材料表征教学资料 光散射与原位测试.ppt
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1、光 散 射 与原位测试 邓 昱 分析中心,物理学院 83593762,光随处可见 蓝天,白云,夕阳,朝日 大海.,概念,量级,费曼物理学讲义 (The Feynman Lectures on Physics),Surely You are Joking Mr. Feynman,光和物质的作用,折 射 反 射 衍 射 透 射 吸 收 旋 光 散 射.,W1,16th Century,G,为什么 光散射? 人们对光散射现象的认识历程,1868-1869 J. Tyndall (丁达尔) Effect,W: col,Science,一束汇聚的光通过溶胶,则从侧面(即与光束垂直的方向)可以看到一个发
2、光的圆锥体。 可见光入射不同的分散体系: (1)分散的粒子大于入射光的波长,呈现混浊反射或折射。 (2)通过溶液(十分均匀、无颗粒、或颗粒浓度很稀),看不见什么。 (3)分散粒子小于入射光的波长,可以看见乳白色的光柱。,天空颜色: 为什么? 紫色?蔚蓝?淡蓝?灰白?,w2,可见光的波长: 可见光的波长范围在770390纳米之间。波长不同的电磁波,引起人眼的颜色感觉不同。770622nm,感觉为红色;622597nm,橙色;597577nm,黄色;577492nm,绿色;492455nm,蓝靛色;455390nm,紫色。,阳光能量分布,标准色度观察者三刺激值 470nm(深蓝),色纯度40%,L
3、ord Rayleigh (瑞利)Rayleigh scattering (分子散射,粒子尺寸远小于光波长): 光线入射到不均匀的介质中,介质中分子质点产生一种散射,散射光的强度与入射光的频率(或波长)有关,即四次幂的瑞利定律:散射光强度与波长4次方成反比。 (1899 ),G,Gustav Mie (1868 - 1957),空气中固态和液态的悬浮粒子: 水滴,尘埃,冰晶,带电粒子. 气溶胶体系 粒子尺寸为任意(米散射G. Mie,1908): 粒子大小,分部,浓度,散射函数: 单一的、各向同性的球形粒子在高度稀释的介质系统中挑散射与该粒子直径、粒子与介质间的折射率之差、入射到介质中的粒子上
4、的入射光的波长之间关系:米氏方程(Mie equations),由于米散射: 粒子1.4微米,与波长相关不大 蓝色的减淡 大气密度随高度急剧降低:大气分子的散射效应相应也为之减弱,天空的颜色也随高度由蔚蓝色变为青色(约8公里)、暗青色(约11公里)、 暗紫色(约13公里)、黑紫色(约21公里),再往上,空气非常稀薄,大气分子的散射极弱,天空为黑暗。,日出:瑞利散射的计算600nm,97%,黄 红水雾米散射 阴天,烟,雾 交通指示灯,汽车雾灯 ? 粒度仪,W,光散射探测与研究 手段 无损,快速,微区,灵敏. 物理,化学,地质,生命,医学. 光物质散射信息,拉曼散射(Raman scatterin
5、g) 光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年,印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。分子振动,结构、能级,G,Raman Scattering,海水的颜色及其变化并非由天空颜色引起。 1923年4月,他的学生之一拉玛纳桑(K.R.Ramanathan)第一次观察到了光散射中颜色改变的现象。实验是以太阳作光源,经紫色滤光片后照射盛有纯水或纯酒精的烧瓶,然后从侧面观察,却出乎意料地观察到了很弱的绿色成份。拉玛纳桑不理解这一现象,把它看成是由于杂质造成
6、的二次辐射,和荧光类似。因此,在论文中称之为“弱荧光”。然而拉曼不相信这是杂质造成的现象。如果真是杂质的荧光,在仔细提纯的样品中,应该能消除这一效应。 拉曼的另一名学生克利希南(K.S.Krishnan)观测了经过提纯的65种液体的散射光,证明都有类似的“弱荧光”,而且他还发现,颜色改变了的散射光是部分偏振的。众所周知,荧光是一种自然光,不具偏振性。由此证明,这种波长变化的现象不是荧光效应。 光的散射现象:和X射线散射的康普顿效应类似,光的频率在散射后会发生变化。 1928年2月28日下午,拉曼决定采用单色光作光源,做了一个非常漂亮的有判决意义的实验。他从目测分光镜看散射光,看到在蓝光和绿光的
