) Ewald球本身无实在物理意义，仅为数学工具。但由
于倒易点阵和反射球的相互关系非常完善地描述了X
射线在晶体中的衍射，故成为有力手段。
(4) 如需具体数学计算，仍要使用布拉格方程。
❖该 球 称 为 反 射 球
（Ewald 球）
Solid State Physics
➢ 入射、衍射波矢的起点
永远处于C点，末端永
远在球面上
S/
➢ 随2的变化，衍射波矢
C
可扫过全部球面。nKh
的起点永远是原点，终
nKh
点永远在球面上
2
nKh
2
2
0
nKh
O
Solid State Physics
4. 反射球球心C与倒易点的连线
即为衍射方向。
hklLeabharlann 2sC
0
O
Solid State Physics
如果没有倒易点落在球面上，则无衍射发生。
为使衍射发生，可采用两种方法。
hkl
2
固体物理实验方法简单题
1.说明X射线谱的分类及产生物理机制？一种是连续X射线谱，与靶材料无关，是高速电子受到靶的抑制作用，速度骤减，小于1%的电子动能转化为X射线光能，电子所减少的能量ε∆就作为一个X射线光量子辐射出来，其频率υ由爱因斯坦方程给出：=∆hυε数量极大的电子射向阳极靶受到减速的条件不可能相同，电子损失的能量也不同，因而出现了不同波长及不同数量的光量子，形成了连续分布的X射线谱。
另一种是特征X射线线标识谱，与加速电压无关，而与靶材料有关。
不同靶元素的X射线标识谱具有相似的结构，随着靶原子的原子序数Z的增加，只是单调变化，而不是周期性变化。
标识谱的这一特征表明它是原子内层电子跃迁所产生的。
当高速电子轰击靶原子，将原子内层电子电离，内层产生一个电子的空位，外层电子跃迁到内层空位所发出的辐射谱线就是标识谱。
当管电压比较小时，只有连续X射线产生。
当管电压上升到超过某一临界激发电压时，在某一特定的波长处，将会有强度极强的特征X射线叠加在连续X射线谱上，此即为特征X射线，又名标识X 射线。
特征X射线谱的产生机理起源于电子的跃迁。
某些高速射向阳极靶的电子能量足够大，可能将靶元素原子的内层电子击出，电子从能量较高的态迁到能量较低的态时发出辐射。
2.什么是俄歇效应，什么是厄瓦尔德球？俄歇效应是原子发射的一个电子导致另一个或多个电子（俄歇电子）被发射出来而非辐射X射线（不能用光电效应解释），使原子、分子成为高阶离子的物理现象，是伴随一个电子能量降低的同时，另一个（或多个）电子能量增高的跃迁过程。
当X射线或γ射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上的束缚电子发射出来。
当一个处于内层电子被移除后，在内壳层上出现空位，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量。
一定的内原子壳空位可以引起一个或多个俄歇电子跃迁。
跃迁时释放的能量将以辐射的形式向外发射。
通常能量以发射光子的形式释放，但也可以通过发射原子中的一个电子来释放，被发射的电子叫做俄歇电子。
固体物理实验--红外与拉曼
红外和Raman光谱的比较
电磁波波段
红外光波段
红外和Raman光谱测量
红外光谱仪光路示意图
红外谱仪中使用的元器件
红外测量最主要的特点是特殊元件的需要，包括光源、 分光元件和光学窗口等。（大多数材料对红外光有强 烈的吸收） • 光源：钨灯用于近红外、电热棒用于中红外、高压水 银弧光灯用于远红外波段。（同步辐射光源）
Raman光谱应用
由Raman光谱可以获得分子和固体材料振动谱特征，由此可以 获得分子各种结构信息和固体材料结构、组分等各种信息。 对于有机分子，Raman可以用来进行研究，但是红外相对于 Raman的优点是前者方便定量化。 1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼 谱带， 随单键双键三键谱带强度增加。 2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一 般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。 3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。
1029cm-1 （C-C） 803 cm-1环呼吸
