第三章--粒子(束)与材料的相互作用
物理化学第三章(简)
(10)
有简并度时定域体系的微态数
S 定位＝kN ln ∑ g i e
i
− ε i / kT
U + T
− ε i / kT
A定位＝ − NkT ln ∑ g i e
i
有简并度时离域体系的微态数
同样采用最概然分布的概念， 同样采用最概然分布的概念，用Stiring公 公 式和Lagrange乘因子法求条件极值，得到微态 乘因子法求条件极值， 式和 乘因子法求条件极值 数为极大值时的分布方式 N i* 离域子）为： （离域子）
)N
N!
U + T
A非定位＝ − kT ln
(∑ g i e −ε i / kT ) N
i
N!
Boltzmann公式的其它形式
能级上粒子数进行比较， 将 i 能级和 j 能级上粒子数进行比较，用最概然分布公式相 比，消去相同项，得： 消去相同项，
− ε i / kT
N gi e = − ε j / kT N g je
简并度增加，将使粒子在同一能级上的微态数增加。 简并度增加，将使粒子在同一能级上的微态数增加。
有简并度时定域体系的微态数
个粒子的某定位体系的一种分布为： 设有 N 个粒子的某定位体系的一种分布为：
能级 各能级简并度 一种分配方式
ε1 , ε 2 , ⋅ ⋅⋅, ε i
g1 , g 2 , ⋅ ⋅⋅, gi N1 , N 2 , ⋅ ⋅⋅, N i
等概率假定
对于U, 确定的某一宏观体系， 对于 V 和 N 确定的某一宏观体系，任何一个可能出 现的微观状态， 有相同的数学概率， 现的微观状态 ， 都 有相同的数学概率 ， 所以这假定又称为 等概率原理。 等概率原理。 等概率原理是统计力学中最基本的假设之一 ， 它与求 等概率原理 是统计力学中最基本的假设之一， 是统计力学中最基本的假设之一 平均值一样，是平衡态统计力学理论的主要依据。 平均值一样，是平衡态统计力学理论的主要依据。 例如，某宏观体系的总微态数为 Ω ，则每一种微观状态 P 例如， 出现的数学概率都相等， 出现的数学概率都相等，即：
F3粒子与材料的相互作用.ppt
析极限可以达到10-6-10-9g的所有元素。
思考题
1. 粒子与材料的相互作用？ห้องสมุดไป่ตู้2. 散射截面和弹性散射截面？ 3. 光子束入射固体样品表面会激发六种主要 信号? 它们有哪些特点和用途?
• 3)吸收电子:其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;与背散射电子 的衬度互补。吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区 成分分析.
• 4)透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行 微区成分分析。 • 5)特征X射线: 用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域。 • 6)俄歇电子:各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面1-2nm范围。 它适合做表面分析。
各种信号的深度和区域大小
可以产生信号的区域称为有 效作用区，有效作用区的最深处 为电子有效作用深度。 但在有效作用区内的信号并不 一定都能逸出材料表面、成为有 效的可供采集的信号。这是因为 各种信号的能量不同，样品对不 同信号的吸收和散射也不同。 随着信号的有效作用深度增加， 作用区的范围增加，信号产生的 空间范围也增加，这对于信号的 空间分辨率是不利的。
• 2.非弹性散射
• 阻止功率：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。
• 二、溅射与二次离子 • 1.离子溅射 • 离子轰击固体时，当固体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，这种现象为溅射。离子溅射可以去除样品表 面微观尺度的材料，即剥蚀样品，进行纵深分析。
• 3.散射截面 • （1）弹性散射截面。入射电子被原子核散射时，散射角αn 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U有关，具体为： • αn =Ze/Urn 或 rn=Ze/ αn U • 由于弹性散射的电子能量等于或者接近于入射电子能量， 因此是透射电镜中成像和衍射的基础。 • 由此可知，入射电子作用在以原子核为中心、rn为半径的 圆内时，将被散射到大于αn以外，所以采用πrn2来作为散 射截面。 • 由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，所以πrn2叫做 弹性散射截面，用σn表示。 • σn = πrn2
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。
