确定晶格振动谱的实验方法教程文件

1、第第 五五 节节确定确定(qudng)晶格振动谱的实验方晶格振动谱的实验方法法本节主要本节主要(zhyo)(zhyo)内内容容: :3.5.1 3.5.1 中子中子(zhngz)(zhngz)的非弹性散射的非弹性散射3.5.2 3.5.2 光的散射和光的散射和X X射线散射射线散射第一页，共23页。3.5 晶格振动(zhndng)谱的实验方法实验方法主要有中子实验方法主要有中子(zhngz)(zhngz)的非弹性散射、光子散射。的非弹性散射、光子散射。 晶格振动的频率晶格振动的频率 与波矢与波矢 之间的关系之间的关系 称为格波的称为格波的色散色散关系关系，也称为，也称为晶格振动谱晶格振动谱。q

2、)(q 第二页，共23页。3.5.1 光子(gungz)散射1.光在散射(snsh)第三页，共23页。第四页，共23页。光折变效应光折变效应(xioyng)(xioyng)也是格波与光波相互作用的例子。也是格波与光波相互作用的例子。光折变效应光折变效应(xioyng)(xioyng)是指光致折射率改变的效应是指光致折射率改变的效应(xioyng)(xioyng)。第五页，共23页。kqk散射过程满足能量守恒和准动量(dngling)守恒。光子光子(gungz)(gungz)与晶与晶体中声子的相互作用体中声子的相互作用光子光子(gungz)(gungz)与与晶体的相互作晶体的相互作用用光子吸收或

3、发射声子光子吸收或发射声子非弹性散射非弹性散射格波与光波相互作用、相互交换能量的过程，可以理解为光子与声子的碰撞过程，碰撞的结果，导致光子的散射。对于吸收声子过程：对于发射声子过程：kkq第六页，共23页。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)一个声子一个声子“-”表示表示(biosh)发射一个声子发射一个声子| |kkq当入射光的频率当入射光的频率和波矢和波矢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）测得散射光子的频率测得散射光子的频率，由，由 和和算出

4、声子频率算出声子频率，再由，再由k和和k算出声子波矢算出声子波矢q, 即可求出晶格即可求出晶格(jn )振动频谱。振动频谱。第七页，共23页。(1)(1)布里渊散射：光子布里渊散射：光子(gungz)(gungz)与长声学波声子的相互作与长声学波声子的相互作用；用；(2)(2)拉曼散射：光子拉曼散射：光子(gungz)(gungz)与光学波声子的相互作用；与光学波声子的相互作用；拉曼效应（拉曼效应（Raman效应），也称拉曼散射，光子的非弹性散射效应），也称拉曼散射，光子的非弹性散射现象，现象，1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉年由印度物理学家钱德拉塞卡拉拉曼发现，指光波拉曼发现，指光波在被

5、散射后频率发生变化的现象。在被散射后频率发生变化的现象。当光线从一个原子或分子散射出来时，绝大多数的光子，都是当光线从一个原子或分子散射出来时，绝大多数的光子，都是弹性散射的，这称为瑞利散射。在瑞利散射下，散射出来的光弹性散射的，这称为瑞利散射。在瑞利散射下，散射出来的光子，跟射入时的光子，它的能量、频率与波长是相同的。然而子，跟射入时的光子，它的能量、频率与波长是相同的。然而，有一小部份散射的光子（大约是一千万个光子中会出现一个，有一小部份散射的光子（大约是一千万个光子中会出现一个），散射后的频率会产生），散射后的频率会产生(chnshng)变化，通常是低于射入变化，通常是低于射入时的光子频

6、率，原因是入射光子和介质分子之间发生能量交换时的光子频率，原因是入射光子和介质分子之间发生能量交换。这即是拉曼散射。这即是拉曼散射。第八页，共23页。斯托克斯散射斯托克斯散射(snsh)(snsh)：散射：散射(snsh)(snsh)频率低于入射频率的散频率低于入射频率的散射射(snsh)(snsh)；反斯托克斯散射反斯托克斯散射(snsh)(snsh)：散射：散射(snsh)(snsh)频率高于入射频率频率高于入射频率的散射的散射(snsh)(snsh)。第九页，共23页。(1)(1)布里渊散射：光子布里渊散射：光子(gungz)(gungz)与长声学波声子的相互与长声学波声子的相互作用；作