3060cm-1r-H) 1600,1587cm-1 c=c)苯环 1039, 1022cm-1单取代
1000 cm-1环呼吸 787 cm-1环变形
各种Raman散射
• • • • • • • • 共振Raman散射 电子共振Raman散射 表面增强Raman散射 受激Raman散射 超Raman散射 逆Raman散射 相干反Stokes Raman散射（CARS） ……
扭摆 Twisting
（来源于维基百科）
分子振动频率
分子振动可以看成谐振子振动，频率为：
=(k/)1/2
k为力常数，决定于化学键的强度。 为折合质量。（同位素效应）
红外吸收和Raman散射的基本原理
固体物理第一章4
当衍射波矢和入射波矢相差一个或几个倒格矢时，就满足衍射
加强条件；
n称为衍射级数，（h1h2h3）是面指数，而（nh1nh2nh3）称为衍
射面指数。
二、反射公式（布拉格反射定律）
1912年，英国物理学家布拉格父子根据劳厄的实验结果，推导出了
考察沿S0方向入射的单色X射线被位于原点O及A的两个格点所散 射的情形。
晶格中任一格点A的位矢为： l l1a1 l2a2 l3a3 R
对于沿S方向的散射束而言，由O、A两个格点所散射的射线的 光程差为： δ＝CO＋OD
CO Rl S0 ,OD Rl S
（通常样品与X射线束斑的线度同样品到X射线源及探测器的距离相 比甚小，可以近似地认为入射束与沿某方向的散射束均为平行光）
只研究布喇菲Bravais格子。
一、衍射方程（ Laue方程）
德国物理学家 劳埃Max von Laue（1879~1960 ）。因晶体的X
射线衍射研究成果，获1914年诺贝尔奖。
间中的矢量，因此：
k k0 nKh (3)
其中n是整数，上式即为倒格子空间的衍射方程。 因此，劳厄方程（2）式也可写为
Rl Kh 2'
Rl nKh 2 (2)
倒格子空间的衍射方程
k k0 nKh (3)
倒格子空间的衍射方程的意义：
当X光的衍射波矢k与入射波矢k0之差等于倒格矢时，则k的方向
即为衍射加强的方向。衍射的实质是晶体中各原子散射波之间相互干
涉的结果。 建立布拉格衍射方程的基本出发点是：考虑为每组晶面族的反射。 即当衍射线对某一晶面族来说恰为光的反射方向时，此反射方向 便是衍射加强的方向。 由于衍射线的方向恰好相当于原子面对入射波的反射，才得以使
固体物理实验
固体物理实验实验目的：本实验旨在通过固体物理实验，探究固体的物理性质，加深对固体结构和行为的理解。
实验材料与设备：1. 实验室台架2. 固体样品：金属、陶瓷等3. 温度计4. 镊子5. 电源6. 电阻计7. 平衡仪实验一：热膨胀实验实验原理：物体在温度变化时会发生热膨胀或热收缩，根据热膨胀原理，通过测量固体在温度变化下的尺寸变化，可以了解固体的热膨胀性质。
实验步骤：1. 将所选固体样品固定在实验台架上。
2. 将温度计接触到固体样品上，测量初始温度。
3. 将电源连接到样品上，升高样品的温度。
4. 每隔一定温度间隔，测量固体在不同温度下的长度变化。
5. 记录温度和长度变化数据。
实验结果与分析：根据实验数据，绘制出温度与长度变化的曲线图，并计算出样品的线膨胀系数。
分析数据得出固体的热胀冷缩规律。
实验二：电阻测量实验实验原理：物体的电阻随温度的变化而变化，根据电阻与温度的关系，可以了解固体物质的导电特性。
实验步骤：1. 将所选固体样品放置在实验台架上。
2. 通过电阻计测量固体样品的电阻。
3. 将样品升温或降温，测量不同温度下的电阻数值。
4. 记录温度和电阻数值。
实验结果与分析：根据实验数据，绘制出温度与电阻的曲线图，并计算出样品的电阻温度系数。
分析数据得出固体材料的导电特性与温度变化的关系。
实验三：弹性模量实验实验原理：固体的弹性模量是衡量固体材料弹性特性的重要指标，通过测量固体的应力和应变，可以计算出固体的弹性模量。
实验步骤：1. 将所选固体样品固定在实验台架上。
2. 在固体样品上施加外力，产生应力。
3. 测量固体样品在应力下的长度变化，得到相应的应变。
4. 记录应力和应变数据。
实验结果与分析：根据实验数据，计算出固体样品的应力和应变值，并应用胡克定律计算出样品的弹性模量。
分析数据得出固体材料的弹性特性。
结论：通过固体物理实验，我们深入了解了固体物质的热膨胀性质、导电特性和弹性特性。
这些实验结果对于材料工程、物理学等领域具有重要的理论与实际应用意义。