电子和离子束在材料中的相互作用
电子和离子束在材料中的相互作用在当今高科技领域中，电子束和离子束在材料处理和表征中扮演着重要角色。
它们能够精确地控制材料表面的形貌和性质，从而在材料工程和纳米技术等领域带来了许多巨大的突破和创新。
本文将探讨电子束和离子束在材料中的相互作用，并介绍它们在不同应用中的具体应用。
1. 电子束与材料的相互作用电子束作为一种高能粒子束，可以在材料表面产生许多重要的相互作用。
首先，电子与材料原子之间发生电子-原子的库伦相互作用，使得原子受到电子束的能量转移。
这种能量转移引起原子的激发和离子化，导致材料发生物理和化学改变。
其次，电子束会激发出材料中的电子和空穴。
这些激发载流子的产生使得材料的导电性和光学性质发生改变。
通过控制电子束的能量和注入时间，可以实现对材料导电性和光学性能的精确调节。
此外，电子注入还会引起材料的热效应，即电子注入导致的局部温度升高。
材料中的热效应会改变材料的晶体结构和相变行为，从而影响材料的力学性能和热传导性能。
2. 离子束与材料的相互作用离子束是一种具有较高动能的离子流，与材料相互作用可以引起多种重要的效应。
首先，离子束可以与材料原子发生碰撞，通过能量转移引起原子离化、位移和损伤。
离子束的能量和注入时间控制了材料的离化度和位移行为，这对于材料的离子注入和材料加工具有重要意义。
其次，离子束可以激发材料中的晶格振动和电子激发。
这些激发过程导致了材料的声学和光学性质的变化。
通过调节离子束的能量、流强和注入时间，可以实现对材料光学和声学性能的精确调控。
此外，离子束还可以改变材料的表面形貌和结构。
通过离子束轰击，可以去除材料表面的氧化层、清洗杂质和提高表面光洁度。
离子束还可以沉积材料表面的原子和分子，形成纳米颗粒和薄膜。
3. 电子束和离子束的应用电子束和离子束在材料工程和纳米技术等领域有广泛的应用。
例如，电子束和离子束可用于表面改性和表面纳米加工，实现对材料表面形貌和性能的调控。
通过电子束或离子束的定向注入，可以实现对材料局部区域的掺杂和离子注入，用于纳米电子器件的制备。
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。
固体物理中粒子的相互作用
固体物理中粒子的相互作用一、引言固体物理是研究固体材料的性质和行为的学科，其中粒子的相互作用是其中一个重要的研究方向。
粒子的相互作用对于固体材料的结构、性质和功能起着至关重要的作用。
本文将从固体物理中粒子的相互作用的角度出发，探讨其在固体材料中的影响和应用。
二、电磁相互作用在固体物理中，电磁相互作用是最常见和最重要的相互作用之一。
在固体材料中，带电粒子之间通过电磁力相互作用，形成了固体的结构和性质。
电磁相互作用可以导致固体材料的导电性、磁性、光学性质等的出现。
例如，金属中的自由电子通过电磁相互作用形成了电子气，使金属具有良好的导电性。
另外，电磁相互作用还可以导致固体材料的光学现象，如反射、透射和折射等。
三、强相互作用强相互作用是固体物理中另一个重要的相互作用。
它是指质子和中子之间的相互作用力，也被称为核力。
在固体材料中，核力是维持原子核的稳定性和固体的结构的基础。
强相互作用还可以导致固体材料的放射性衰变现象，如放射性同位素的衰变过程。
此外，强相互作用还可以导致核聚变反应，这是太阳和恒星能量来源的关键。
四、引力相互作用引力相互作用是固体物理中的另一个重要相互作用。
它是指物体之间的万有引力，是由于物体的质量而产生的相互作用力。
在固体材料中，引力相互作用对于固体材料的结构和形态起着重要的作用。
例如，地球上的固体物体受到地球引力的作用而保持在地表上。
引力相互作用也是行星运动、卫星轨道等现象的基础。
五、弱相互作用弱相互作用是固体物理中的另一个相互作用力。
它是介于电磁相互作用和强相互作用之间的一种相互作用力。
在固体材料中，弱相互作用主要体现在放射性衰变过程中。
例如，放射性同位素的衰变过程中，质子和中子之间通过弱相互作用发生转化。
六、应用与展望粒子的相互作用在固体物理中有广泛的应用和展望。
例如，在材料科学中，研究粒子之间的相互作用可以设计新型的材料，改善材料的性能。
例如，通过调控电子之间的相互作用，可以制备出具有高导电性、高磁性或特殊光学性质的材料。
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。
材料测试技术基础 材料现代研究方法 第三章 粒子与物质的交互作用
§3.2高能电子与样品物质交互作用产生 的电子信息
ห้องสมุดไป่ตู้
3.2.8 周期脉冲电子入射的电声效应 当高能电子进人试样内部而发生物质相互作用时，除了 损失部分能量外，还有大约40％~80％的能量转换为热， 结果，导致在试样中电子扩散区域的温度升高。一般 来说，当入射电子是采取连续扫描方式照射试样时， 则由这种电子能量损失所转换成的热是一种无用的信 息。但是，如果入射电子是采取周期脉冲方式照射试 样，而且频率极高（例如频率在100kHz~5MHz间）， 就会在试样中产生声波，这种现象称为电声效应。近 年来扫描电镜所发展的新成像技术中，由电声效应所 产生的声波信息也是十分重要的成像信息。
