确定晶格振动谱的实验方法

第五节确定晶格振动谱的实验方法本节主要内容:3.5.1中子的非弹性散射3.5.2光的散射和X射线散射§3.5晶格振动谱的实验方法实验方法主要有中子的非弹性散射、光子散射。晶格振动的频率与波矢之间的关系称为格波的色散关系，也称为晶格振动谱。q)(q3.5.1光子散射1.光在散射光折变效应也是格波与光波相互作用的例子。光折变效应是指光致折射率改变的效应。ΩΩkqk散射过程满足能量守恒和准动量守恒。光子与晶体中声子的相互作用光子与晶体的相互作用光子吸收或发射声子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：ΩΩkkq和代表入射光的波矢和能量，k和代表出射光的波矢和能量。kΩΩΩkkq“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子|ΩΩ|||kkq当入射光的频率Ω和波矢k一定，在不同方向上（k’的方向上）测得散射光子的频率Ω’，由Ω和Ω’算出声子频率ω，再由k和k’算出声子波矢q,即可求出晶格振动频谱。(1)布里渊散射：光子与长声学波声子的相互作用；(2)拉曼散射：光子与光学波声子的相互作用；拉曼效应（Raman效应），也称拉曼散射，光子的非弹性散射现象，1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼发现，指光波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，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变化，通常是低于射入时的光子频率，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。斯托克斯散射：散射频率低于入射频率的散射；反斯托克斯散射：散射频率高于入射频率的散射。(1)布里渊散射：光子与长声学波声子的相互作用；长声学波声子,q→0,qΩ|ΩΩ|||kkq由，kk=,'cknk'kq2sin2qkk测出一系列的θ，可以求出q,从而得到ω与q的关系曲线(2)拉曼散射：光子与光学波声子的相互作用；拉曼散射中所用的红外光的波长在10-3-10-6m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。因此，拉曼散射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。2.X-射线散射X光光子能量---104eV声子能量---102eV能量变化很少，不易测量。为了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，可以用来测定相当大波矢量范围内的振动谱。当这时候，不满足q→0，2sin2qkk不再适用|ΩΩ|||kkq由来求然而，中子散射的实验方法能够克服X光散射的这一困难。3.5.1中子的非弹性散射1.原理散射过程满足能量守恒和准动量守恒。中子与晶体中声子的相互作用中子与晶体的相互作用中子吸收或发射声子非弹性散射中子散射的特点•只与原子核发生作用•探测要求高入射中子流：从晶体中出射的中子流：)q(MPM'Pnn2222hKqP'P为中子质量由能量守恒和准动量守恒得：动量为p能量为nMPE22pnMPE22动量为能量为“+”表示吸收一个声子“-”表示发射一个声子)q(MPM'Pnn2222'hPPqKKh=0称为正常散射过程Kh≠0称为倒逆散射过程Pq'PθPq'Pθ'PqP'hPqKPhK可见，倒逆散射对应较大的P和P’另外，P和P’的夹角，即散射角也较大测出不同散射方向上的动量，nMPE22p)(qpnMPE22固定入射中子流的动量，；中子源单色器准直器准直器样品分析器探测器2中子谱仪结构示意图反应堆中产生的慢中子流布拉格反射产生单色的动量为P的中子布拉格反射产生单色的动量为P’的中子2.仪器)q(MPM'Pnn2222'hPPqK中子源单色器准直器准直器样品分析器探测器2中子谱仪结构示意图反应堆中产生的慢中子流布拉格反射产生单色的动量为P的中子布拉格反射产生单色的动量为P’的中子思考题：在拉曼散射中，光子会不会发生倒逆散射？小结：1、简正振动2、声子的概念和意义3、晶格振动谱的实验测量方法光子散射中子散射能量守恒准动量守恒光子散射：布里渊散射、拉曼散射、X射线散射作业：P127，思考题：3,4,6,7,10