VSM实验报告
固体物理实验报告：振动样品磁强计 一、VSM 原理1.简介振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer ）是基于电磁感应原理制成的仪器。
采用尺寸较小的样品，它在磁场中被磁化后可近似看作一个磁矩为m 的磁偶极子，使样品在某一方向做小幅振动，用一组互相串联反接的探测线圈在样品周围感应这磁偶极子场的变化，可以得到探测线圈的感应电动势直接正比于样品的磁化强度。
2.基本原理由于测量线圈中的感应信号来源于被磁化的振动样品在周围产生的周期性变化磁场，那么位于坐标原点O 的磁偶极子在空间任意一点P 产生的磁场可表示为：式中矢量→→→→++=k z j y i x r ，其中→i 、→j 、→k 分别为x 、y 、z 的单位矢量。
若在距偶极子 处的P 点放置一匝面积为S 的小测量线圈，则通过线圈的磁通量为：若偶极子沿着z 轴做简谐振动t j ae ω时，（a 是振幅，ω为振动角频率），有：则偶极子磁场在N 匝线圈中激起的感应电动势为：因样品沿着x 方向磁化，且线圈截面较小时，可用线圈中间的性质代表每匝线圈的平均性质，若线圈尺寸和位置固定不变，上式中积分式的数值是常数，故：振幅E m 与样品磁矩成正比。
因而线圈输出电压的有效值V x 正比于样品的磁矩测量方程：))(3(41)(53→→→→→→⋅--=r r r M r M r H m mπ→→→→⋅=⋅=⎰⎰Sd r H S d B S S )(0μφ→→→→+++=kaez j y i x r tj )(ω∑⎰=→→⋅∂∂-=∂∂-=Ni S Sd t t r H t te 10),()(μφtE t e m ωcos )(=其中k 为振动样品磁强计的灵敏度，可用比较法测定，该过程称为振动样品磁强计的校准或定标。
比较法是用饱和磁化强度0s σ已知的标准样品（如高纯镍球样品），若已知表样的质量为m s0,校准时振动输出信号为Vs :则有：为使直径约为2毫米的样品符合偶极子条件，样品到线圈的中心间距r 与样品磁化方向的长度l 之间应满足22)2(l r >>。
固体物理实验方法
固体物理实验方法一、物理主要的实验方法及其主要功能1．X射线衍射分析技术1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了X射线，后人为了纪念发现者也称它为“伦琴射线”。
X射线技术目前在工业和科学技术中的应用十分广泛，在硅酸盐材料工业及材料科学中X射线物相分析是一种重要分析方法。
X射线衍射现象有两种可能的用途：①已知和求出；②已知和求出。
前者是X射线衍射仪的主要功能，它能精确地测定晶体的晶格常数、晶格应变、晶体缺陷、晶粒直径和晶轴方向等，是研究金属、半导体和光学晶体的一种重要手段。
后者类似于光谱仪器或电子微探针的功能，可测定被测晶体样品中所含的元素成分和含量。
2．透射电子显微术透射电镜由电子枪，聚光镜，物镜，中间镜，投影影和荧光屏，底片盒等组成。
整个镜筒的真空度约为10-7。
电子束经聚光镜汇聚在薄试样上。
由于电子能量一般为100eV，能透过的试样厚度一般为100Nm, 电子进入试样后发生散射或衍射，在试样的出射面产生振幅和相位衬度，物镜以下的透镜使这一衬度成象于荧光屏或底片上，调节中间镜焦距，还可以使物镜焦面上晶体衍射图样成象于荧光屏或底片上。
主要用于观察生物试样的薄切片，金属材料的表面复型和蒸发薄膜等。
3．扫描电子显微术透射电镜由电子枪，聚光镜，电子束偏转线圈和信号探测系统等组成。
镜筒真空度约10-3Pa。
电子束经聚光镜，物镜聚焦到厚试样表面，最小束斑直径可达nm量级，电子进入试样后经过复杂的散射过程，产生二次电子，背散射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光等信号。
普通扫描电镜利用前三种信号成像，增加一些附属装置后可以探测X射线，阴极发光等信号。
用于薄试样和厚试样的散射均可。
4．LEED衍射法LEED的衍射原理与X射线衍射相同。
它们的差别除了被散射粒子不同外，散射体对被散射粒子的相互作用亦不同。
LEED的入射电子由原子实的静电作用而形成弹性散射。
电子能量小于1keV时，非弹性散射截面很大而不易透入体内，所以只有表面几层原子的结构决定衍射图样。
光谱分析-光吸收
光谱分析
