固體物理第九章

1、 第九章第九章 固體的表面和界面固體的表面和界面 9.19.1表面原子結(jié)構(gòu)表面原子結(jié)構(gòu)9.1.19.1.1表面二維晶格表面二維晶格9.1.29.1.2二維倒格子二維倒格子9.1.39.1.3伍德符號(hào)伍德符號(hào)9.1.49.1.4低能電子輻射低能電子輻射9.1.59.1.5弛豫、重構(gòu)和偏析弛豫、重構(gòu)和偏析9.19.1表面原子結(jié)構(gòu)表面原子結(jié)構(gòu)123 二維原胞又稱(chēng)二維原胞又稱(chēng)為為元格元格。元格是。元格是一個(gè)平行四邊形，一個(gè)平行四邊形，其相應(yīng)兩條邊線(xiàn)其相應(yīng)兩條邊線(xiàn)對(duì)應(yīng)的矢量為對(duì)應(yīng)的矢量為a a1 1和和a a2 2就是二維點(diǎn)就是二維點(diǎn)陣的基矢陣的基矢表面原子結(jié)構(gòu)具表面原子結(jié)構(gòu)具有二維的有二維的雙周期雙周

2、期性性，需要不共線(xiàn)，需要不共線(xiàn)的兩個(gè)獨(dú)立矢量的兩個(gè)獨(dú)立矢量來(lái)表示它的周期來(lái)表示它的周期性。二維布拉維性。二維布拉維點(diǎn)陣，又稱(chēng)二維點(diǎn)陣，又稱(chēng)二維布拉維格子。布拉維格子。9.1.19.1.1表面二維晶格表面二維晶格二維點(diǎn)陣中任一格點(diǎn)的格矢：二維點(diǎn)陣中任一格點(diǎn)的格矢： T=n1a1+n2a2 b b1 1=2=2（a a2 2n n）/A/A b b2 2=2=2（n na a1 1）/A/AA=|aA=|a1 1a a2 2| |為二維元格面積為二維元格面積n n是垂直于二維平面的單位矢量但無(wú)量綱是垂直于二維平面的單位矢量但無(wú)量綱9.1.29.1.2二維倒格子二維倒格子 二維倒格子就是由二維倒格矢

3、二維倒格子就是由二維倒格矢 Kh=hKh=h1 1b b1 1+h+h2 2b b2 2形成的倒格點(diǎn)的陣列。形成的倒格點(diǎn)的陣列。 ai ai與與bjbj滿(mǎn)足滿(mǎn)足a ai ibbj j=2=2ijij（i i，j=1j=1、2 2） 22131( 23)(21)22baeeeAa2222( 31)23beaeAa12 1ae13221222aaee例如：例如：CuCu9.1.39.1.3伍德符號(hào)伍德符號(hào) 用來(lái)描述實(shí)際晶體表面的二維結(jié)構(gòu)，用來(lái)描述實(shí)際晶體表面的二維結(jié)構(gòu)，這種描述的前提是假定表面原子與塊這種描述的前提是假定表面原子與塊體中原子處于相同點(diǎn)陣中不同的格點(diǎn)體中原子處于相同點(diǎn)陣中不同的格點(diǎn)9

4、.1.3 9.1.3 伍伍 德德 符符 號(hào)號(hào) 表示該表面所在表示該表面所在 晶面的米勒指數(shù)晶面的米勒指數(shù)asas1 1與與a a1 1之間的夾之間的夾角角p p和和q q分別為表面實(shí)際分別為表面實(shí)際的二維晶格基矢的二維晶格基矢asas1 1=pa=pa1 1，asas2 2=pa=pa2 2輸入文本形成表面晶格形成表面晶格吸附物質(zhì)的化吸附物質(zhì)的化學(xué)符號(hào)。學(xué)符號(hào)。R ( h k l ） p q - D表示基底材料表示基底材料晶體的化學(xué)符晶體的化學(xué)符號(hào)號(hào)0012245NiS00122N iCS9.1.49.1.4低能電子衍射低能電子衍射 低能電子衍射簡(jiǎn)稱(chēng)低能電子衍射簡(jiǎn)稱(chēng)LEED,LEED,是一種用

