【正文】 繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。 220 1/m m v c??（ 15） 當(dāng) v《 c時(shí)， m≈m0 1. 定義 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 2. 電子的波粒二象性 電子衍射實(shí)驗(yàn)： 1927年， Davisson和 Germer應(yīng)用 Ni晶體進(jìn)行的電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電子具有波動(dòng)性。 電磁波波動(dòng)性與微粒性通過下列關(guān)系式相聯(lián)系，即： （ 12） （ 13） h— 普朗克常數(shù)h= 1034 J?s 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 電磁波譜 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 電磁光譜 光譜區(qū) 頻率范（ Hz） 空氣中波長(zhǎng) 作用類型 γ射線 X射線 遠(yuǎn)紫外光 紫外光 可見光 1020(能量 MeV) 1020~1016 1016~1015 1015~ 1014 1014~ 1014 ＜ 1012m 103nm~10nm 10nm~200nm 200nm~400nm 400nm~750nm 原子核 內(nèi)層電子躍遷 電子躍遷 電子躍遷 價(jià)電子躍遷 近紅外光 紅外光 微波 無(wú)線電波 聲波 1014~ 1014 1014~1011 1011~108 108~105 20210~30 ~ ~1000um 0cm~100cm 1m~1000m 15km~106km 振動(dòng)躍遷 振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷 轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷 原子核旋轉(zhuǎn)躍遷 分子運(yùn)動(dòng) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 物質(zhì)波 德布羅意 (de. Broglie)于 1924年提出了運(yùn)動(dòng)實(shí)物粒子也具有波粒二象性的假設(shè)，即認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的實(shí)物粒子 [指靜止質(zhì)量 (m0)不為零的實(shí)物微粒，如電子、中子、質(zhì)子等 ]也具有波粒二象性，稱為物質(zhì)波或德布羅意波。材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 第一章 電磁輻射與材料結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 電磁輻射與物質(zhì)波 第二節(jié) 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（ 1） 第三節(jié) 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（ 2） 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 第一節(jié) 電磁輻射與物質(zhì)波 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 電磁輻射與波粒二象性 2. 性質(zhì)與表述 電磁波 (部分譜域稱為光 )， 它在空間的傳播遵循波動(dòng)方程；波動(dòng)性的表現(xiàn)：反射 、 折射 、 干涉 、 衍射 、偏振等 。 主要物理參數(shù)有：波長(zhǎng) (λ)或波數(shù) (σ或 K)、 頻率 (v)及相位 (φ)等 ． 電磁輻射是指在空間傳播的交變電磁場(chǎng)． 電磁波在真空中的傳播速度 (c)稱光速 ， 它與波長(zhǎng)和頻率滿足關(guān)系 8( 3 1 0 / )c m s??vc? ? （ 11） 1. 定義 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) E h v?/ph ?? 電磁波同時(shí)具有微粒性，即電磁波是由光子所組成的光子流． 電磁波與物質(zhì)相互作用，如光電效應(yīng)等現(xiàn)象是其微粒性的表現(xiàn)． 描述電磁波微粒性的主要物理參數(shù)有：光子能量(E)和光子動(dòng)量 (p)等。 德布羅意關(guān)系式 ： ( / ) /h p h m v? ?? （ 14） λ稱為德布羅意波長(zhǎng)； v是粒子運(yùn)動(dòng)速度 (注意此處不是光速 c) ； m為相對(duì)論質(zhì)量 。將一束電子流經(jīng)過一定的電壓加速后通過金屬單晶，象單色光通過小圓孔一樣發(fā)生衍射現(xiàn)象，在感光底片上，得到一系列明暗相同的衍射環(huán)紋（如右圖所示）。 一般近似認(rèn)為核外電子在各自的軌道 (稱原子軌道 )上運(yùn)動(dòng)并用“電子 (殼 )層”形象化描述電子的分布狀況 。核外電子在不同狀態(tài)下所具有的能量數(shù)值各不相同 ， 并且其變化是不連續(xù)的即量子化的 ， 常用能級(jí) (圖 )形象化地進(jìn)行表示 ． 能級(jí)圖是按一定比例以一定高度的水平線代表一定的能量 ， 并把電子各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量 (能級(jí) )按大小順序排列 (由下至上能量增大 )而構(gòu)成的梯級(jí)圖形 。 l(角量子數(shù) ) 取值為 0～ n1的正整數(shù)，對(duì)應(yīng)于 l=0， 1， 2． 3， …的電子亞層或原子軌道形狀分別稱為 s、 p、 d、 f等層或 (原子 )軌道 ． m(磁量子數(shù) ) 取值為 0， 177。 l．例如 p軌道 (l=1)，則m=0， 177。 1/2，表明電子自旋只有兩個(gè)方向，通常稱為正自旋和反自旋 (順時(shí)針或反時(shí)針方向 ) ms(自旋磁量子數(shù) ) ms決定電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向的分量大小，當(dāng)無(wú)外磁場(chǎng)存在時(shí)， ms的取值不影響電子的能量大小，即電子正旋與反旋是簡(jiǎn)并的；反之，則將產(chǎn)生電子自旋能級(jí)的分裂． 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 2．原子能態(tài)與原子量子數(shù) 多電子原子中存在著電子與電子相互作用等復(fù)雜情況。 、激發(fā)、電離及能級(jí)躍遷 基態(tài) ：通常，原子核外電子遵從能量最低原理、包利 (Pauli)不相容原理和洪特 (Hund)規(guī)則，分布于各個(gè)能級(jí)上，此時(shí)原子處于能量最低狀態(tài)。 激發(fā) ：原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的過程。 