1、第四章 近代实验技术概述,1. 近代实验技术特点,用微观粒子(光子,电子,质子,中子-等) 作为探针与物质相互作用.产生各种微观粒 子的信息.并对此信息进行分析.获得物质结 构,组成等特性.,可归结为,微观粒子的输入(种类,数量,空间 位置,能量大小和分布)和输出. 粒子与 物质相互作用.粒子的特性及其所提供 的信息与物质结构,组成等关系,2. 微观粒子的特性,(1)粒子性和波动性,Einstein学说,光子的能量是量子化的,每一频率的光能 量有最小单位,称光量子,光子有质量,但光子的静止质量等于零 由Einstein方程:,实物粒子的波动性:(德布罗意关系式),(2) 微观粒子的运动方程,S
2、chrodinger方程,对于一个质量等于m.在势能等 於V的势场中运动的微粒来说.就有 一个与这微粒运动的稳定态相联系 的波函数 ,这个波函数服从薛定锷 稳态方程.这一方程的每一个合理解就表示微粒运动的某一稳定状态. 与这个解相应的常数E,是微粒在这 一稳定态的能量.,3. 物质微观结构及其描述,求解薛定锷稳态方程得到要描述一个 原子中某个电子状态需要四个量子数:,n=1(k),2(L),3(M)称主量子数(能量),L=0(S),1(P),2(d),3(f)角量子数(角动量),m=0, 1, 2,L.(磁量子数),ms= , - 自旋量子数,在近代实验技术中引进新量子数 j(内量子数),求解
3、薛定锷方程在多电子体系中某个电子的能量:,电子能级排布原则:,对相同L,n不同.则n越大,离开原子核远,屏蔽效应大 E高,对n相同,L不同.L愈小,电子离核近 E下降.,对不相同的n,L.根椐经验规则(n+0.7L)确定 如:4S:n+o.7L=4,3d:n+o.7L=4.4. 4S3d,固体能带理论,许多原子组成固体时,原子的电子轨道发生 重迭,相应的一组原子能级展宽成能带如:3S能 级展成3S能带.2P能级展成2P能带. 而相邻原 子的外层电子轨道重迭得多.内层电子轨道重 迭得少.因此最外层的价电子能带较宽.两个能 带之间存在间隔,其中没有能级,不能填充电子 .这个区域称禁带.就形成满带,
4、禁带,导带三个 区域.,4. 微观粒子与物质相互作用,(1)电子与物质相互作用,电子与物质相互作用后方向和能 量改变称散射.若只有方向改变无能量 改变则称弹性散射,能量也变称非弹性 散射,原子核对电子的弹性散射. RBS谱仪.,原子核对电子非弹性散射.,核外电子对入射电子非弹性散射.,特徵X射线电子探针(EPMA),俄歇电子发射俄歇电子能谱(AES).,在入射电子作用下,发射可 见光.发光波长由杂质产生的局 部化能级确定与杂 质原子和主 体物质有关.电子激发萤光分 析. (Cathodoluminecenecence Spec.),原子在晶体内的分布是长程有 序的,价电子变成公有电子,构成电子
5、 云,浸散在整个晶体空间内.正离子基 本上处于晶体点阵内的固定位置上. 可以看成是带正电的原子实和价电 子云组成,类似等离子体.当电子(E0) 穿过该晶体时,会产生电子云集体振 荡.特徵能量损失谱(ELS).,(2)光子与物质相互作用,原子吸收光谱与发射光谱.紫外及可 见吸收光谱(指分子的外层电子或价电子 跃迁所得光谱). IR.,非弹性散射:光子与物质分子相互 作用, 结果是光子把一部分能量给 分子或者从分子获得一部分能量. 光子的能量就会减少或增加.这种 散射称Raman散射.拉曼光谱,若入射光子能量与分子相互作用有二种情况:,分子在基态(E0)作用后跃到激发态(E1) 散射光频率:,分子