5、是一種用低能量電子束測(cè)定晶體表面原子結(jié)構(gòu)、低能量電子束測(cè)定晶體表面原子結(jié)構(gòu)、研究單晶表面層原子排列的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。研究單晶表面層原子排列的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。如今，如今，LEEDLEED成為表面實(shí)驗(yàn)研究的標(biāo)準(zhǔn)手段。成為表面實(shí)驗(yàn)研究的標(biāo)準(zhǔn)手段。7070年代開(kāi)始，對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。年代開(kāi)始，對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。 5050年代，人們開(kāi)始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。年代，人們開(kāi)始研究氣體在單晶表面的吸附現(xiàn)象。3030年代后，人們開(kāi)始了低能電子衍射方面的研究年代后，人們開(kāi)始了低能電子衍射方面的研究1921921年年 Davisson Davisson 和和GermerGermer研究了電子束在單晶表面的散射現(xiàn)象研

6、究了電子束在單晶表面的散射現(xiàn)象。 發(fā)發(fā) 展展 低能電子衍射測(cè)量步驟低能電子衍射測(cè)量步驟 把單一低能量的把單一低能量的(E=5ev(E=5ev 500ev)500ev)電子束，電子束，以接近于垂直的方向投射到具有完整晶格結(jié)構(gòu)以接近于垂直的方向投射到具有完整晶格結(jié)構(gòu)的晶體清潔表面上的晶體清潔表面上 一部分電子以相干散射的形式反射到一部分電子以相干散射的形式反射到真空中，形成的衍射束真空中，形成的衍射束衍射束進(jìn)入可移動(dòng)的接收器，再進(jìn)行衍射束進(jìn)入可移動(dòng)的接收器，再進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，或者再被加速至熒光屏，強(qiáng)度測(cè)量，或者再被加速至熒光屏，給出可觀(guān)察的衍射圖像。給出可觀(guān)察的衍射圖像。 低能電子衍射實(shí)驗(yàn)裝置圖低能

7、電子衍射實(shí)驗(yàn)裝置圖 低能衍射基本裝置低能衍射基本裝置 基本結(jié)構(gòu)圖：衍射電子可用兩種不同的接收器來(lái)探測(cè)，基本結(jié)構(gòu)圖：衍射電子可用兩種不同的接收器來(lái)探測(cè)，一種用法拉第接收器，另一種用屏幕顯示。一種用法拉第接收器，另一種用屏幕顯示。表面結(jié)晶學(xué)及微觀(guān)結(jié)構(gòu)；表面結(jié)晶學(xué)及微觀(guān)結(jié)構(gòu)；1表面相鑒定吸附、偏析、結(jié)構(gòu)重組；表面相鑒定吸附、偏析、結(jié)構(gòu)重組；2表面動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析長(zhǎng)大動(dòng)力表面動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)、熱振動(dòng)；學(xué)、熱振動(dòng)；3確定表面原子位置。確定表面原子位置。4 LEED LEED的基本用途的基本用途 探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法對(duì)比探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法對(duì)比：XRDSEMSTMAFMLEEDXRDXRD原理：原理：

8、讓讓X X射線(xiàn)通過(guò)晶體射線(xiàn)通過(guò)晶體, ,通過(guò)計(jì)算便能提供晶通過(guò)計(jì)算便能提供晶體內(nèi)原子排布的信息。體內(nèi)原子排布的信息。 TiO2 TiO2薄膜的薄膜的XRDXRD圖譜圖譜STMSTM原理：原理： 利用探針以及一維遂穿效應(yīng)和微擾原理利用探針以及一維遂穿效應(yīng)和微擾原理對(duì)表面形貌分析。對(duì)表面形貌分析。SEMSEM原理：原理： 用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，圖像為立用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，圖像為立體形象。顯示微形貌、孔隙大小、晶界和團(tuán)體形象。顯示微形貌、孔隙大小、晶界和團(tuán)聚程度等。聚程度等。AFM原理：原理： 由顯微探針受力的大小就可以直接換算出由顯微探針受力的大小就可以直接換算出樣品表面的高度，從而