由于这种非弹性散射，入射电子不但改变方向，并有 不同程度的能量损失，因此速度减慢。损失的能量 ΔE转化为X射线，它们之间的关系是
§3.1散射
3.1.3 核外电子对入射电子的非弹性散射 原于中核外电子对入射电子的散射作用是一种非 弹性散射，散射过程中入射电子所损失的能量 部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或 形成自由载流子，并伴随着产生各种有用信息， 如二次电子、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。
§3.2高能电子与样品物质交互作用产生 的电子信息
3.2.9 透射电子（TE） 如果样品是薄膜，例如厚度为几十至几百纳米，比 入射电子的有效穿透深度小得多，就会有相当数 量的入射电子穿透样品被装在样品下方的检测器 接收，叫做透射电子。若受入射电子束照射的微 区在厚度、晶体结构或虚分上有差别，则在透射 电子的强度、运动方向及能量分布上将有所反映。 1.质厚衬度效应; 2.衍射效应; 3.衍衬效应
§3.2高能电子与样品物质交互作用产生 的电子信息
现代理化分析试题及答案
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 答案：电子，能级。
( )跃迁或 ( )跃迁。
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
5、干涉指数为（ 101）、（ 202）、（ 303）、（ 404）的晶面，它们的晶面指数均为（ 6、立方面心格子的干涉指数（ 200）表示的晶面上都有原子分布。√
101）。√
7、立方原始格子的干涉指数（ 200）表示的晶面上都有原子分布。
8、正点阵与倒易点阵之间互为倒易关系。√
9、正点阵中每一组（ HKL）晶面对应着一个倒易点，该倒易点在倒易点阵中的坐标（可称阵点指数）即为
HKL；反之，一个阵点指数为 HKL 的倒易点对应正点阵中一组（ 倒易点相应的倒易矢量 r* HKL决定。√
四、选择
HKL）晶面，（ HKL）晶面的方位与晶面间距由该
1、属于 [111] 晶带的晶面是（） 。 B
A、 (111) ； B、 (231)； C、（ 011）； D、（ 111）
2、晶面间距为 d 101／ 3 的晶面，其干涉指数为（） 。 C A、（ 101）；B、（ 202）； C、（ 303）； D、（ 404） 3、下列分析方法中属于发射光谱的是（） 。B
6、自旋量子数 I=0 的原子核是（） 。B A、 19F9； B、 12C6； C、 1H1； D、 15N7
7、下面 4 种核，能够用于核磁共振实验的为（） 。 A A、 19F9； B、 12C6； C、16O8； D、 32S16
五、简答题及思考题
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。
高能离子束与物质相互作用的微观机理研究
项目名称：高能离子束与物质相互作用的微观机理研究首席科学家：肖国青中国科学院近代物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容本项目的核心是通过建立和强化特殊现象效应与实验条件的联系，充分发现和利用不同物质中离子束的行为与新现象，揭示离子束与物质相互作用的本质，为离子束及其相关技术在新型能源、特殊材料、先进信息等科学领域的重大应用提供科学支撑。
拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下：科学问题一：离子束强激发产生高能量密度物质的机理特殊离子束在物质中的能量和质量沉积模式；高能、高电荷态离子与物质作用过程中电荷态的瞬变行为；离子束瞬间高密度能量沉积引起的瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化及其探测。
主要研究内容：（1）高电荷态重离子束与不同复杂物质体系（固体、稠密等离子体、纳米结构或薄膜等）相互作用规律，以及物质的结构效应、尺度效应、集体效应对重离子电荷态、能量沉积及靶物质电离与激发过程的影响。
（2）物质中强流离子束能量和质量沉积的多粒子输运过程及非线性效应理论和微观模型。
（3）离子束强激发产生的高能量密度状态物质以及瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化；离子束轰击产生瞬时激励信号的探测和实验方法。
（4）特殊粒子束与复杂物质相互作用理论模型与计算机模拟，开发出离子束在不同物质体系中能量沉积和输运过程的模拟软件。