电磁辐射与物质相互作用引起光的吸收、反射和散 射，通过研究这些现象的规律从而进行物质分析，称为 光谱分析。
电子 光子
紫外、可见
裂片
红外
光子
光吸收谱 弹性散射
其关系为：
2k
c
4k
/ 0
吸收系数与频率相关, 随频率的变化关系称为吸收谱
光在吸收媒质中传播的经典描述
光波在吸收媒质中传播的理论基础是麦克
斯韦方程。如只涉及电中性媒质，对于电场强
度矢量E有下面的方程：
2E
0
E t
0 0
2E t 2
0
(4.1)
ε0：μ0自由空间的介电常数和磁导率，ε，μ：媒质的相对介电 常数和磁导率。
C1[(r 1) A i A ], C2[(r 1) / A i / A ]
式中:
A
2[(
2 r
2 i
)1/ 2
r
]1/ 2
(
2 r
2 i
)1/ 2
C1
[(r
1)2
2 i
]1
C2
2i
/[( r
1)2
2 i
](
2 r
2 i
)
系数α和β是光子能量的函数，它的符号和大小 对不同光谱区的调制反射谱的分析结果有一定影响， 而△εr和△εi的线形会因调制参数的不同而具有不同 的形式。它仅在电子能带结构的临界点区域才有较大 的响应，而具体形式与临界点的类型及布里渊区中的 位置有关。
图4-3 反射光谱附件 (b)可变角反射附件
固体物理实验方法-3
10.发光光谱
一、光致发光（PL），光致发光激光谱（PLE） 主要应用：未知杂质的检测，杂质缺陷能级测定 二、电致发光（EL）谱及阴极荧光谱（ＣＬ） 主要应用; 主要是对比ＰＬ或ＣＬ来分析发光二极管（ＬＥＤ）材 料中不同区域内发光情况，用于产品质量检验。 １１．磁共振 一、核磁共振： 应用： 二、电子顺磁共振（ＥＰＲ） 应用：用于研究固体杂质和点缺陷的局域电子态，确定晶体局部对称性
１２.核物理方法 一、穆斯堡尔谱 穆斯堡尔效应：１９５７年，穆斯堡尔发现：固体中的某些放射性原子 核有一定的几率能够无反冲地发射γ射线， γ光子携带了全部的核跃迁 能量。而处于基态的固体中的同种核对前者发发射的γ射线也有一定的 几率能够无反冲地共振吸收，这种原子核无反冲地发射或共振吸收γ射 线的现象就称为穆斯堡尔效应。
应用：物相分析，非晶固体研究，固体表面及界（８００字以上） ２．你研究工作中可能要使用的测试仪器以 及你使用过的仪器制备测试样的心得。（５００字以上） ａｈｈｆｙｕａｎｘｙ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
固体物理实验方法课]第1章_晶体学基础
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1.2 晶体结构与空间点阵
1.2.5 晶向、晶面及晶向、晶面指数
晶向指数的确定
1. 建立坐标系，结点为原点，三棱为方向，点阵 常数为单位 ； 2. 在晶向上任两点的坐标(x1 , y1 , z1) (x2 , y2 , z2)。 ( 若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下 一步更简单)； 3. 4. 5. 计算x2 - x1 ： y2 - y1 ： z2 - z1 ； 化成最小、整数比 u：v：w ；
其中，a 、b、 c；α、β、γ 为正点阵参数
1.3 倒易点阵
1.3.3 倒易点阵参数的大小和方向
（1） a* b a* c b* a b* c c* a c* b 0
因此，倒易点阵的基本矢量垂直于正点阵中异名矢量构成的平面。 a*垂直于b与c两个矢量构成的平面。同样b*（或c*）垂直于a与c（a与b） 两个矢量构成的平面。
倒易点阵是晶体结构周期性在傅立叶空间中的数学抽象。 如果把晶体点阵本身理解为周期函数，则倒易点阵就是晶体点 阵的傅立叶变换，反之晶体点阵就是倒易点阵的傅立叶逆变换。
所以，倒易点阵只是晶体点阵在不同空间 ( 波矢空间 ) 的
反映。
1.3 倒易点阵
1.3.4 倒易矢量
1、定义： 从倒易点阵原点向任一倒易阵 点所连接的矢量叫倒易矢量，表示为： r* = Ha* + Kb* + Lc*
晶包大小与形状
1.2 晶体结构与空间点阵
1.2.2 基本矢量与晶包
同一个点阵可以由不同的平行六面体晶胞 叠成。即可以任意选择不同的坐标系与基本矢 量来表示。 为了表达最简单，应该选择最理想、最适 当的基本矢量作为坐标系统。即是以结点作为 坐标原点，（ 1 ）选取基本矢量长度相等的数 目最多、（ 2 ）其夹角为直角的数目最多，且 （ 3 ）晶胞体积最小。这样的基本矢量构成的 晶胞称为布拉菲（BRAVAIS）晶胞。