9、獲得樣品表面形貌的信樣品表面的高度，從而獲得樣品表面形貌的信息。無(wú)法精確測(cè)定表面二維結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)。息。無(wú)法精確測(cè)定表面二維結(jié)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)。伍德符號(hào)的書(shū)伍德符號(hào)的書(shū)寫(xiě)寫(xiě)LEEDLEED的測(cè)試方法的測(cè)試方法以及其與其他探測(cè)以及其與其他探測(cè)方法的比較方法的比較 由于固體表面上原子配位數(shù)減少，所以由于固體表面上原子配位數(shù)減少，所以處于表面上的原子缺少相鄰的原子，會(huì)失去處于表面上的原子缺少相鄰的原子，會(huì)失去三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)下原子之間作用力的平衡。這三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)下原子之間作用力的平衡。這樣，那些處于表面上的原子，必然要發(fā)生樣，那些處于表面上的原子，必然要發(fā)生馳馳豫豫，以尋求新的平衡位置，因而會(huì)發(fā)生，以尋求新

10、的平衡位置，因而會(huì)發(fā)生重構(gòu)重構(gòu)以降低表面的能量。以降低表面的能量。9.1.59.1.5弛豫、重構(gòu)和偏析弛豫、重構(gòu)和偏析 偏析偏析或或分凝分凝是指合金表面組分與塊是指合金表面組分與塊體不一樣的現(xiàn)象，在表面可能某一組體不一樣的現(xiàn)象，在表面可能某一組分偏富，也可能偏貧。例如含鉻的不分偏富，也可能偏貧。例如含鉻的不銹鋼表面鉻組分偏富，金屬鎳含有微銹鋼表面鉻組分偏富，金屬鎳含有微量銅也富集于表面。量銅也富集于表面。 1. 1. 理想表面理想表面 2. 2. 清潔表面清潔表面（1 1）臺(tái)階表面）臺(tái)階表面（2 2）弛豫表面）弛豫表面（3 3）重構(gòu)表面）重構(gòu)表面（4 4）吸附表面）吸附表面（5 5）偏析表面）

11、偏析表面 3. 3. 實(shí)際表面實(shí)際表面偏離三維周期性結(jié)構(gòu)偏離三維周期性結(jié)構(gòu)表面組分與材料內(nèi)部不同表面組分與材料內(nèi)部不同一一. .固體材料與氣體的界面固體材料與氣體的界面1.1. 理想表面理想表面 這是一種理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，這是一種理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影忽略了晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷的影響，忽略了表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷響，忽略了表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散和熱缺陷等，忽略了外界對(duì)表面的物理化學(xué)作用等。這種等，忽略了外界對(duì)表面的物理化學(xué)作用等。這種理想表面作為半無(wú)限的晶體，體內(nèi)的原子的位置理想表面作為半無(wú)限的晶體，體內(nèi)的原

12、子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來(lái)無(wú)限的晶體完全一樣。及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來(lái)無(wú)限的晶體完全一樣。圖圖2.1.1 理想表面結(jié)構(gòu)示意圖理想表面結(jié)構(gòu)示意圖 d 2. 2. 清潔表面清潔表面 清潔表面是指不存在任何吸附、催化反清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。這種應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。這種清潔表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但周期結(jié)清潔表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但周期結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。構(gòu)可以不同于體內(nèi)。 由于表面排列突然發(fā)生中斷，表面原子由于表面排列突然發(fā)生中斷，表面原子受力受力( (化學(xué)鍵化學(xué)鍵) )情況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大情況發(fā)生變化，總效應(yīng)是增大體系的

