確定晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法教程文件

1、第第 五五 節(jié)節(jié)確定確定(qudng)晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方晶格振動(dòng)譜的實(shí)驗(yàn)方法法本節(jié)主要本節(jié)主要(zhyo)(zhyo)內(nèi)內(nèi)容容: :3.5.1 3.5.1 中子中子(zhngz)(zhngz)的非彈性散射的非彈性散射3.5.2 3.5.2 光的散射和光的散射和X X射線散射射線散射第一頁(yè)，共23頁(yè)。3.5 晶格振動(dòng)(zhndng)譜的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法主要有中子實(shí)驗(yàn)方法主要有中子(zhngz)(zhngz)的非彈性散射、光子散射。的非彈性散射、光子散射。 晶格振動(dòng)的頻率晶格振動(dòng)的頻率 與波矢與波矢 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 稱為格波的稱為格波的色散色散關(guān)系關(guān)系，也稱為，也稱為晶格振動(dòng)譜晶格振動(dòng)譜。q

2、)(q 第二頁(yè)，共23頁(yè)。3.5.1 光子(gungz)散射1.光在散射(snsh)第三頁(yè)，共23頁(yè)。第四頁(yè)，共23頁(yè)。光折變效應(yīng)光折變效應(yīng)(xioyng)(xioyng)也是格波與光波相互作用的例子。也是格波與光波相互作用的例子。光折變效應(yīng)光折變效應(yīng)(xioyng)(xioyng)是指光致折射率改變的效應(yīng)是指光致折射率改變的效應(yīng)(xioyng)(xioyng)。第五頁(yè)，共23頁(yè)。kqk散射過(guò)程滿足能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量(dngling)守恒。光子光子(gungz)(gungz)與晶與晶體中聲子的相互作用體中聲子的相互作用光子光子(gungz)(gungz)與與晶體的相互作晶體的相互作用用光子吸收或

3、發(fā)射聲子光子吸收或發(fā)射聲子非彈性散射非彈性散射格波與光波相互作用、相互交換能量的過(guò)程，可以理解為光子與聲子的碰撞過(guò)程，碰撞的結(jié)果，導(dǎo)致光子的散射。對(duì)于吸收聲子過(guò)程：對(duì)于發(fā)射聲子過(guò)程：kkq第六頁(yè)，共23頁(yè)。和和 代表入射光的波矢和能量，代表入射光的波矢和能量，k和和 代表出射光的波矢和能量。代表出射光的波矢和能量。k kkq “+”表示吸收表示吸收(xshu)一個(gè)聲子一個(gè)聲子“-”表示表示(biosh)發(fā)射一個(gè)聲子發(fā)射一個(gè)聲子| |kkq當(dāng)入射光的頻率當(dāng)入射光的頻率和波矢和波矢k一定，在不同方向上（一定，在不同方向上（k的方向上）的方向上）測(cè)得散射光子的頻率測(cè)得散射光子的頻率，由，由 和和算出

4、聲子頻率算出聲子頻率，再由，再由k和和k算出聲子波矢算出聲子波矢q, 即可求出晶格即可求出晶格(jn )振動(dòng)頻譜。振動(dòng)頻譜。第七頁(yè)，共23頁(yè)。(1)(1)布里淵散射：光子布里淵散射：光子(gungz)(gungz)與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互作與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互作用；用；(2)(2)拉曼散射：光子拉曼散射：光子(gungz)(gungz)與光學(xué)波聲子的相互作用；與光學(xué)波聲子的相互作用；拉曼效應(yīng)（拉曼效應(yīng)（Raman效應(yīng)），也稱拉曼散射，光子的非彈性散射效應(yīng)），也稱拉曼散射，光子的非彈性散射現(xiàn)象，現(xiàn)象，1928年由印度物理學(xué)家錢德拉塞卡拉年由印度物理學(xué)家錢德拉塞卡拉拉曼發(fā)現(xiàn)，指光波拉曼發(fā)現(xiàn)，指光波在被