实验技术在固体物理研究中的应用
实验技术在固体物理研究中的应用固体物理研究是探索物质的性质、结构和行为的领域。
在这个领域中，实验技术起着至关重要的作用。
通过各种实验手段和工具，研究人员能够深入了解固体物质的微观结构、电磁特性以及多种物理现象。
本文将探讨一些在固体物理研究中常用的实验技术，并展示它们在相关领域的应用。
一、晶体生长技术晶体是固体物理研究中的重要对象，其结构和性质直接影响到材料的性能。
晶体生长技术在实验中的应用广泛而深入。
以氧化物为例，通过溶胶-凝胶方法可以合成各种形状和尺寸的晶体。
这种方法不仅可以用于制备纯净的单晶样品，还可以制备复合结构的晶体，为进一步的物性研究提供了基础。
二、扫描探针显微技术扫描探针显微技术包括扫描电子显微镜（SEM）、扫描探针显微镜（SPM）等。
这些技术通过扫描和探测样品表面的物理信号，从而提供高分辨率的表面图像和物理性质数据。
例如，原子力显微镜（AFM）可以用于观察纳米级别的表面形貌和力学性质，研究人员可以通过调节探针的接触力来测量样品的硬度、弹性等特性。
这些显微技术不仅帮助研究人员深入理解固体物质的微观结构，也对纳米器件和材料的表面工艺有着指导作用。
三、光谱学技术光谱学技术在固体物理研究中扮演着重要的角色。
通过使用不同波长的光源和光谱仪器，研究人员可以研究材料的电子结构、能带和关联物理性质。
例如，紫外-可见光谱技术可以帮助研究人员了解材料的吸收和发射光谱，从而推断出材料的能带结构和电子能级间的跃迁过程。
类似地，拉曼光谱技术可以提供关于材料晶格振动和声子结构的信息。
这些光谱学技术不仅可以用于材料性质的研究，还可以用于检测材料的纯度、结构缺陷等。
四、高压和低温实验技术高压和低温实验技术在固体物理研究中是不可或缺的。
通过在极端条件下研究材料的性质，人们可以模拟和控制固体物质在高压和低温环境中的行为，从而揭示材料的特殊性质和相变行为。
例如，将材料置于高压环境中，可以改变其晶体结构，观察到新的电子态或磁性现象。
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4)偏振性 5)洁净 6)脉冲时间结构 7)高稳定性 8)可由理论准确计算 9)对全世界开放
NSRL
5.其它X射线源
1)放射源 55 Fe 发射出Mn K 实验室常用于 校准探测器 2)等离子体源 激光等离子体光源 Z箝缩等离子体光源 飞秒脉冲强激光的高次谐波 3)X射线激光、自由电子激光 4)宇宙中的X射线源
2)X射线波长λ与光子能量的关系
E x h h
c
hc 1.2398 (keV nm) 1.24(keV nm) 1.2398 (keV nm) 1.24(keV nm) Ex
3)X射线在电磁辐射谱中的位置
4)典型的波粒二象性 波 λ 偏振 相干散射 界面的反射、折射 用经典电磁理论处理 粒子 光电吸收 不相干散射 用量子理论处理
潘国强.同步辐射应用基础
例 Cu
K1 0.15406nm
K2 0.15444nm
K
K
0.1542nm
0.13923nm
V0 8.98kV
C.特征谱强度 I 与电压V电流i的关系 I Bi(V V0 )n n=1.5--2 与连续谱比，当 V (3 5)V0 时，强度强两个量级 K系三条谱线的强度比 1 : 2 : 100: 50: 20验中必须不让光源直接照射人体 记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监测。 通常X射线实验室（包括同步辐射）中辐射剂量远低 于安全剂量。
延波荡器长度方向的距离
X射线激光原理图
第一章: X射线本质及X射线源
1. X射线的发现及其本质的确定
1） X射线是波长很短的电磁辐射，是光子能量很高 (~keV)的光子流。它具有典型的波粒二象性。
1895 Rö ntgen W.C. 发现X射线 （1901年首届诺贝尔物理奖） 1912 Laue.M. 晶体的X射线衍射，Laue方程 （1914年诺贝尔物理奖） 1913 Bragg, W.H & W.L. Bragg定律 (1915年诺贝尔物理奖) ——X射线是一种波长很短(～À)的电磁辐射 1923 pton X射线的Compton散射 （1927年诺贝尔物理奖） ——X射线的量子特性