13、自由能。體系的自由能。(1)(1)弛豫弛豫圖圖2.1.4 2.1.4 弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 d d0 0d d 由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷， 表面上原子產(chǎn)生的相對(duì)于正常位置的上、下位移，表面上原子產(chǎn)生的相對(duì)于正常位置的上、下位移，稱(chēng)為表面弛豫。稱(chēng)為表面弛豫。（2 2）重構(gòu)）重構(gòu) 重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距則與體內(nèi)相同。體內(nèi)，但垂直方向的層間距則與體內(nèi)相同。圖圖2.1.6 2.1.6 重構(gòu)表面示意圖重構(gòu)表面示意圖 d d0 0d d0 0a as

14、sa aA.A.金屬表面重構(gòu)的類(lèi)型金屬表面重構(gòu)的類(lèi)型 a.a.位移型重構(gòu)位移型重構(gòu) 位移型重構(gòu)并不減少表面的原子數(shù)，但顯著位移型重構(gòu)并不減少表面的原子數(shù)，但顯著地改變表面原子的排列方式。通常，位移型重構(gòu)地改變表面原子的排列方式。通常，位移型重構(gòu)發(fā)生在共價(jià)鍵晶體或有較強(qiáng)共價(jià)成分的混合鍵晶發(fā)生在共價(jià)鍵晶體或有較強(qiáng)共價(jià)成分的混合鍵晶體中。體中。 b.b.缺列型重構(gòu)缺列型重構(gòu) 表面周期性的缺失原子列形成的重表面周期性的缺失原子列形成的重 構(gòu)。具有面心立方結(jié)構(gòu)的構(gòu)。具有面心立方結(jié)構(gòu)的IrIr、PtPt、AuAu等晶體，它們的（等晶體，它們的（110110）表面每隔一列）表面每隔一列原子失去一列原子，形成

15、（原子失去一列原子，形成（1 12 2）重構(gòu)現(xiàn)）重構(gòu)現(xiàn)象。象。B.B.硅（硅（111111）-7-77 7重構(gòu)重構(gòu) 半導(dǎo)體的化學(xué)鍵具有高度的方向性，半導(dǎo)體的化學(xué)鍵具有高度的方向性，產(chǎn)生某個(gè)表面必然要切斷原來(lái)穿過(guò)該晶面產(chǎn)生某個(gè)表面必然要切斷原來(lái)穿過(guò)該晶面的化學(xué)鍵，使它們變成懸掛鍵，為盡可能的化學(xué)鍵，使它們變成懸掛鍵，為盡可能減少表面懸掛鍵的數(shù)目，半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)減少表面懸掛鍵的數(shù)目，半導(dǎo)體表面會(huì)發(fā)生重構(gòu)。生重構(gòu)。 （3 3）偏）偏 析析 不論表面進(jìn)行多么嚴(yán)格的清潔處理，總不論表面進(jìn)行多么嚴(yán)格的清潔處理，總有一些雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面上來(lái)，從而使有一些雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面上來(lái)，從而使固體表面組成與體內(nèi)

16、不同，稱(chēng)為表面偏析。固體表面組成與體內(nèi)不同，稱(chēng)為表面偏析。在表面某一組分可能偏富，也可能偏貧。在表面某一組分可能偏富，也可能偏貧。圖圖2.1.8 2.1.8 偏析表面示意圖偏析表面示意圖 3. 3. 實(shí)際表面實(shí)際表面 在材料實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，材料表面是要經(jīng)在材料實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，材料表面是要經(jīng)過(guò)一定過(guò)一定加工處理加工處理( (切割、研磨、拋光等切割、研磨、拋光等) )，材料又，材料又在大氣環(huán)境在大氣環(huán)境( (也可能在低真空或高溫也可能在低真空或高溫) )下使用。材下使用。材料可能是單晶、多晶、非晶體。這類(lèi)材料的表面料可能是單晶、多晶、非晶體。這類(lèi)材料的表面稱(chēng)為實(shí)際表面。稱(chēng)為實(shí)際表面。 實(shí)際表面中主