5、散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。在被散射后頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)光線從一個(gè)原子或分子散射出來(lái)時(shí)，絕大多數(shù)的光子，都是當(dāng)光線從一個(gè)原子或分子散射出來(lái)時(shí)，絕大多數(shù)的光子，都是彈性散射的，這稱為瑞利散射。在瑞利散射下，散射出來(lái)的光彈性散射的，這稱為瑞利散射。在瑞利散射下，散射出來(lái)的光子，跟射入時(shí)的光子，它的能量、頻率與波長(zhǎng)是相同的。然而子，跟射入時(shí)的光子，它的能量、頻率與波長(zhǎng)是相同的。然而，有一小部份散射的光子（大約是一千萬(wàn)個(gè)光子中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)，有一小部份散射的光子（大約是一千萬(wàn)個(gè)光子中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)），散射后的頻率會(huì)產(chǎn)生），散射后的頻率會(huì)產(chǎn)生(chnshng)變化，通常是低于射入變化，通常是低于射入時(shí)的光子頻

6、率，原因是入射光子和介質(zhì)分子之間發(fā)生能量交換時(shí)的光子頻率，原因是入射光子和介質(zhì)分子之間發(fā)生能量交換。這即是拉曼散射。這即是拉曼散射。第八頁(yè)，共23頁(yè)。斯托克斯散射斯托克斯散射(snsh)(snsh)：散射：散射(snsh)(snsh)頻率低于入射頻率的散頻率低于入射頻率的散射射(snsh)(snsh)；反斯托克斯散射反斯托克斯散射(snsh)(snsh)：散射：散射(snsh)(snsh)頻率高于入射頻率頻率高于入射頻率的散射的散射(snsh)(snsh)。第九頁(yè)，共23頁(yè)。(1)(1)布里淵散射：光子布里淵散射：光子(gungz)(gungz)與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互與長(zhǎng)聲學(xué)波聲子的相互作用；作

7、用；長(zhǎng)聲學(xué)長(zhǎng)聲學(xué)(shngxu)(shngxu)波聲子波聲子, ,q q0,0,qq| |kkq由，kk =,ckn kkq2 sin2qkk測(cè)出一系列的測(cè)出一系列的，可以求出，可以求出q,q,從而得到從而得到(d do)(d do)與與q q的關(guān)系曲的關(guān)系曲線線第十頁(yè)，共23頁(yè)。(2)(2)拉曼散射：光子拉曼散射：光子(gungz)(gungz)與光學(xué)波聲子的相互作用；與光學(xué)波聲子的相互作用；拉曼散射中所用拉曼散射中所用(su yn)(su yn)的紅外光的波長(zhǎng)在的紅外光的波長(zhǎng)在10-3-10-6m10-3-10-6m的范圍，的范圍，與紅外光相互作用的格波的波長(zhǎng)也應(yīng)該是同數(shù)量級(jí)的。與紅外光相

8、互作用的格波的波長(zhǎng)也應(yīng)該是同數(shù)量級(jí)的。因此，拉曼散射因此，拉曼散射(snsh)(snsh)是光子與長(zhǎng)光學(xué)波聲子的相互作用。是光子與長(zhǎng)光學(xué)波聲子的相互作用。這個(gè)波長(zhǎng)范圍的格波是屬于長(zhǎng)光學(xué)波。這個(gè)波長(zhǎng)范圍的格波是屬于長(zhǎng)光學(xué)波。第十一頁(yè)，共23頁(yè)。第十二頁(yè)，共23頁(yè)。第十三頁(yè)，共23頁(yè)。2.X-射線(shxin)散射X光光子能量光光子能量-10104 4eVeV聲子聲子能量能量-10102 2eVeV能量變化很少，不易測(cè)量。能量變化很少，不易測(cè)量。為了(wi le)能測(cè)出更大波矢范圍內(nèi)的振動(dòng)譜，就得采用更大波矢的光子X(jué)光的波長(zhǎng)范圍為10-7-10-11m，可以(ky)用來(lái)測(cè)定相當(dāng)大波矢量范圍內(nèi)的振動(dòng)