科学问题二：强离子辐照场下的物质结构损伤离子辐照场下缺陷的产生及其演化规律；强离子辐照场下材料结构和性能演化机理；从原子尺度离子辐照缺陷的产生到宏观尺度物质结构损伤过程的建模与离子辐照损伤的多尺度模拟计算；离子辐照损伤探测新技术与方法。
主要研究内容：（1）离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制。
（2）强离子辐照损伤水平条件下，材料结构演变新现象以及强辐照损伤引起材料结构和性能演化的机理。
（3）不同载能离子/粒子辐照损伤的等价关系，环境因素（如温度、磁场、电场等）对辐照损伤效应的影响。
01第1章-电子束与物质互作用
材料电子显微分析物理科学与工程技术学院洪瑞江博士教授中山大学物理科学与工程技术学院太阳能系统研究所《材料电子显微分析材料电子显微分析》》第1章：电子束与物质相互作用物理科学与工程技术学院粒子与材料相互作用产生二次信息汇总物理科学与工程技术学院本章主要内容1. 认识散射作用①弹性散射非弹性散射物理科学与工程技术学院②2. 了解电子束与样品的相互作用3. 掌握各种信息的特性及其应用电子与材料的相互作用效应材料对入射电子的散射 入射电子对材料的激发物理科学与工程技术学院被激发粒子在材料中的传播一. 物质对入射电子的散射1.1 1.1 电子束来源及主要参数电子束来源及主要参数电子枪：①阴极（灯丝）W 丝/LaB 6, 发射电子-102~3灯丝聚焦罩阳极物理科学与工程技术学院②聚焦罩10~-10伏控制电子束质量聚焦③阳极：正高压加速e电子参数：束斑直径D ：50 Å～1μm电流：10－12～10－6A球面发散度：Sr =束斑面积/距离2≈0.5(10-2rad)1．电子的波动性粒子的波长与其具有的质量和运动速度有关：λ=h/λ=h/mv mv电子波是物质波的一种电子波是物质波的一种。
高速运动的电子所具有的动能是由电场提供的：1/2mv 2=eV 1.2 1.2 电子性质电子性质物理科学与工程技术学院由上两式可得出电子具有的波长应为：其中：其中：h=h=66.6262××10-34焦耳焦耳··秒e=e=11.6060××10-19库仑m=m=99.1111××10-31千克千克((电子的静止质量电子的静止质量))VemV h 25.122==λ•在电子显微镜中在电子显微镜中，，电子的加速电压很高电子的加速电压很高，，电子速度很大速度很大，，接近光速接近光速。
此时需考虑运动速度对粒子质量的影响粒子质量的影响．．根据相对性原理而得到电子波的波长表达式为：物理科学与工程技术学院)109788.01(25.126V V -⨯+=λ加速电压与电子波长加速电压（kV ）电子波长（A ）加速电压（kV ）电子波长（A ）250.076 0.076 2002000.02550物理科学与工程技术学院50 0.0545000.01475 75 0.043 0.043 1000 1000 0.00870.00871000.03730000.0036一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当电子的运动方向被改变，称为散射。
带电粒子与物质相互作用
带电粒子穿过靶物质时，与路径上靶物质的原子核及核外电子发生相互作用，随着入射粒子种类和能量的不同，各种相互作用的强度和特征也不相同，最终决定了入射带电粒子在靶物质中的能量损失与射程分布等。
带电粒子与物质相互作用的特征带电粒子在物质中的慢化过程具有一定能量的带电粒子（如质子，α粒子，电子等）入射到靶物质中时，带电粒子与其路径上靶物质的原子核或电子会发生库伦相互作用，从而把一部分动能转移给靶物质的电子或原子核而逐渐损失能量，最终停止在靶物质中，这个过程称为慢化过程。
快速带电粒子与靶物质中电子的库伦相互作用在慢化过程中起主要作用。
对重带电粒子来说，由于电子的质量非常小，在和电子的每次碰撞中，转移给电子的能量只占其本身能量的很少一部分。
重带电粒子在每次碰撞后的运动状态可以认为没有改变。
所以重带电粒子穿过靶物质时，要与靶物质中的电子连续地发生许多次这样的小能量转移碰撞，才逐渐损失掉它的能量。
重带电粒子经过多次碰撞而不断损失能量，当速度减少到一定程度时，就会与靶物质发生电荷交换效应。
原来高速运动的重带电粒子的外层电子是全部剥离的，随着速度的降低而会俘获靶物质中的电子，从而使自身所带的有效正电荷数逐渐减少。
如果靶物质足够厚，则经过许多次碰撞后，重入射带电粒子的能量会全部耗尽，并俘获电子成为中性原子，停止在靶物质中。
重带电粒子被阻止在靶物质中所需的时间与它的能量及靶物质的性质有关。
对能量在MeV量级的α粒子和质子，整个慢化过程在气体物质中约为9-10秒。
10秒，在固体物质中约为21-高速重带电粒子（如α粒子）与靶原子核的库伦碰撞造成的能量损失，和与靶原子的电子的碰撞造成的能量损失相比可以忽略不计，只有在重带电粒子速度非常低时才显得重要。
但对于快速电子，它与靶原子核的碰撞对能量损失和角度偏移则有较大的影响。
入射电子与靶物质中电子的单次碰撞也可能损失较多的能量。
