固體物理：3_6確定晶格振動譜的實驗方法

1、3-6確定晶格振動譜的實驗方法,描述晶格振動有兩種方式： 格波色散關(guān)系曲線(晶格振動譜)； -(q) 晶格振動模式密度(頻率分布函數(shù)); -g()(3-9) 確定晶格振動譜的實驗方法： 中子非彈性散射； 光的散射(光子與晶格的非彈性散射 )； X射線散射,1. 中子非彈性散射,入射晶體時中子的動量和能量,出射晶體后中子的動量和能量,晶格振動的頻率和波矢間的關(guān)系 晶格振動的振動譜,能量守恒,動量守恒,倒格子矢量,聲子的準(zhǔn)動量,中子的能量 _ 0.020.04 eV 聲子的能量 _ 10 2 eV 兩者具有相同的數(shù)量級,測得各個方位上入射中子和散射中子的能量差 確定聲子的頻率,從反應(yīng)堆出來的慢中子

2、的能量與聲子的能量接近，容易測定中子散射前后的能量變化，直接給出聲子能量的信息,根據(jù)入射中子和散射中子方向的幾何關(guān)系 確定聲子的波矢 得到聲子的振動譜,2013-04-21,三軸中子譜儀結(jié)構(gòu)示意圖(P117-圖3-15,2013-04-21,V. Inelastic Scattering by Phonons,三軸中子譜儀的優(yōu)點與局限,優(yōu)點： 目前這種方法是確定格波的的最有利條件： 中子能量：0.02ev0.04ev(聲子數(shù)量級）; 中子德布洛依波長/mv約2-310-8cm（晶格常數(shù)的數(shù)量級）; 局限： 有些元素的原子核對中子有很大的俘獲截面，而無法獲得其中子的散射譜，如固態(tài)氦，氦的原子核對

3、中子就有很大的俘獲截面，而形成氦，因而無法獲得它的中子散射譜,2. 光子與晶格的非彈性散射,入射光子的頻率和波矢,散射光子的頻率和波矢,光子與聲子的作用過程滿足,能量守恒,動量守恒,入射光子受到聲子散射，變成散射光子，與此同時在晶格中產(chǎn)生，或者吸收一個聲子,固定入射光的頻率和入射方向，測量不同方向的散射光的頻率，可以得到聲子的振動譜,光散射分類,分為兩類： (1)光波與長聲學(xué)波相互作用：稱布里淵散射； (2)光波與長光學(xué)波相互作用：稱喇曼散射。 喇曼散射又分為兩類： 斯托克斯散射：散 入,1) 光子與長聲學(xué)波聲子相互作用 光子的布里淵散射,長聲學(xué)波聲子,光子的頻率,如果光子波矢與聲子波矢大小近

4、似相等 可見光光子的波矢 105 cm-1,光子被長聲學(xué)波聲子散射，入射光子與散射光子的波矢大小近似相等,長聲學(xué)波聲子的波矢近似地寫成,不同角度方向測得散射光子的頻率，得到聲子頻率,聲子的波矢,聲子振動譜,散射光和入射光的頻率位移,布里淵散射,2. 光子與光學(xué)波聲子的相互作用 光子的拉曼散射（Raman scattering,能量守恒,動量守恒,光子的拉曼散射只限于光子與長光學(xué)波聲子的相互作用,可見光或紅外光k很小，光子與光學(xué)波聲子發(fā)生相互作用，要求聲子的波矢q必須很小,散射光和入射光的頻率位移,【S.C.V. Ramam, 印度人, 由于光子與聲子相互作用的工作而獲30年諾貝爾物理獎。,我系

5、的Raman散射儀,2013-04-21,固體中的光散射現(xiàn)象,光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射。 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分。 非彈性散射分為拉曼散射和布里淵散射，散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分。 一般將光波與光學(xué)波的作用模式稱為拉曼散射，而將光波與聲學(xué)波的作用模式稱為布里淵散射。 拉曼散射又根據(jù)散射光的波長與激發(fā)光的波長的關(guān)系分為斯托克斯散射和反斯托克斯散射,喇曼散射圖示（P118圖3-16,關(guān)于“Raman效應(yīng),一）含義 光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射. 彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分.非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分, 統(tǒng)稱為拉曼效

