电子衍射和中子衍射110315.ppt

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1、电子衍射和中子衍射一、电子衍射基本原理1、德布罗意波1924年德布罗意提出：运动的实物粒子(如电子、质子等)都有一种波与之对应，并认为粒子的特征波长与动量(p)之间的关系应当与光子的相同，联系这种波的关系式是:式中是物质波的波长，h是普朗克常数，p是粒子的动量，m是运动粒子的质量，v是它的速度。(1)式称为德布罗意波的关系式。(1)PrinceLouis-VictorPierreRaymonddeBroglie,FranceTheNobelPrizeinPhysics1929"forhisdiscoveryofthewav

2、enatureofelectrons"在1921-1923年间戴维孙(Davisson)和孔斯曼就观察到电子被多晶体的金属表面散射时，在某几个角度上散射较强，当时未有合理地解释这种表现，其实这已经显示电子的波动性。戴维孙和革末继续进行了电子在晶体上散射的实验，到1927年发表了较准确的测量结果。同时汤姆孙(Thomson)也独立地作过实验，让快速电子穿过多晶体薄膜，并在荧光屏上看到了衍射环，测出衍射环的半径之后，由布拉格公式算出的波长，都和德布罗意公式预言的一致。TheNobelPrizeinPhysics1937"forth

3、eirexperimentaldiscoveryofthediffractionofelectronsbycrystals"ClintonJosephDavisson,USAGeorgePagetThomson,UK1927年C.J.Davisson&G.P.Germer戴维森与革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。德布罗意波的实验验证--电子衍射实验1探测器电子束电子枪镍单晶屏P多

4、晶薄膜高压栅极阴极德布罗意波的实验验证--电子衍射实验2同时英国物理学家G.P.Thompson&Reid也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得1929年的诺贝尔物理学奖金，Davisson和Thompson则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。电子显微镜(物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明)第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡（E·Ruska）研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖。从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比

5、，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2μm，最大放大倍数也只有1000倍左右。自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多。而且极方便改变电子波的波长。这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜。电子束实际上是一种阴极射线，是一种荷负电荷的粒子流。根据德布罗意关系式，电子波的波长(nm)为：当加速电压很高时，电子运动速度快，须引入相对论校正，电子波的波长应按下式计算：式中V的单位是伏特，m为电子的静止质量，c为光速调整加速电压，可获得波长与晶体中原子间距离同数量级的电子束，当这样的电子束与晶体作用时，若满足衍射条件

6、，即可产生衍射，获得与X射线相似的衍射图。电子束与晶体之间的相互作用相当复杂。高速运动的电子轰击晶体物质，会产生若干种物理信息，其中主要有二次电子、背散射电子、俄歇电子、X射线、X射线荧光和透射电子等。电子衍射是高速运动的电子束与原子核发生弹性散射及与核外电子发生非弹性散射的结果。与X射线衍射相似，电子衍射也遵循布拉格方程，即波长为λ的入射电子束与间距为d的点阵面之间的夹角θ满足布拉格方程时，就会在与入射线成2θ角的方向上产生衍射。晶体的各组衍射面产生的衍射斑构成了有一定规律的衍射花样。单晶试样产生的衍射图样是按一定周期规则排

7、布的斑点，多晶试样则产生若干半径不等但同心的衍射环，而非晶体物质的衍射花样只有一个漫散的中心斑点。衍射花样NiFe多晶纳米薄膜的电子衍射La3Cu2VO9晶体的电子衍射图非晶态材料电子衍射图的特征由于电子束穿过结晶物质时表现得和X射线相似，所以衍射最强点的位置由布拉格定律所确定:式中是波长，d是晶体的晶面间距，是入射电子束和晶面间的夹角，n是整数，称为衍射级次。上左图1是电子衍射的基本几何关系。图中L为晶体到照相底片的距离，R是底片上衍射斑点或衍射环到透射斑点或圆心的距离。由图可得：由于衍射角很小(一般只有1°~2°)，因

8、而代入布拉格方程可以得到，或者λ可根据与给定加速电压的关系计算得到，若再从实验中求得R和L，则可算出某一衍射hkl对应的面间距d,对某些简单晶体，还可估算出其晶胞参数。众所周知，电子的波长可以用改变其速度的办法来调节。当电子波长和晶体dhkl相当时，这样的电子流照射晶体时也能