微观结构分析基本原理

现象：水波绕不到挡板后面而继续传播
说明: 发生衍射现象的条件与障碍物的大小 有关。
猜想: 那么障碍物的大小与波的那个参量有
关？
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发生明显的波的衍射的条件
实验： (1)使波长相同的水波通过宽度不同的窄缝。 (2)使波长不同的水波通过宽度相同的窄缝。 (3)波长不断变小的水波通过宽度不断增大的窄缝． (4)水波绕障碍物的情形。
（法，1892-1986）
从自然界的对称性出发, 认为:
既然光(波)具有粒子性，
那么实物粒子也应具有波动性。
1924.11.29.
德布洛意把题为“量子理论的研究”
的博士论文提交巴黎大学。
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他在论文中指出:
一个能量为E,动量为 P 的实物粒子同时具有
波动性, 且:
p mv h
h h
p mv
与粒子相联系的波称为物质波，或德布罗意波。 ─ 德布罗意波长。
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经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。
答辩会上有人问: “这种波怎样用实验来证实呢？” 德布洛意答： “用电子在晶体上的衍射实验可以做到。”
估算电子的波长:
设电子动能由U 伏电压加速产生
h
p
h
p
h
2mE
h 12 .25 (Å)
第一章
微观结构分析基本原理
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第一章 微观结构分析基本原理
入射束
物质
出射束
用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后 便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。
所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析 原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。
电子、X-射线、离子束、光子和中子是最常见的束源。
障碍后 的波线
. . . . . . . . .
障碍编辑物ppt
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荷兰物理学家
惠更斯
C.Huygens
(1629-1695)
1656年造出了人类 历史上第一架摆钟
1666年当选为荷兰 科学院院士。
1690年出版《光
论》，提出了著名
的惠更斯原理。
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微观粒子的波粒二象性
. 德布罗意假设 L.V. de Broglie
一、 电子与物质相互作用：
扫描电镜
透射电镜
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第一章 微观结构分析基本原理
一、 电子与物质相互作用：
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第一章 微观结构分析基本原理
一、 电子与物质相互作用：
当高速运动的电子穿过固体物质时，会受到原子中的电子 作用，或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用，从而改 变了电子的运动方向-------电子散射。
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拓宽：用惠更斯原理解释衍射现象
2、波传到小孔狭缝时，缝上各点都可看作子波源，小孔仿佛一个 新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后的边缘处， 波的传播方向发生改变传播，于是，就出现了偏离直线传播方向的 衍射现象．当狭缝缩小，与波长相近时，衍射效果显著。
障碍后 的波面
障碍物后的 阴影部分
结论：
障碍物宽度跟波长相差不多时，有明显的衍射现象；
障碍物宽度比波长大得越多，衍射现象越不明显；
障碍物宽度跟波长相比非常大时，水波将直线传播，
观察不到明显的衍射现象．编辑ppt
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• 声波的波长在1.7cm到17m之间，可以跟一般障 碍物的尺寸相比，所以声波能绕过障碍物，使我 们听到障碍物另一侧的声音．
2meU
U
若 U=100伏 =1.225Å － X射线波段
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实验验证——电子衍射实验 (1)戴维逊—革末实验（1927年）
实验装置示意图
真空
I
U
掠射角
电子枪
Ni单晶
假如电子具有波动性，应满足布喇格公式
2dsin k1.25 k1,2,3,
U 编辑ppt
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即
U k 12.25 C’，2C’,3C’,……
2dsi n 此时电表中应出现
C’
最大的电流．
实验结果:
I
C’ C’编C辑’ppt C’
U
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（2）G.P.汤姆逊（1927年） 电子通过金属多晶薄膜的衍射实验.
实验原理
衍射图象
1929年 德布洛意获诺贝尔物理奖。 1937年 戴维逊 与 G.P.汤姆逊获诺贝尔物理奖。
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第一章 微观结构分析基本原理
1、弹性相互作用（DE＝D=0）：
入 射 电 子 在 原 子 的 库 仑 场 作 用 下 改
变方向而无能量变化，产生衍射和成
象
与 核 外 电 子 云 作 用 的 散 射 角 <0.2° ，
可形成BRAGG衍射
TEM: structure, morphology,
composition）；
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• 光 也 是 一 种 波 ， 但 光 波 的 波 长 约 在 0.4μm-0.8μm的范围内，跟一般障碍物的尺寸相比非常 小，所以在通常的情况下看不到光的衍射，光沿 直线传播．
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拓宽：用惠更斯原理解释衍射现象
1、惠更斯原理 媒质中波动传到的各点，都可以看作是新的次波源，
这些新波源发射的波称为子波，其后任一时刻这些子波 的包络面就是该时刻的新波阵面。
实验表明：
只有缝、孔的宽度或阻碍物的尺寸跟波
长相差不多，或者比波长更小时，才能观察
到明显的衍射现象．
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【演示实验】
• 在水波槽里放两块挡板，当中留一窄缝， 保持水波的波长不变，观察水波通过不同 宽度的窄缝后传播的情况．
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演示结论
• 在波长不变的条件下，将障碍屏的孔由较
大逐渐变小。可以看到波的衍射现象越来
越明显。由此得出结论：窄缝越小，衍射
现象越明显。
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• 保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，波的 传播情况有什么变化呢?
甲中波长是窄缝宽度的3/10，照片乙中波长是窄缝宽度 的5/10，照片丙中波长是窄缝宽度的7/10．
• 当窄缝的大小与波长相差不多时，波的衍
射现象较明显。
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障碍物的情形
第一章 微观结构分析基本原理
一、 电子与物质相互作用： 1、弹性相互作用（DE＝D=0）：
当一束等能量(或单一波长)的电子垂直穿透一薄膜样品时， 如果样品为晶体，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原 子的弹性散射波不但波长相同，而且有一定的相位关系，即它 们之间相互干涉，把这种散射称为相干弹性散射。 如果样品中只含有一种元素，且原子是任意分布的(即样品是 非晶态的)，那么散射是随机的，并且相互无关，故称此种散 射为不相干弹性散射。 由于干涉结果，在空间某些方向上弹性散射波相互减弱或相 消，在另一些方向上，弹性散射波互相加强。干涉加强的极大 值方向，就称为晶体的衍射线方向，这就是电子衍射。
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• 我们向平静的湖面上投入一个小石子，可 以看到石子激起的水波形成圆形的波纹， 并向周围传播．当波纹遇到障碍物(如芦苇) 以后的情况后会怎样？
波的衍射现象 波可以绕过障碍物继续传播，这种现 象叫做波的衍射．
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【演示动画】
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4
【演示实验】
• 在水波槽里放一个较大的挡板，让波源发出 的圆形波遇到挡板，观察波还能否绕到挡板 后面？