总之，慢化过程中带电粒子在靶物质中的能量损失和角度偏转，完全是入射带电粒子与靶物质中的电子和原子核发生各种相互作用的结果，主要有下列四种碰撞过程：①带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞；②带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞；③带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞；④带电粒子与靶原子的核外电子发生弹性碰撞；在所讨论的能量范围内，入射粒子与原子核发生核反应的概率非常小，可以不予考虑。
粒子与物质相互作用
dE dx 大，表明这种粒子在该物质中的电离本领大，
2015-3-23
粒子探测
5
Bethe-Bloch formula
Energy transfer: I dE Tmax , I: mean excitation potential I~I0Z, I0=10eV 2015-3-23 粒子探测 Relativistic rise: ln 2 term Relativistic rise cancelled at high by “density effect”. Parametrized by Fermi plateau
入射粒子一次通过相互作用次数很少时，能损分布满足郎道分布
4 /(1 2 ) 0.074x
2015-3-23 粒子探测 11
例： 50MeV的质子，速度~1/3， 4 /(1 2 ) 1/ 80 在通过1g.cm-2闪烁体时，电离损失基本呈泊松分布。 而1GeV的子通过10g.cm-2闪烁体时，电离损失则是 郎道分布。此时 4 /(1 2 ) 100
j=0.2，ξ=(K/2)z2(Z/A)(x/β2)MeV，x单位g/cm2 能损分布中对应最大概率处的能损
薄层吸收体中能量损失的分布
2015-3-23 粒子探测 10
电子
入射带电粒子与介质相互作用能量损失过程中因碰撞而击出能量很高 的电子，它可以继续与其他介质原子相互作用产生次级电离。 δ电子产生的概率很小，其能谱表达式
粒子探测 3
2015-3-23
激发过程： q atom atom q atom 退激发原子放出低能荧光光子
电离过程：产生电子-离子对。入射粒子动量 p mv m0 c 洛仑兹因子 E / m c2
2.粒子束与物质相互作用和粒子的探测
第二章 粒子束与物质相互作用和粒子的探测前一章描述粒子束，其中有光子束、电子束，μ子束和各种介子束。
还有质子，α粒子和各种被加速的重离子束。
人们利用各种粒子束做为研究亚原子的探针，它们和亚原子粒子碰撞，形成末态的各种粒子携带着亚原子内部结构以及亚原子之间相互作用的信息。
为了记录和辨认这些末态粒子，了解它们的行为，必须借助于各种各样的粒子探测器。
各种探测器的原理是基于对粒子与物质相互作用产生的各种物理或化学效应的观测。
例如带电粒子在感光胶片引起的电离效应，进而导致胶片的“感光”。
借助于胶片Becquerel 首先发现了神秘的放射性。
随后各种各样的乳胶片成为亚原子物理实验中的一种重要的探测器。
带电粒子使验电器箔电极附近空气电离导致验电器的充电。
M.Curie 借助于象限静电计发现了比铀具有更强放射性的钋和镭。
本章首先介绍各种粒子束与物质相互作用，在这基础上介绍一些重要的粒子探测器和探测器谱仪。
§2.1 粒子与物质相互作用2.1.1 带电粒子的比电离损失电荷为ze ，质量为M 的粒子以速度V 通过介质),(A Z (分别为介质原子的原子序数和质量数)。
粒子与介质中的电子(每克物质含的电子数为AZN avo )发生库仑碰撞，并将部分动能传递给核外电子，介质原子被电离或者激发。
入射的带电粒子损失部分能量。
1． 重带电粒子(质量比电子质量大得多的带电粒子)的比电离损失用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：⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−22ln 21122max 22222δβγββI T c m A Z kz dx dE e (2.1))/(/2cm g MeV dx dE ⋅称为带电粒子的比电离损失(粒子在单位质量厚度的介质中损失的能量)其前面的负号表示粒子的能量不断减小。
224c m r N k e e avo π=，是由普适常数阿佛加德罗常数avo N ，电子的经典半径e r ，电子的质量e m 组成，其数值 )(30705.02cm mol MeV k ⋅⋅=；V cβ=是入射带电粒子的相对论速度，212)1(−−=βγ为粒子的洛仑兹因子。