17、要關(guān)心的是實(shí)際表面中主要關(guān)心的是nm-mnm-m級(jí)范圍內(nèi)原級(jí)范圍內(nèi)原子排列所形成的表面的結(jié)構(gòu)特征，包括材料表面子排列所形成的表面的結(jié)構(gòu)特征，包括材料表面的微結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)( (組織組織) )、化學(xué)成分、形貌、不同形態(tài)、化學(xué)成分、形貌、不同形態(tài)( (形形狀狀) )材料表面的特點(diǎn)。材料表面的特點(diǎn)。弛豫、重構(gòu)、偏析弛豫、重構(gòu)、偏析弛豫、重構(gòu)、偏析弛豫、重構(gòu)、偏析目錄目錄 / / contentscontents9.2.1 9.2.1 奇妙的原子鐘奇妙的原子鐘9.2.9.2.2 2 瑞利波瑞利波 國(guó)際地球自轉(zhuǎn)學(xué)會(huì)近日表示，國(guó)際地球自轉(zhuǎn)學(xué)會(huì)近日表示，2015年將迎年將迎來(lái)史上第來(lái)史上第26次閏秒，時(shí)間在次

18、閏秒，時(shí)間在6月月30日午夜，日午夜，科學(xué)家們將再度給鐘表額外增加科學(xué)家們將再度給鐘表額外增加1秒鐘時(shí)間，秒鐘時(shí)間，屆時(shí)原子鐘將會(huì)在屆時(shí)原子鐘將會(huì)在23點(diǎn)點(diǎn)59分分59秒后停留一秒秒后停留一秒鐘，也就是說(shuō)，鐘，也就是說(shuō)，今年，大家額外多出了今年，大家額外多出了1秒秒鐘時(shí)間鐘時(shí)間 有些小伙伴可能還記得有些小伙伴可能還記得2012年年6月月份，科學(xué)家們也曾增加一秒鐘的份，科學(xué)家們也曾增加一秒鐘的“閏閏秒秒”，當(dāng)時(shí)不少?lài)?guó)外知名網(wǎng)站陷入了，當(dāng)時(shí)不少?lài)?guó)外知名網(wǎng)站陷入了臨時(shí)服務(wù)中斷狀態(tài)。那么，閏秒到臨時(shí)服務(wù)中斷狀態(tài)。那么，閏秒到底是怎么回事呢？現(xiàn)在，讓我們一底是怎么回事呢？現(xiàn)在，讓我們一起走近它。起走近它

19、。 世界時(shí) 地球自轉(zhuǎn)周期的地球自轉(zhuǎn)周期的天文觀(guān)測(cè)為基準(zhǔn)天文觀(guān)測(cè)為基準(zhǔn) 原子時(shí) 后者則以穩(wěn)定的后者則以穩(wěn)定的原子振蕩周期來(lái)原子振蕩周期來(lái)確定確定“秒秒”的長(zhǎng)的長(zhǎng)度度原子時(shí) 由原子鐘導(dǎo)出的時(shí)間叫原子時(shí)，簡(jiǎn)稱(chēng)由原子鐘導(dǎo)出的時(shí)間叫原子時(shí)，簡(jiǎn)稱(chēng) AT。以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振。以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振 蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng) 。原子時(shí)秒：銫原子時(shí)秒：銫原子基態(tài)原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)下躍遷輻射級(jí)間在零磁場(chǎng)下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。周所持續(xù)的時(shí)間。 電磁振蕩電磁振蕩 在電路中，電荷和電流以及與之相在電路中，電荷和電流以及與之