7、用；长声学长声学(shngxu)(shngxu)波声子波声子, ,q q0,0,qq| |kkq由，kk =,ckn kkq2 sin2qkk测出一系列的测出一系列的，可以求出，可以求出q,q,从而得到从而得到(d do)(d do)与与q q的关系曲的关系曲线线第十页，共23页。(2)(2)拉曼散射：光子拉曼散射：光子(gungz)(gungz)与光学波声子的相互作用；与光学波声子的相互作用；拉曼散射中所用拉曼散射中所用(su yn)(su yn)的红外光的波长在的红外光的波长在10-3-10-6m10-3-10-6m的范围，的范围，与红外光相互作用的格波的波长也应该是同数量级的。与红外光相

8、互作用的格波的波长也应该是同数量级的。因此，拉曼散射因此，拉曼散射(snsh)(snsh)是光子与长光学波声子的相互作用。是光子与长光学波声子的相互作用。这个波长范围的格波是属于长光学波。这个波长范围的格波是属于长光学波。第十一页，共23页。第十二页，共23页。第十三页，共23页。2.X-射线(shxin)散射X光光子能量光光子能量-10104 4eVeV声子声子能量能量-10102 2eVeV能量变化很少，不易测量。能量变化很少，不易测量。为了(wi le)能测出更大波矢范围内的振动谱，就得采用更大波矢的光子X光的波长范围为10-7-10-11m，可以(ky)用来测定相当大波矢量范围内的振动

9、谱。当这时候，不满足q q0 0，2 sin2qkk不再适用| |kkq由来求然而，中子散射中子散射的实验方法能够克服的实验方法能够克服X X光散射的这一困难。光散射的这一困难。第十四页，共23页。3.5.1 中子(zhngz)的非弹性散射1.原理(yunl)散射(snsh)过程满足能量守恒和准动量守恒。中子与晶体中声子中子与晶体中声子的相互作用的相互作用中子与晶体的中子与晶体的相互作用相互作用中子吸收或发射声子中子吸收或发射声子非弹性散射非弹性散射中子散射的特点只与原子核发生作用探测要求高第十五页，共23页。入射中子流：入射中子流：从晶体从晶体(jngt)(jngt)中出射的中子流：中出射的

10、中子流：)q(MPMPnn 2222hKqPP 为中子为中子(zhngz)(zhngz)质量质量由能量守恒和准动量由能量守恒和准动量(dngling)(dngling)守恒得：守恒得：动量为动量为p能量为能量为nMPE22 p nMPE22 动量为动量为能量为能量为“+ +”表示吸收一个声子表示吸收一个声子“- -”表示发射一个声子表示发射一个声子第十六页，共23页。)q(MPMPnn 2222hPPqK Kh=0称为(chn wi)正常散射过程Kh0称为(chn wi)倒逆散射过程PqPPqPPqPhPqKPhK可见，倒逆散射可见，倒逆散射(snsh)对应较大对应较大的的P和和P另外，另外，

11、P和和P的夹角，即散射角也较的夹角，即散射角也较大大第十七页，共23页。测出不同散射方向上的动量测出不同散射方向上的动量 ， nMPE22 p )(q pnMPE22 固定入射中子流的动量固定入射中子流的动量 ， ； 中子源中子源单色器单色器准准直直器器准直器准直器样品样品分析器分析器探测器探测器2 2 中子谱仪结构示意图中子谱仪结构示意图反应堆中产生反应堆中产生的慢中子流的慢中子流布拉格反射产生单色布拉格反射产生单色的动量为的动量为P的中子的中子布拉格反射产生单色布拉格反射产生单色的动量为的动量为P的中子的中子2.仪器(yq)q(MPMPnn 2222hPPqK 第十八页，共23页。中子源中

12、子源单色器单色器准准直直器器准直器准直器样品样品分析器分析器探测器探测器2 2 中子谱仪结构示意图中子谱仪结构示意图反应堆中产生反应堆中产生的慢中子流的慢中子流布拉格反射产生单色布拉格反射产生单色的动量为的动量为P的中子的中子布拉格反射产生单色布拉格反射产生单色的动量为的动量为P的中子的中子第十九页，共23页。第二十页，共23页。思考题：思考题：在拉曼散射中，光子会不会在拉曼散射中，光子会不会(b hu)(b hu)发生倒逆散射发生倒逆散射？第二十一页，共23页。小结小结(xioji)(xioji)：1 1、简正振动、简正振动2 2、声子的概念、声子的概念(ginin)(ginin)和意义和意义3 3、晶格振动、