7、区域里,有两根以上的尖锐亮线。每一条入射谱线都有相应的变散射线。一般情况,变散射线的频率比入射线低,偶而也观察到比入射线频率高的散射线,但强度更弱些。,g,29,L .Brillouin and Brillouin zone,法裔美籍科学家 L.布里渊 (1889-1969),布里渊散射(Brillouin scattering)。它是由于声波通过介质时所引起的折射率不均匀而产生的。 布里渊散射是布里渊于1922年提出的,可以研究气体,液体和固体中的声学振动,但作为一种实用的研究手段,是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应,即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射,其频率变化表征
8、了元激发的能量。与喇曼散射不同的是,在布里渊散射中是研究能量较小的元激发,如声学声子和磁振子等。,激光光散射谱学 Laser Light Scattering Spectroscopy,光散射现象涉及范围广泛 应用领域广泛 了解&利用,G-fxff,光散射,散射 = 激发 + 再辐射,散射光,入射光,光散射2 光散射是什么? 如何利用?,光散射:,散射 = 激发 + 再辐射 过程,散射光,入射光,散射的形成机制?入射到出射的过程机理,定义的理解(完整性) 过程 要素:时间、地点、事件、结果,入射波到出射波,r bz gdxy yg,W2,光散射的定义,( ) ( ) ( ) ( ),荧光Flu
9、orescence 对波长短的可见光,能量大的紫外线、X射线、射线,也包括比可见光波长长的红外线,将比如矿物晶体结构中原子或离子的外层电子(价电子),从基态激发到能量较高的激发态,当激发态与基态之间另有一些激发态存在时,被激发到较高能量激发态的电子,回落到较低激发态时,于是发射出光子,当二激发态的能量间隔的能量差相当于某一光子的能量时,形成了该能量差的可见光,并呈现一定的颜色形成荧光。 价电子就会发生能级跃迁,从基态跃迁到激发单重态的各个不同振动能级,并很快以振动驰豫的方式放出小部分能量达到同一电子激发态的最低振动能级。 余辉:10-8S,是散射吗?,磷光 一种缓慢发光的光致冷发光现象。当某种
10、常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或X射线)照射,吸收光能后进入激发态(通常具有和基态不同的自旋多重度),然后缓慢地退激发并发出比入射光的的波长长的出射光(通常波长在可见光波段)。当入射光停止后,发光现象持续存在。发出磷光的退激发过程是被量子力学的跃迁选择规则禁戒的,因此这个过程很缓慢。,余辉:10-4S G,光散射 10-12s 快过程:吸收(放出)能量,发生的一次性频率改变。 慢过程:分子吸收能量再由多次碰撞释放能量产生。 实时测试 (“实时”是相对的),W,激发态 VS 基态的较高能级 光致发光 光电效应 辐射电离 VS 光散射 红外吸收谱 VS 红外激光的拉曼散射 无损,G:sz
11、,事件 结果 (再辐射what ?),G: xdt,光和物质的作用,折 射 反 射 衍 射 透 射 吸 收 旋 光 散 射.,W,光散射的分类能量变化,能量划分 从能量的角度看散射: 入射光和出射光的能连变化 光散射的描述,瑞利散射 米散射 拉曼散射 布里渊散射,能量转换关系,康普顿散射: X射线或伽马射线的光子跟物质相互作用,因失去能量而导致波长变长的现象。 碰撞过程能量守恒,动量守恒。 中子散射: 非弹性散射 热中子晶格尺度的波长,具有磁性,强穿透力。 汤姆森散射:汤姆森散射指的是入射光作用在自由电子上,使其发生同频振动,再释放出与入射光能量相同的散射光。 只用能量变化来划分是不够的,多种