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第三章 粒子（束）与材料的相互作用教学目的：1、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用；2、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；3、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法。
教学重点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法；3、其它的测试方法。
教学难点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号。
第一节 电子束与材料的相互作用入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用包括： （1）入射电子的散射； （2）入射电子对固体的激发； （3）受激发粒子在固体中的传播。
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。
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∆E max =2.17×10−3E 0A sin2θ 3-1散射角（2θ）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。
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 c E h hνλ∆== 3-2式中，h 是普朗克常数，c 是光速，ν及λ分别是X 射线的频率与波长。
此X 射为连续X 射线，没有特征性。
当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生显著变化，这种过程称为非弹性散射。
在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量传递给原子，引起原子部结构的变化，产生各种激发现象。
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。
电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。
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。
3. 散射截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2θ=ZeVr n 或r n=ZeV(2θ)3-3πrn 2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2θ=eVr e 或r e=eV(2θ)3-4πre 2为核外电子的非弹性散射截面，用σe表示。
对一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为σn，非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Zσe，则σn/Zσe=Z 3-5因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。
4. 电子吸收由于库伦相互作用，入射电子在固体中的散射比X射线强得多，同样固体对电子的“吸收”比X射线吸收快得多。
随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体吸收（束缚）。
电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。
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）。
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图3-1 入射电子束与固体作用产生的发射现象为背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。
被IR散射电子主要由两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子。
背散射电子的最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半。
Is表示二次电子流，它包括入射电子从固体中直接击出的原子核外电子和激发态原子退回基态（退激发）时产生的电子发射（如俄歇电子）。
前者为（真）二次电子，它们的能量较低，强度按能量连续分布；后者为特征二次电子，它们的能量取决于原子本身的电子结构，取一些分立的能量值。
当背散射电子返回到样品表面层，并具有足够的能量连续产生电子激发时，对二次电子发射也有贡献。
Ix表示电子激发诱导的X射线辐射强度。
在入射电子发生非弹性碰撞过程中，x射线通过两种截然不同的过程产生。