6、應(yīng) 當(dāng)用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部分的光會按原來的方向透射，而一小部分則按不同的角度散射開來，產(chǎn)生散射光,樣 品 池,在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有一系列對稱分布著若干條很弱的與入射光頻率發(fā)生位移的拉曼譜線，這種現(xiàn)象稱為拉曼效應(yīng)。由于拉曼譜線的數(shù)目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。因此，與紅外吸收光譜類似，對拉曼光譜的研究，也可以得到有關(guān)分子振動或轉(zhuǎn)動的信息。目前拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研究譜線特征,Stocks lines,anti-Stockes lines,Rayleigh

7、scattering,cm-1,CCl4的拉曼光譜,二）拉曼散射光譜的特征： a.拉曼散射譜線的波數(shù)雖然隨入射光的波數(shù)而不同，但對同一樣品，同一拉曼譜線的位移與入射光的波長無關(guān),只和樣品的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān)； b. 在以波數(shù)為變量的拉曼光譜圖上，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側(cè), 這是由于在上述兩種情況下分別相應(yīng)于得到或失去了一個振動量子的能量。 c. 一般情況下，斯托克斯線比反斯托克斯線的強度大。這是由于Boltzmann分布，處于振動基態(tài)上的粒子數(shù)遠(yuǎn)大于處于振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù),Raman光譜小結(jié)： Raman光譜是分子振動光譜的一種，屬于散射光譜。 用于研究分子結(jié)構(gòu) 紅外

8、(IR)光譜也分子振動光譜,屬于吸收光譜. 二者在分子結(jié)構(gòu)分析上各有所長,相互補充 Raman散射效應(yīng)是印度科學(xué)家C.V.Raman于928年發(fā)現(xiàn)的.由于Raman散射光極弱,早期Raman光譜的發(fā)展和應(yīng)用受到嚴(yán)重影響, 60年代中后期,激光器的引入使Raman光譜技術(shù)迅速發(fā)展,. 隨著電子和計算機技術(shù)的應(yīng)用,激光Raman光譜學(xué)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展了許多新的測量技術(shù),可以對微量、微體積或瞬間變化的樣品進行分子結(jié)構(gòu)分析,幾種重要的拉曼光譜分析技術(shù),1、單道檢測的拉曼光譜分析技術(shù) 2、以CCD為代表的多通道探測器用于拉曼光譜的檢測儀的分析技術(shù) 3、采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù) 4、共振

9、拉曼光譜分析技術(shù) 5、表面增強拉曼效應(yīng)分析技術(shù) 6、AFM-Raman 分析技術(shù)等等,拉曼光譜的應(yīng)用方向,拉曼光譜分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù),其信號來源與分子的振動和轉(zhuǎn)動。拉曼光譜的分析方向有： 定性分析：不同的物質(zhì)具有不同的特征光譜，因此可以通過光譜進行定性分析。 結(jié)構(gòu)分析：對光譜譜帶的分析,又是進行物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。 定量分析：根據(jù)物質(zhì)對光譜的吸光度的特點,可以對物質(zhì)的量有很好的分析能力,例：利用Raman光譜技術(shù)鑒別毒品,海洛因的Raman譜,奶粉的Raman譜 洗衣粉的Raman譜,常見毒品均有相當(dāng)豐富的拉曼特征位移峰，且每個峰的信噪比較高，表明用拉曼光譜法對毒品進行成分分析方法可行，得到的譜圖質(zhì)量較高。由于激光拉曼光譜具有微區(qū)分析功能，即使毒品和其它白色粉末狀物質(zhì)混和在一起，也可以通過顯微分析技術(shù)對其進行識別，得到毒品和其它白色粉末分別的拉曼光譜圖,拉曼光譜的應(yīng)用范圍遍及化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，對于純定性分析、高度定量分析和測定分子結(jié)構(gòu)都有很大價值。 瑞利散射線的強度只有入射光強度的10-3，拉曼光譜強度大約只有瑞利線的10-3。 靠近瑞利散射的拉曼光譜與分子的轉(zhuǎn)動能級有關(guān)， 遠(yuǎn)離瑞利散射的拉曼光譜與分子振動-