电磁辐射与材料结构详解
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第一篇 总论
第1章 电磁辐射与材料结构
1.1 电磁辐射与电磁波 1.2 材料结构基础（1） 1.3 材料结构基础（2）
第一节 电磁辐射与物质波
电磁辐射：在空间传播的交变电磁场; 波动方程;
表现：反射、折射、干涉、衍射、偏振等 主要物理参数有：波长(λ )或波数(σ 或K:1/ λ )、频率(ν )及相位 (φ )等
速度v/(m.s-1) 5.9×105 5.9×106 1.9×107 5.9×107 1.4×103 2.4×102 30 1.0×103
波长λ/pm 1200 120 37 12 72 12
1.1×10-22 6.6×10-23
第二节 材料结构基础
第二节 材料结构基础(一)
一、原子能态及其表征
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2
过渡族金属Fe ......3d64s2
Ⅳ族元素材料Si ............3s23p2
聚乙烯
陶瓷材料Al2O3
电导率 （Ω-1·cm-1）
2.13×105 2.25×105 1.00×105 5×10-6 10-15
10-14
2.原子能态与原子量子数
磁量子数m ：
表示原子轨道在空间的取向，数值可以是0，1，2，....l，对于某个 运动状态，可以有2l+1个磁量子数。 例如l＝1，m 可以为 0，1三个不同的取向，用px, py, pz表示。 l＝2, m
可以为 0，1 , 2, 五个不同的取向，用dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2表示
过对各角动量进行加和组合的过程(称为偶合)获得表征 原子整体运动状态与能态的原子量子数。
• 偶合分为L-S偶合与J-J偶合两种方式。
• J-J偶合：指当剩余相互作用小于自旋轨道相互作用时, 先考虑后者的偶合－－－重元素原子
角度分布，即电子云的形状。
例如，当l = 0, 1, 2, 3 时，原子轨道分别用s, p, d, f 表示。当n 相同时，不同l 的原子轨道称为亚层。l 越大，能量越高。例如，主量子 数n = 2 时，l 可以为 0，1，即原子轨道可以有2s, 2p, 两个亚层，2p
电子的能量高于2s。
s轨道的轮廓图(l=0， ms=0,)
1.原子结构与电子量子数
(1)原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。 (2)在一切原子中，原子核位于整个原子的中心，只占很
小的体积，而电子在原子核外高速运动着。 (3)原子核由质子和中子组成。
• 每一确定运动状态的电子相应地具有确定的能量。 • 核外电子在不同状态下所具有的能量数值各不相同,并
• 他说： “整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法，是过分 忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？ 我们是不是把粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象？”
他提出：电子、质子、中子、原子、分子、离子 等实物粒子的波 长
= h / p = h / mv(动量)
（1-4）
3年之后，（1927年），C.J.Davisson（戴维逊）和 L.S.Germer（革末）的电子衍射实验证实了电子运动的波动性——电 子衍射图是电子“波”互相干涉的结果，证实了de Broglie的预言。
波粒二象性
电磁波波动性与微粒性通过下列关系式相联系：
光子能量: E = hν
(1-2)
光子动量： p = h/λ
(1-3)
微粒性 波动性
式中：h—普朗克常数,h=6.626×10-34J·s
射线谱 光学光谱
电磁波谱
波谱
物质波
•1924年，法国物理学家德布罗意(louis •de • broglie)受光的 波粒二象性的启发，提出微观粒子也具有波粒二象性。
电子波(运动电子束)波长
初速为零的电子在电压为V的电场中加速运动,获得速度v,设电 场加速电子所作功全部转换为电子动能,即有
1 mv2 eV(1-6)
2
v 2eV / m
将此式代入式(1-4),则
h / 2emV(1-7)
将电子电荷e=1.60×10-19C、电子质量m≈m0=9.11×10-31kg及h值代入 上式,得
且其变化是不连续的即量子化的,常用能级(图)形象化 地进行表示。
量子数
• 核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁量 子数)、s(自旋量子数)、ms(自旋磁量子数) 5个量子数表征， 也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。
主量子数n值相同的原子轨道归并称为同一“电子层”。对 应于n=1,2,3,4,5,…的电子层,常用K,L,M,N,O,…表示.