電離 ：原子中的電子獲得足夠的能量就會(huì)脫離原子核的束縛，產(chǎn)生電離。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 2．分子軌道與電子能級(jí) 按分子軌道理論，原子形成分子后，電子不再定域在個(gè)別原子內(nèi)，而是在遍及整個(gè)分子范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)； 每個(gè)電子都可看作是在原子核和其余電子共同提供的勢(shì)場(chǎng)作用下在各自的軌道 (稱為分子軌道 )上運(yùn)動(dòng)。 分子軌道可分為成鍵軌道與反鍵軌道，成鍵分子軌道能量較參與組合的原子軌道能量低，而反鍵分子軌道能量則高于參與組合的原子軌道能量組合的原子軌道能量。 伸縮振動(dòng)是指原子沿鍵軸方向的周期性 (往復(fù) )運(yùn)動(dòng)；振動(dòng)時(shí)鍵長(zhǎng)變化而鍵角不變 (雙原子振動(dòng)即為伸縮振動(dòng) )。 在原子中，電子因繞原子核運(yùn)動(dòng)而具有軌道磁矩；電子還因自旋具有自旋磁矩；原子核、質(zhì)子、中子以及其他基本粒子也都具有各自的自旋磁矩。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 若原子核存在自旋，產(chǎn)生核磁矩： 自旋角動(dòng)量： I：自旋量子數(shù)； h：普朗克常數(shù)； 核磁子 ?=eh/2M c； 自旋量子數(shù)（ I）不為零的核都具有磁矩，原子的自旋情況可以用（ I）表征： )1(2 ?? IIh??)1( ?? IIg ??核 磁 矩： 質(zhì)量數(shù) 原子序數(shù) 自旋量子數(shù) I 偶數(shù) 偶數(shù) 0 偶數(shù) 奇數(shù) 1， 2， 3…. 奇數(shù) 奇數(shù)或偶數(shù) 1/2； 3/2； 5/2…. 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 固體的能帶結(jié)構(gòu) 從 STM得到的硅晶體表面的原子結(jié)構(gòu)圖 量子力學(xué)計(jì)算表明 ，晶體中若有 N個(gè)原子 ， 由于各原子間的相互作用 ，對(duì)應(yīng)于原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí) ,在晶體中變成了 N條靠得很近的能級(jí) ,稱 為 能 帶 。 若 N = 1023,則能帶中兩能級(jí)的間距約 1023eV。 2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬， ?E越大。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 離子間距 2S1SEa02P能帶重疊示意圖 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 2. 能帶中電子的排布 晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。 這一能級(jí)分裂成由 N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納 2N(2l +1)個(gè)電子。 2ｐ、 3ｐ能帶，最多容納 6N個(gè)電子。 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 價(jià)帶 空帶 禁帶 滿帶 導(dǎo)帶 ： 排滿電子的能帶 價(jià)電子能級(jí)分離后形成的能帶 未排電子的能帶，空帶也是導(dǎo)帶 不能排電子的區(qū)域 未排滿電子的價(jià)帶 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 它們的導(dǎo)電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。 在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接 受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。 從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。 半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶 E?Eg 滿帶 導(dǎo)帶 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿 當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，絕緣體與半導(dǎo)體的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中。 絕緣體 半導(dǎo)體 導(dǎo)體 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 第三節(jié) 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（ 2） 晶體結(jié)構(gòu) 倒易點(diǎn)陣 晶帶 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 晶體結(jié)構(gòu) 晶體 ：物質(zhì)點(diǎn) （ 原子 、 離子 、 分子 ） 在空間周期排列構(gòu)成固體物質(zhì) 。 空間點(diǎn)陣 ：上述幾何點(diǎn)在空間的分布，每個(gè)點(diǎn)稱為陣點(diǎn)。 ⑵晶胞內(nèi)部各個(gè)原子的坐標(biāo)位置，由原子坐標(biāo)參數(shù) x,y,z規(guī)定。按照 每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同 的要求，布拉菲用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平面六面體只有 14種，這 14種空間點(diǎn)陣也稱 布拉菲點(diǎn)陣 。 ) 簡(jiǎn)單六方 六方 (a1=a2=a3≠c, α=β=90176。 ) 簡(jiǎn)單單斜 底心單斜 單斜 (a≠b≠c, α=γ=90176。 ) 簡(jiǎn)單正交 底心正交 體心正交 面心正交 正交 (a≠b≠c, α=β=γ=90176。 ) 簡(jiǎn)單立方 體心立方 面心立方 立方 (a=b=c,α=β=γ=90176。例：金屬鋨 Os、銥 Ir…… 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 密排六方結(jié)構(gòu)： （ 0001）面 材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料研究方法與測(cè)試技術(shù) 2）面心立方緊密堆積： 按 ABCABC…… 的順序堆積，球體在空間的分布與空間格子中的立方格子相對(duì)應(yīng)。 簡(jiǎn)單立方 體心立方 面心立方 P I F 1 2 4 000 000,1/2 1/2 1/2 000,1/2 1/2 0,1/2 0 1/2, 0