确定晶格振动谱实验方法

三轴中子谱仪结构示意图(P117-图3-15)
单色器
中子源
2θ
准 直 器 准直器 样品 分析器
ф
θ′
探测器
三轴中子谱仪的优点与局限
优点：
目前这种方法是确定格波的 q , 的最有利条件： 中子能量：0.02ev~0.04ev(声子数量级）; 中子德布洛依波长ħ/mv约2-3×10-8cm（晶格 常数的数量级）;
由于中子仅仅能和原子核之间有强的相互作 用，故中子流可以毫无困难地穿过晶体。
设想入射中子流动量： P
出射中子流动量： P
EP 能量： 2M n E P 能量： 2M n
2
2
当中子流穿过晶体时，格波振动可以引起中子的非 弹性散射，这种非弹性散射可以看成是吸收或发射声子 的过程。散射过程要满足能量守恒和准动量守恒。
反斯托克斯散射 ω′散> ω入
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X射线散射
• 与前面类似，
优点：测定范围可遍及整个布里渊区：
（X射线波矢 K 与同 G n 数量级）
缺点：X射线能量约为1~104ev>>声子能量（~10-2ev); 故利用能量守恒关系确定声子能量很困难。
§3-6确定晶格振动谱的实验方法
• 描述晶格振动有两种方式：
– 格波色散关系曲线(晶格振动谱)； --------ω(q) – 晶格振动模式密度(频率分布函数); --------g(ω)(§3-9)
• 确定晶格振动谱的实验方法：
– 中子非弹性散射； – X射线散射； – 光的散射；
中子非弹性散射实验原理
光散射分类
分为两类：
(1)光波与声学波相互作用：称布里渊散射； (2)光波与光学波相互作用：称喇曼散射。 喇曼散射又分为两类： 斯托克斯散射：ω′散< ω入 反斯托克斯散射：ω′散> ω入
喇曼散射图示（P118图3-16）
ω′散 ω入 ω入
ω′散
(q )
斯托克斯散射 ω′散< ω入
(q )
光散射实验原理
• 因此，同中子散射相同，只要固定入射 光，而测不同方向的散射光的频率，就 可以得到声子的频率和波矢。 局限：
可见光的范围内： k ~105cm-1数量级；
因此要求 q ~105cm-1数量级，这样就只有在布里渊区 中心附近很小的区域内的声子才能满足要求，故只能 测定长波附近很小一部分的声子。
局限：
有些元素的原子核对中子有很大的俘获截面， 而无法获得其中子的散射谱，如固态氦－Ⅲ， 氦－Ⅲ的原子核对中子就有很大的俘获截面， 而形成氦－Ⅳ，因而无法获得它的中子散射谱。
光散射实验原理
光也会与格波相互作用，称为光散射 过程，散射过程也满足能量守恒和准动量 守恒。对于一级谱（单声子过程）有：
(q ) k k q Gn k , 代表入射光的波失与能量; k , 代表散射光的波矢与能量.
中子非弹性散射实验原理
能量守恒：
P 2 P2 ( q ) 2M n 2M n
准动量守恒： P P q Gn
验手段测定出射中子流的动量 P 和能量E′，就可以计算出 格波的 q 和ħω( q )。
典型实验设备：三轴中子谱仪
可见：固定入射中子流的动量 P 和能量E，利用实