12、“散射”,W,动量划分 从动量的角度看散射光子和散射体 (入射光和出射光动量改变),W: 红外, 中子散射,拉曼 布里渊 米 瑞利,色散关系图,光 散 射 理 论 (复杂问题) 机理模型本质理解 区别划分分类处理,机理解释(三条理论路径),经典理论 量子力学 半经典理论 一个问题:为什么多种解释并存? 如何运用,G,经典光散射理论,首先看看:弹性(能量改变很小的)散射 带电谐振子模型 散射截面:体现散射体对光散射能力的大小,结论& 物理图像,L r sy:jt d,各种体系的散射: KEY:“极化”模型的建立,wcbz,经典光散射理论,1.电子极化,电场作用在电子上使电子运动轨道发生变化,电子
13、运动发生 畸变,引起了电子的极化,质量m,一对电荷为 +q 和 -q 的偶极子在交变电场作用下的 运动方程,产生的感应电偶极矩,静态电子极化率,多对电荷时,偶极矩为,2.固体的极化,N个原子的系统,固体物理中,各向同性体系, 弱场情形, 场强不计及高次贡献. 固体的极化等于 单位体积中的电偶极矩,固体介电常数和电子极化间 (克劳修斯-莫索蒂关系),高频时离子极化的惯性大, 主要贡献来自电子极化,3 简正振动(原子的运动) 分子是由原子构成的,原子不断地在其平衡位置振动,分子振动是由这样许多简单的振动构成的, 称这些简单振动为分子的简正振 动。动能关系 广义原子位移坐标变换,zy,引入新的简正坐
14、标,拉格朗日方程,每个简正坐标代表分子一种简正振动, 每个简正坐标相应于一个简正振动频率。在简并情形, 一个简正振动频率相应于几个不同振动状态。,3N个特征根,各向异性的分子系统, 分子极化不是一个标量, 是一个张量。如果只计及二级效应,非线性场效应引起的极化按简正坐标展开,4 分子极化,入射场和正则振动的平面波表示:,很显然,极化的零级项与入射场相关,与正则振动无关。表明入射场以频率周期性地变化时, 零级感应偶极矩也以 作周期性变化, 这就是频率无关的弹性散射, 即瑞利散射,极化的一级项与入射场以及正则振动场的一次方成比例关系。经代入计算,5 单原子介质液体的经典散射 考虑一个介质是处于热平
15、衡状态的原子集合, 原子热运动产生了原子数密度起伏 光入射在起伏介质上时, 原子的作用象偶极子,它的运动引起散射光的多普勒频移。波矢(称空间频率)和散射光的角频率s 和相应的入射光的ki, i有关, 并且和存在在起伏中的波矢q角频率有关,该式表示原子数密度起伏被认为是相光栅的叠加,光从这样的相光栅的散射类似于X射线在晶体中的布拉格反 射, 散射光的波矢能量关系,长波长情形, 相速相应于超声速度,布里渊散射光谱的频率 布里渊谱频移测定得到超声速度,借助于速度,密度以及弹性常数之间的关系,得知弹性常数,研究温度或压力有关的弹性常数反常变化行为。,ki,ks,q,矢量三角关系,通过改变散射角测量频率
16、,波矢色散关系 106q()107m-1 散射的布里渊峰的宽度由时间长度决定, 在这个时间尺度内, 起伏和单色光相互作用获得了起伏的衰减或者测到了寿命,设 说明两列散射平面波向正向和反向传播, S 和AS 分别是斯托克斯和反斯托克斯频率, kS ,kAS分别为它们的波矢。 极化的二级项相应于二级(阶)光散射,入射光和介质密度的起伏的耦合还反映在介电常数的变化上 根据罗伦兹-洛伦兹关系,可以计算,0- 真空介电常数,n - 折射率系数,如果将起伏介质考虑作为原子的连续介质,每个原子具有电偶极矩p(r, t), 则宏观电极化 P(r, t) 可以表示为 P(r, t) = N(r, t) p(r,
17、 t) 按照原子散射理论,原子数密度可以表示为对整个原子数求和,每个原子可表示为Dirac-Delta 函数 考虑 N(r, t) 的流体动力学极限,它是位置 r 和时间 t 的连续函数。将上述方程代入,进行富立叶变换,从 (r, t) 空间变换到 (ks, s) 空间 P(ks, s) = Np(ks, s) + P(ks, s),由于起伏引起的诱导(附加)极化,外部激励下, 局域场的阻尼谐振子运动方程决定了电偶极矩。 经富立叶变换,p(k, ) = ()EL(k, ),在罗伦兹模型中极化率 :唯象阻尼常数, 在透明介质情形,光频远离跃迁频率 0, 原子极化率是实量,可不考虑虚部。各向同性介