6、在激发态相互作用后回到基态散射光频率:,称反斯托克斯线,光子与分子中内层电子 作用,把能量给了电子,电子 被激发出来.光电子能谱 (ESCA).,X射线作用於物质会发射出各种 颜色及不同强度的可见光,仃止照射 光也随之消失.这就称作X光荧光现 象.荧光波长与被激发元素的原子序 数关系.,由莫斯莱(Mosley)定律表示:,X光荧光分析,(3)离子与物质相互作用,入射离子能量为E0.质量为M1.与样品上质 量为M2原子作用后通过 角散射后剩下 能量E1.,若 则可导出公式:,M2,一个高能离子撞击到靶(样品)上,可受到表 面原子背散射,也可进入固体.并通过一系列弹性 和非弹性双体碰撞而把其能量消
7、耗在晶格原子 上.当表面或接近表面被作用原子获得足够的能 量就会离开固体产生溅射.用质谱分析飞出来的 离子.SIMS.,离子输入光子输出,离子输入电子输出,用低能离子来探测表面.当离子接近表 面时被中和,中和的能量传递给表面上一个 电子并使该电子以足够能量发射出去.分析 发射电子能量.可得到被测电子特性的信息.,(4)中性粒子输入,中子衍射、分子束技术等,中性粒子加速困难,能量低,对表 面不易损伤.,电场和磁场与物质的相互作用,5. 场的输入,原子核有自旋现象(具有角动量)由 于它是带正电荷粒子,自旋会产生磁埸 .形成小磁体称磁偶极子,具有磁偶极矩 简称磁矩.核磁矩在磁埸作用下将原简 并的能级
8、分裂开为2I+1不同的能量状态 (核磁能级)称塞曼效应(Zeeman effect). 当外加的电磁波能量正好和两个核能差 E相同时,低能级的核就会吸收电磁波, 跃迁到高能级产生核磁共振.,核磁共振波谱主要提供三方面与分子结构有关信息:,.吸收峰频率(化学位移),.峰的裂分及偶合常数,各峰相对面积,峰的裂分及偶合常数,同一分子中,核自旋与核自旋间相互 作用的现象称自旋-自旋偶合.它会产生 谱线裂分的现象称自旋-自旋裂分.偶合 产生的谱线间距称偶合常数单位HZ.偶 合常数是核自旋裂分强度,它只与化合 物分子结构有关.,各峰相对面积,峰的面积与相应的各种质子 数目成正比.对峰面积进行比较 能决定各
9、质子相对数目.,顺磁性物质:若分子含有奇数个电子在成键 时必有一个电子是未成对电子.这种分子所组 成的物质称顺磁性物质.这种物质有净的电子 自旋和相应的磁矩.它不处在外磁埸中时,所有 的电子不论其取向如何都具有相同的能量.若 在一个均匀的磁埸中.电子磁矩与外磁埸相互 作用,能量分裂为不同能级.若加入一定频率的 电磁波符合电子能级跃迁共振吸收条件就可 获得EPR谱.,EPR可研究的对象:,自由基:若分子中含有一个未成对电子,这样的分子称为自由基,三态分子:若分子中含有两个未成对电子,它们之间相互作用很强,这种分子称为三态分子,在原子轨道中出现末成对电子的物质.如:大多数过渡金属离子和稀土离子,天然或人为的晶格缺陷或局部的晶体不完整性,形成具有未成对电子物质,以及具有自由电子的金属和半导体等,6.外延X射线吸收光谱精细结构(EXAFS)分析Extended X-ray Absorption Fine Structure,当X射线与物质相互作用时,被物质吸 收,原子内层电子吸收X光子后,引起电子跃 迁.而发射光量子,并以球面波形式向外发射 ,在碰到周围其它配位原子时,被散射回来.在 吸收原子处与向外发射的球面波相迂,而发 生干涉现象.可能加强,也可能减弱.使吸收系 数 发生起伏变化,产生吸收边谱,它反映物 质精细结构.被称为外延X射线吸收精细结 构谱.,