①入射电子在原子实（原子核和束缚电子，即失去价电子的正离子）的库仑场中减速，产生能量连续的X射线，其能量从0延伸到入射电子能量值。
②当电子激发使原子层电离，外层电子跳到层填充空穴，这个跃迁过程伴随能量的变化，原子以发射特征x射线或一个俄歇电子的形式释放能量。
I表示表面元素发射的总强度。
尽管在材料分析中入射电子的能量不足以把E固体原子直接击出，但电子能量可能引起一些固体的表面原子电离，使表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分解。
电子束可引起部分氧化物、多数氟化物和几乎所有的有机物的辐照分解。
为样品吸收电流。
入射电子在固体中传播时，能量逐渐减小，最后会失去IA全部动能，被样品“吸收”。
为透射电子流。
当样品的厚度小于入射电子的平均穿入深度使，一部分入AT射电子穿过样品，在样品的背面被接受或检测。
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 e表示。
非弹性散射平均自由程是反映电子与固体相互作用的一个重要物理量，它与材料的组成、结构以及入射电子的能量有关。
图3-2 电子非弹性散射平均自由程和信息深度入射电子产生的各种信息的深度和广度围(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)3. 电子能谱图3-3 电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）（1）能谱的低能端隆起的峰由真二次电子（能量小于或等于50ev）构成。
用扫描电子显微镜做表面形貌观测时就是收集这部分电子并用来成像。
（2）在中间平滑背底上叠加着一些小峰，它们对应俄歇电子峰或入射电子的特征能量损失峰。
前者对应俄歇电子能谱（AES），后者则构成电子能量损失谱（EELS），它们是常规的表面分析方法。
能谱中能量等于入射能量的电子是弹性背散射电子。
当入射电子照射晶体样品时，由于电子的波动性，受不同原子弹性散射电子之间的干涉产生的衍射现象是材料电子衍射分析方法的基础。
电子衍射分为低能电子衍射（LEED）、发射式高能电子衍射（RHEED）和透射电子衍射（TEM）。
三、电子激发产生的其它现象1.等离子体振荡当入射电子通过金属晶体时，入射电子轨迹周围的电中性被破坏，迫使电子云背离入射电子轨迹径向运动，结果在入射电子轨迹近旁形成正电荷区域，而在较远处形成负电荷区域。
入射电子通过后，电子云受到正电荷的吸引，试图恢复电中性状态。
当电子云径向扩散运动超过平衡位置时，就形成连续的往复运动，造成电子云的集体振荡，称为等离子体振荡。
伴随着等离子体振荡的激发，入射电子损失能量。
由于等离子体振荡的能量是量子化的，取一定的特征值。
因此，在等离子体振荡激发过程中，入射电子的能量损失也具有一定的特征值，并随样品成分的不同而异。
2.电声效应在固体中电子能量损失的40%~80%最终转化为热。
在实际工作中，入射电子束采用扫描工作模式，样品的温升并不严重。
当用周期性脉冲电子束照射样品时，样品中会产生周期性衰减声波（晶格振动），这种现象称为电声效应。
用压电器件和成像技术可将电声效应信息用于成像。
3.电子感生电导电子在半导体中的非弹性散射产生电子-空穴对。
通过外加电压（电场）可以分离正负电荷，产生附加电导，称为电子感生电导（ENIC）；而p-n结对这些自由载流子的收集作用可以产生附加电动势，称为电子感生伏特。
载流子可以在整个样品中扩散，其中少数载流子的浓度随扩散距离x指数衰减[n e-x/L，L是扩散长度]。
利用这种效应可以测量少数载流子的扩散长度和寿命。
4.阴极荧光在本征和搀杂半导体中，电子-空穴可以通过杂质原子能级复合发光，即所谓阴极荧光（CL）。
阴极荧光同样可以在一些有机荧光化合物中产生。
对于不同种类固体，产生阴极荧光的物理过程不同，而且对杂质和缺陷的特征十分敏感。
因此，阴极荧光是检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质或缺陷的分布。
第二节离子束与材料的相互作用一、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. 弹性散射离子弹性散射的两大特点：①散射几率正比于Z l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。
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。
与离子的种类、能量以及样品的成分有关。
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（N s）与入射离子数目（N0）的比值Y=N/N0 3-6s2. 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）。