18、质中局域场和宏观场,介电常数和极化率具有关系,可以得到同构关系,其中电极化率,密度起伏谱 N(q, ) 通过电场 E (k, ) 激发了附加极化 P(ks, s). 从经典的光散射观点,这反映了宏观极化和微观偶极矩之间的局域和瞬时关系。 附加极化 P(ks, s) 起到了麦克斯威方程中源发射项, 即发射场 E(ks, s) 和H(ks, s)项的作用。 在许多情况下散射场 Es比入射场 Ei 小得多, 所以可用均匀的平面单色波来表示,入射场附加极化变为,这一源发射项表明了单色入射光和各向同性介质的互作用,6 几种不同体系的诱导极化 1)介质固体 宏观极化受密度起伏,也受原子位移的影响 介电张量
19、的起伏部分可由应变张量 和旋转张量 表示,其中 - 介电张量起伏, - 介电常数张量, - 普克尔光弹张量, - 位移梯度场的富立叶谱,其中,2)有机液体、高分子,分子取向产生分子极化率张量重新取向,其中 忽略了有效场的贡献,3) 金属和半导体 密度起伏产生过量的电流密度,散射介质除了有束缚电子外,还有自由电子,这些自由电子通过电磁耦合,中和,离子密度热起伏频率一直达到等离子体频率。 (1)在液体金属情形,其中 Ne是自由平均数密度, n () 液体金属折射率指数, k () 消光系数。,(2)金属固体 自由电子, 束缚电子在光频范围均对光弹系数有贡献 (3)半导体 Si, Ge 光弹系数主要
20、由束缚电子决定的,(4)铁磁材料 热起伏调制了自旋波场,通过自旋-轨道耦合,调制极化率张量 其中 是磁光张量, 是磁应变。 在居里点温度以下,自旋 密度中的二次项也对自旋波散射有贡献,L w,极化与级数(强弱) 物质极化模型的多样性 耦合 有解释不了的现象吗?,zf,光散射的微观机制和量子理论,1. 原子的电磁辐射 自发辐射-A 吸收-B12 感应辐射-B21,A,B12,B21,拉 曼,布里渊,拉 曼,布里渊,频 率,光 散 射 频 谱,瑞 利,斯托克斯,反斯托克斯,原子和辐射场的互作用,Htotal = Hr + Hsd + He Hr = Hi + Hs H sd = Hex + Hi
21、He = H0 + H + Her,Hr: 辐射场哈密顿 Hsd: 散射介质哈密顿 He: 散射介质电子在辐射 场中的哈密顿 Hi, Hs: 入射、散射场哈 密顿 Hex: 元激发间互作用 H0: 自由电子,H: 场量子 化,Her: 电子在辐射 场中的哈密顿,辐射场哈密顿 Hr Hr |ni, ns = (ni + ns )|ni , ns Hr |ni-1, ns+1 = (ni +ns )|ni-1 , ns+1 = - 散射介质哈密顿 Hsd Hds |i = |i Hds |f = |f = -,散射介质的电子在辐射场中哈密顿 He He = H0 + H + Her,A2 和 PA
22、项对激发散射的贡献,散射激发 A2 项 PA 项 自由电子,包括气体等离子体 中电子 原子的电子跃迁 分子振动或晶格振动 极化声子(电磁激元) 晶体中的传导电子 晶体中等离子体激元 晶体中电子自旋反转和 朗道能级跃迁 有序磁性晶体中的磁振子,跃迁几率,薛定格方程,半经典理论,经典的光波 量子化的散射场,问题:为什么要并用多种理论途径?,W g 光bl,能量转换关系,光 散 射-硬件 (Hardware&Applications),入射光散射物散射光,光源 样品 检测器,光谱仪由入射光, 透镜组,色散元件和检测器组成.,G2,光 源,拉曼和克里施南发表的光谱(1929年),(a) 汞灯主线光谱
23、(b)用该汞灯谱线激发的 CCl4的瑞利线(中), 斯托克斯(右三条线)和 反斯托克斯谱线(左三条线),激光的优点,激光(光源),激光具有以下特性: 1.方向性:可不发散的发射到很远,而保持高能量. 2.单色性:在极窄的频率范围内,颜色一致;与一般光相比,其单色性 好104107倍. 3.亮度高:如太阳光的单色亮度为10-12,而目前激光的亮度为104107数量级,比太阳光高10161019倍 4.相干性:频率或单色性相同,相位也同;所以相干性极强,使光束截面内各点的光振动都彼此相干,纵向相干性很高. 5.简并度:同一量子(即光子)态内含有性质相同的量子(即光子)数;同一量子(既光子)态内有能
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