9、譜。當(dāng)這時(shí)候，不滿足q q0 0，2 sin2qkk不再適用| |kkq由來(lái)求然而，中子散射中子散射的實(shí)驗(yàn)方法能夠克服的實(shí)驗(yàn)方法能夠克服X X光散射的這一困難。光散射的這一困難。第十四頁(yè)，共23頁(yè)。3.5.1 中子(zhngz)的非彈性散射1.原理(yunl)散射(snsh)過(guò)程滿足能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒。中子與晶體中聲子中子與晶體中聲子的相互作用的相互作用中子與晶體的中子與晶體的相互作用相互作用中子吸收或發(fā)射聲子中子吸收或發(fā)射聲子非彈性散射非彈性散射中子散射的特點(diǎn)只與原子核發(fā)生作用探測(cè)要求高第十五頁(yè)，共23頁(yè)。入射中子流：入射中子流：從晶體從晶體(jngt)(jngt)中出射的中子流：中出射的

10、中子流：)q(MPMPnn 2222hKqPP 為中子為中子(zhngz)(zhngz)質(zhì)量質(zhì)量由能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量由能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量(dngling)(dngling)守恒得：守恒得：動(dòng)量為動(dòng)量為p能量為能量為nMPE22 p nMPE22 動(dòng)量為動(dòng)量為能量為能量為“+ +”表示吸收一個(gè)聲子表示吸收一個(gè)聲子“- -”表示發(fā)射一個(gè)聲子表示發(fā)射一個(gè)聲子第十六頁(yè)，共23頁(yè)。)q(MPMPnn 2222hPPqK Kh=0稱為(chn wi)正常散射過(guò)程Kh0稱為(chn wi)倒逆散射過(guò)程PqPPqPPqPhPqKPhK可見(jiàn)，倒逆散射可見(jiàn)，倒逆散射(snsh)對(duì)應(yīng)較大對(duì)應(yīng)較大的的P和和P另外，另外，

11、P和和P的夾角，即散射角也較的夾角，即散射角也較大大第十七頁(yè)，共23頁(yè)。測(cè)出不同散射方向上的動(dòng)量測(cè)出不同散射方向上的動(dòng)量 ， nMPE22 p )(q pnMPE22 固定入射中子流的動(dòng)量固定入射中子流的動(dòng)量 ， ； 中子源中子源單色器單色器準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器樣品樣品分析器分析器探測(cè)器探測(cè)器2 2 中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)堆中產(chǎn)生反應(yīng)堆中產(chǎn)生的慢中子流的慢中子流布拉格反射產(chǎn)生單色布拉格反射產(chǎn)生單色的動(dòng)量為的動(dòng)量為P的中子的中子布拉格反射產(chǎn)生單色布拉格反射產(chǎn)生單色的動(dòng)量為的動(dòng)量為P的中子的中子2.儀器(yq)q(MPMPnn 2222hPPqK 第十八頁(yè)，共23頁(yè)。中子源中

12、子源單色器單色器準(zhǔn)準(zhǔn)直直器器準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器樣品樣品分析器分析器探測(cè)器探測(cè)器2 2 中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)堆中產(chǎn)生反應(yīng)堆中產(chǎn)生的慢中子流的慢中子流布拉格反射產(chǎn)生單色布拉格反射產(chǎn)生單色的動(dòng)量為的動(dòng)量為P的中子的中子布拉格反射產(chǎn)生單色布拉格反射產(chǎn)生單色的動(dòng)量為的動(dòng)量為P的中子的中子第十九頁(yè)，共23頁(yè)。第二十頁(yè)，共23頁(yè)。思考題：思考題：在拉曼散射中，光子會(huì)不會(huì)在拉曼散射中，光子會(huì)不會(huì)(b hu)(b hu)發(fā)生倒逆散射發(fā)生倒逆散射？第二十一頁(yè)，共23頁(yè)。小結(jié)小結(jié)(xioji)(xioji)：1 1、簡(jiǎn)正振動(dòng)、簡(jiǎn)正振動(dòng)2 2、聲子的概念、聲子的概念(ginin)(ginin)和意義和意義3 3、晶格振動(dòng)、