n、l、m共同表征了电子的轨道运动,而s与ms则是电子自旋 运动的表征。s表征自旋运动角动量的大小,s=1/2。 ms取 值为±1/2,表明电子自旋只有两个方向。
根据5（4）个量子数的取值规则，则每一电子层中可
容纳的电子总数为2n2
原子核外电子排布
部分元素核外电子排布
材料
电子结构
碱金属Na
1s22s22p63s1
• 多电子原子：电子与电子相互作用等复杂情况 • 量子理论：
轨道-轨道相互作用(各电子轨道角动量之间的作用)、 自旋-自旋相互作用(各电子自旋角动量之间的作用) 自旋-轨道相互作用(指电子自旋角动量与其轨道角动量的
作用,单电子原子中也存在此Baidu Nhomakorabea用) • 轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用,进而通
1.225 / V
式中,λ以nm为单位,V以V为单位。
实物颗粒的质量、速度与波长的关系
实物
1V电压加速的电子
100V电压加速的电子 1000V电压加速的电
子 10000V电压加速的电
子 He原子（300K）
Xe原子（300K）
垒球
枪弹
质量m/kg 9.1×10-31 9.1×10-31 9.1×10-31 9.1×10-31 6.6×10-27 2.3×10-25 2.0×10-1 1.0×10-2
n决定电子运动状态的主要能量(主能级能量,E), 有
E Z2 R n2
n＝1,2,3,…
（1-8）
式中:Z——原子序数;R——里德伯(Rydberg)常数,R=2.2×10-18J 或13.6eV。
主量子数n:
直观可以认为n为原子外电子排列的层数。
角量子数l:
l为0，1，2，...n-1正整数，共有n个，它表示原子轨道（或波函数）的
第1章 电磁辐射与材料结构
1.1 电磁辐射与电磁波 1.2 材料结构基础（1） 1.3 材料结构基础（2）
第一节 电磁辐射与物质波
电磁辐射：在空间传播的交变电磁场; 波动方程;
表现：反射、折射、干涉、衍射、偏振等 主要物理参数有：波长(λ )或波数(σ 或K:1/ λ )、频率(ν )及相位 (φ )等
速度v/(m.s-1) 5.9×105 5.9×106 1.9×107 5.9×107 1.4×103 2.4×102 30 1.0×103
波长λ/pm 1200 120 37 12 72 12
1.1×10-22 6.6×10-23
第二节 材料结构基础
第二节 材料结构基础(一)
一、原子能态及其表征
碱土金属 Mg 1s22s22p63s2
过渡族金属Fe ......3d64s2
Ⅳ族元素材料Si ............3s23p2
聚乙烯
陶瓷材料Al2O3
电导率 （Ω-1·cm-1）
2.13×105 2.25×105 1.00×105 5×10-6 10-15
10-14
2.原子能态与原子量子数
磁量子数m ：
表示原子轨道在空间的取向，数值可以是0，1，2，....l，对于某个 运动状态，可以有2l+1个磁量子数。 例如l＝1，m 可以为 0，1三个不同的取向，用px, py, pz表示。 l＝2, m
可以为 0，1 , 2, 五个不同的取向，用dxy, dyz, dxz, dx2-y2, dz2表示
过对各角动量进行加和组合的过程(称为偶合)获得表征 原子整体运动状态与能态的原子量子数。
• 偶合分为L-S偶合与J-J偶合两种方式。
• J-J偶合：指当剩余相互作用小于自旋轨道相互作用时, 先考虑后者的偶合－－－重元素原子
角度分布，即电子云的形状。
例如，当l = 0, 1, 2, 3 时，原子轨道分别用s, p, d, f 表示。当n 相同时，不同l 的原子轨道称为亚层。l 越大，能量越高。例如，主量子 数n = 2 时，l 可以为 0，1，即原子轨道可以有2s, 2p, 两个亚层，2p
电子的能量高于2s。
s轨道的轮廓图(l=0， ms=0,)
1.原子结构与电子量子数
(1)原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。 (2)在一切原子中，原子核位于整个原子的中心，只占很