20、相聯(lián)系的電場(chǎng)和磁場(chǎng)周期性地變化，同時(shí)聯(lián)系的電場(chǎng)和磁場(chǎng)周期性地變化，同時(shí)相應(yīng)的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能在儲(chǔ)能元件中不相應(yīng)的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能在儲(chǔ)能元件中不斷轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。斷轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。原子鐘 原子鐘是利用原子吸收或釋放原子鐘是利用原子吸收或釋放 能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的。由能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。原 理 原子是按照不同電子排列順序的原子是按照不同電子排列順序的能量差，來(lái)吸收或釋放電磁能量的。能量差，來(lái)吸收或釋放電磁能量的。這里電磁

21、能量是不連續(xù)的。當(dāng)原子從這里電磁能量是不連續(xù)的。當(dāng)原子從一個(gè)一個(gè)“能量態(tài)能量態(tài)”躍遷至低的躍遷至低的“能量態(tài)能量態(tài)”時(shí)，時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。它便會(huì)釋放電磁波。 這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的，這種電磁波特征頻率是不連續(xù)的， 這也就是人們所說(shuō)的共振頻率。同這也就是人們所說(shuō)的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的。因一種原子的共振頻率是一定的。因此原子便用作一種節(jié)拍器來(lái)保持高此原子便用作一種節(jié)拍器來(lái)保持高度精確的時(shí)間度精確的時(shí)間。 最早的原子鐘之一最早的原子鐘之一 香港天文臺(tái)的銫原子鐘香港天文臺(tái)的銫原子鐘 銣原子鐘銣原子鐘 鐿原子鐘鐿原子鐘 應(yīng)應(yīng) 用用 最初本是由物理學(xué)家創(chuàng)造出來(lái)用于最初本是由物理

22、學(xué)家創(chuàng)造出來(lái)用于 探索宇宙本質(zhì)的探索宇宙本質(zhì)的 可用于調(diào)節(jié)衛(wèi)星的精確軌道、外層可用于調(diào)節(jié)衛(wèi)星的精確軌道、外層 空間的航空和聯(lián)接太空船等空間的航空和聯(lián)接太空船等 它最實(shí)際的應(yīng)用之一是它最實(shí)際的應(yīng)用之一是GPS。精確。精確 的定位必須有非常精確的定時(shí)作保證。的定位必須有非常精確的定時(shí)作保證。閏秒閏秒及其及其成因成因9.2.2 9.2.2 瑞利波瑞利波 有一次大文學(xué)家蘇東坡和妹夫秦少游在湖邊有一次大文學(xué)家蘇東坡和妹夫秦少游在湖邊散步，隨手撿起了一塊小石子兒扔進(jìn)平靜的湖水散步，隨手撿起了一塊小石子兒扔進(jìn)平靜的湖水之中，水中激起一朵小小的浪花，隨后形成一道之中，水中激起一朵小小的浪花，隨后形成一道道的圓

23、形的波紋，一圈圈地不斷擴(kuò)大向四周散去。道的圓形的波紋，一圈圈地不斷擴(kuò)大向四周散去。于是蘇東坡指著這一圈圈的波紋對(duì)秦少游說(shuō)：于是蘇東坡指著這一圈圈的波紋對(duì)秦少游說(shuō)：你知道什么是你知道什么是波波嗎？波乃水之皮也。秦嗎？波乃水之皮也。秦少游說(shuō)：如果說(shuō)少游說(shuō)：如果說(shuō)波波乃水之皮，那么乃水之皮，那么滑滑是不是水的骨頭呢？這么大的一位蘇學(xué)士一時(shí)是不是水的骨頭呢？這么大的一位蘇學(xué)士一時(shí)被問(wèn)的語(yǔ)塞。被問(wèn)的語(yǔ)塞。 暫且不論波是不是水的皮和滑是不暫且不論波是不是水的皮和滑是不是水的骨頭，在自然界確實(shí)存在著那么一種類(lèi)似是水的骨頭，在自然界確實(shí)存在著那么一種類(lèi)似于在液體表面受到擾動(dòng)后形成的波，一般稱(chēng)之為于在液體表面受