2)同步辐射装置
二极弯转磁铁（Bend Magnet）、扭摆磁铁（Wiggler Magnet）、波荡器（undulator）
同步辐射的优异特性 1)广宽平滑的连续谱 根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外 直至真空紫外，软X射线，硬X射线，甚至γ射 线，其特征波长 c 为
c 4 R / 3r
2)X射线管发射谱 （1）连续谱 辐射机制：韧致辐射 最短波长 （2）标识谱（特征谱） 波长（光子能量）由靶元素确定的线谱，它在所 加电压高于靶元素的激发电压时叠加在连续谱上。 A.辐射机制：靶原子内壳层的电子跃迁 B.主要谱线 LIII→K LII→K M→K
特征谱线（标识辐射 ）
continuum
固体物理实验方法 （I） ——X射线结构分析
罗震林、刘文汉 zlluo@ 3－422，NSRL
主要内容
一． 二． 三． 四．
X射线本质及X射线源 X射线与物质的相互作用 晶体的X射线衍射 X射线吸收精细结构
教学、考核方法 教学：讲课为主，阅读文献为辅 教材：自印讲义； 作业 考核：开卷考试 参考书目 王华馥，吴自勤．固体物理实验方法，第二章 固 体X射线学．高等教学出版社，1990 黄胜涛．固体X射线学．高等教学出版社 B.E.Warren, X-ray Diffraction, Addison-Wesley Pub.Co.Inc. Jens Als-Nielsen, Des McMorrow, Elements of Modern X-ray physics, John Wiley&Sons Ltd，2000
3
其中R为电子弯转半径，γ为电子能量与其静 止能量（0.511Mev）之比
c c
NSRL的弯转磁铁和扭摆器光通量理论计算光谱(频谱)
c 4 R / 3r
3
2)高强度,高亮度
图5 X射线源亮度
3)方向性好 同步辐射功率集中在电子运动方向上极小的立体 角内，其立体角的大小约为 1 / rad。 例：1Gev的电子所发射的同步辐射集中在0.5mrd 的立体角内
2.X射线的用途
现代物理发展中的关键作用 原子水平上的固体结构分析
– 固体结构：原子结构、电子结构 – X射线衍射、X射线吸收精细结构
连续介质的组织结构分析（X射线透射成像）
– 二维向三维发展CT – 吸收衬度成像，相位衬度
– 显微成像
等离子体的结构研究 X射线天文学
最重要的结构研究手段
3)X射线管的主要性能指标
靶元素 确定谱特征 常用靶元素Mo Cu W Ag 功率 密封管1-3KW 旋转靶12KW, 18KW(100KW) 焦斑 标准焦斑 1mm 10mm 细聚焦管 0.4mm 4mm
4.同步辐射
1）同步辐射和同步辐射光源 速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲 线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射称为同步辐射， 因为这种辐射是1947年首先在电子同步加速器上发现的。 产生同步辐射的装置，即电子同步加速器或电子储存环 就称为同步辐射光源。目前世界上已有几十个同步辐射 光源在运行。代表性的光源有： 第一代（兼用机） SSRL（美国） BSRF（北京） 第二代（专用机） NSLS（美国） NSRL（合肥） PF（日本） SRRC（新竹） 第三代 APS（美国） ESRF（欧洲） SPRING8（日本） SSRF（上海）
O N M
e
L
L-series
n = 2, L = 1, J = 3/2; 2P3/2 n = 2, L = 1, J = ½; 2P1/2 n = 2, L = 0, J = ½; 2S1/2 1 2
(LIII) (LII) (LI)
K K-series
K
n = 1, L= 0, J = ½; 2S1/2
其他应用
工业应用 X射线光刻 医疗应用 X透射成像，CT 安检应用 X透射成像
3.X射线管及其发射谱
1)X射线机的组成 X射线管 高压发生器 水冷系统 控制电路 X射线管结构 电子枪（阴极） 金属靶（阳极） 水冷通道 窗口(Be)
图1 密封式X射线管结构
强度
（0.1nm）
图2 各种阳极发出的X射线谱