小的体积，而电子在原子核外高速运动着。 (3)原子核由质子和中子组成。
• 每一确定运动状态的电子相应地具有确定的能量。 • 核外电子在不同状态下所具有的能量数值各不相同,并
• 他说： “整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法，是过分 忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？ 我们是不是把粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象？”
他提出：电子、质子、中子、原子、分子、离子 等实物粒子的波 长
= h / p = h / mv(动量)
（1-4）
3年之后，（1927年），C.J.Davisson（戴维逊）和 L.S.Germer（革末）的电子衍射实验证实了电子运动的波动性——电 子衍射图是电子“波”互相干涉的结果，证实了de Broglie的预言。
波粒二象性
电磁波波动性与微粒性通过下列关系式相联系：
光子能量: E = hν
(1-2)
光子动量： p = h/λ
(1-3)
微粒性 波动性
式中：h—普朗克常数,h=6.626×10-34J·s
射线谱 光学光谱
电磁波谱
波谱
物质波
•1924年，法国物理学家德布罗意(louis •de • broglie)受光的 波粒二象性的启发，提出微观粒子也具有波粒二象性。
电子波(运动电子束)波长
初速为零的电子在电压为V的电场中加速运动,获得速度v,设电 场加速电子所作功全部转换为电子动能,即有
1 mv2 eV(1-6)
2
v 2eV / m
将此式代入式(1-4),则
h / 2emV(1-7)
将电子电荷e=1.60×10-19C、电子质量m≈m0=9.11×10-31kg及h值代入 上式,得
且其变化是不连续的即量子化的,常用能级(图)形象化 地进行表示。
量子数
• 核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、m(磁量 子数)、s(自旋量子数)、ms(自旋磁量子数) 5个量子数表征， 也相应表征了电子的能量状态(能级结构)。
主量子数n值相同的原子轨道归并称为同一“电子层”。对 应于n=1,2,3,4,5,…的电子层,常用K,L,M,N,O,…表示.
n、l、m共同表征了电子的轨道运动,而s与ms则是电子自旋 运动的表征。s表征自旋运动角动量的大小,s=1/2。 ms取 值为±1/2,表明电子自旋只有两个方向。
根据5（4）个量子数的取值规则，则每一电子层中可
容纳的电子总数为2n2
原子核外电子排布
部分元素核外电子排布
材料
电子结构
碱金属Na
1s22s22p63s1
• 多电子原子：电子与电子相互作用等复杂情况 • 量子理论：
轨道-轨道相互作用(各电子轨道角动量之间的作用)、 自旋-自旋相互作用(各电子自旋角动量之间的作用) 自旋-轨道相互作用(指电子自旋角动量与其轨道角动量的
作用,单电子原子中也存在此Baidu Nhomakorabea用) • 轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用,进而通
1.225 / V
式中,λ以nm为单位,V以V为单位。
实物颗粒的质量、速度与波长的关系
实物
1V电压加速的电子
100V电压加速的电子 1000V电压加速的电
子 10000V电压加速的电
子 He原子（300K）
Xe原子（300K）
垒球
枪弹
质量m/kg 9.1×10-31 9.1×10-31 9.1×10-31 9.1×10-31 6.6×10-27 2.3×10-25 2.0×10-1 1.0×10-2
n决定电子运动状态的主要能量(主能级能量,E), 有
E Z2 R n2
n＝1,2,3,…
（1-8）
式中:Z——原子序数;R——里德伯(Rydberg)常数,R=2.2×10-18J 或13.6eV。
主量子数n:
直观可以认为n为原子外电子排列的层数。
角量子数l:
l为0，1，2，...n-1正整数，共有n个，它表示原子轨道（或波函数）的