24、到擾動(dòng)后形成的波，一般稱(chēng)之為面波。這種波沿著與大氣層接觸的地表面滾面波。這種波沿著與大氣層接觸的地表面滾動(dòng)著向四周傳播，因此也稱(chēng)之為地滾波。動(dòng)著向四周傳播，因此也稱(chēng)之為地滾波。瑞利波的故事瑞利波的故事地滾波攜帶著巨大的能量，因此在地震發(fā)地滾波攜帶著巨大的能量，因此在地震發(fā)生時(shí)給地面建筑物造成極大程度破壞的就生時(shí)給地面建筑物造成極大程度破壞的就是這種地滾波。英國(guó)物理學(xué)家瑞利研究發(fā)是這種地滾波。英國(guó)物理學(xué)家瑞利研究發(fā)現(xiàn)在半空間現(xiàn)在半空間( (上部接觸大氣層的地表面上部接觸大氣層的地表面) )存存在著一種類(lèi)似于在液體表面上形成的波。在著一種類(lèi)似于在液體表面上形成的波。這種波是由自由界面半空間內(nèi)傳播的

25、縱波這種波是由自由界面半空間內(nèi)傳播的縱波與橫波相互選加形成的一種特殊的振動(dòng)，與橫波相互選加形成的一種特殊的振動(dòng)，振動(dòng)的方向是以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，呈橢圓振動(dòng)的方向是以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，呈橢圓軌跡傳播，此橢圓水平軸與垂直軸之比為軌跡傳播，此橢圓水平軸與垂直軸之比為2/32/3。人們?yōu)榱思o(jì)念這位物理學(xué)家就把這。人們?yōu)榱思o(jì)念這位物理學(xué)家就把這種波定名為瑞利面波，簡(jiǎn)稱(chēng)瑞利種波定名為瑞利面波，簡(jiǎn)稱(chēng)瑞利波。波。瑞利波瑞利波 應(yīng)力波應(yīng)力波彈性波彈性波 1. 1.應(yīng)力波是應(yīng)力波是應(yīng)力應(yīng)力和和應(yīng)變應(yīng)變擾動(dòng)的傳擾動(dòng)的傳 播形式。比如，當(dāng)炸藥在土巖石介播形式。比如，當(dāng)炸藥在土巖石介 質(zhì)中爆炸時(shí)，其沖擊壓力以波動(dòng)形質(zhì)中爆炸

26、時(shí)，其沖擊壓力以波動(dòng)形 式向四外傳播，就是一種式向四外傳播，就是一種應(yīng)力波應(yīng)力波。 當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，介質(zhì)當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系時(shí)，介質(zhì) 中傳播的是中傳播的是彈性波彈性波。 2. 2.瑞利波瑞利波是一種彈性波，質(zhì)點(diǎn)在垂直于是一種彈性波，質(zhì)點(diǎn)在垂直于 傳播方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在傳播方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在表層附近表層附近, ,質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)橢圓。點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)橢圓。地滾波地滾波是瑞利是瑞利波中一種特殊波，它沿著地表傳播，其特波中一種特殊波，它沿著地表傳播，其特征是低速，低頻和強(qiáng)振幅。征是低速，低頻和強(qiáng)振幅。地滾波地滾波由瑞利于由瑞利于1887 1887 年首先指出其年首先指出其存在而得名存在而得名 一種常見(jiàn)的界面一種常見(jiàn)的界面彈性波，是沿半無(wú)彈性波，是沿半無(wú)限彈性介質(zhì)自由限彈性介質(zhì)自由表表面面?zhèn)鞑サ钠癫▊鞑サ钠癫?同時(shí)兼有同時(shí)兼有縱縱波波位移和位移和橫橫波波位移的混位移的混合型波合型波宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡質(zhì)點(diǎn)