固体物理实验方法
固体物理实验技术使用方法
固体物理实验技术使用方法在固体物理的研究和实验中，实验技术的应用至关重要。
各种实验技术不仅可以帮助我们观察和测量样本的性质，还能帮助我们揭示物质的微观结构和性质。
本文将介绍一些常用的固体物理实验技术使用方法，并探讨其优缺点和适用范围。
一、X射线衍射实验技术X射线衍射是一种重要的固体物理实验技术，可用于分析晶体的结构和性质。
使用该技术时，首先需要一台X射线衍射仪。
我们将待测的晶体放置在衍射仪的样品台上，然后调整入射角和衍射角，以便获得清晰的衍射图案。
通过分析衍射图案，我们可以推断出晶体的晶格常数、晶体结构和晶面指数等信息。
然而，X射线衍射技术也存在一些局限。
首先，非晶态材料和粉末样品并不适合使用X射线衍射。
其次，该技术需要高度纯净的晶体样品，并且通常需要进行复杂的样品制备步骤。
因此，在实际操作时需要充分考虑样品的制备和测量条件。
二、扫描电子显微镜（SEM）技术扫描电子显微镜是一种常用的表面形貌分析技术，它可以提供高分辨率的样品表面形貌图像。
在进行SEM实验时，我们需要将待测样品放置在SEM仪器的样品台上，并用电子束扫描样品表面，通过观察电子束与样品相互作用产生的信号来获取样品的电子图像。
SEM技术具有很高的表面分辨率和显微镜图像的深度。
它可以观察微观尺度下的样品表面微结构，并提供有关样品表面元素成分的信息。
然而，SEM仪器的高分辨率也需要较高的设备维护成本，并且对样品制备要求较高。
三、核磁共振（NMR）实验技术核磁共振是一种重要的固体物理实验技术，广泛应用于材料科学和化学等领域。
使用NMR技术时，我们将待测样品置于一个强磁场中，并通过施加射频脉冲来激发样品中的原子核。
通过测量激发原子核的自旋矩阵元的信号来获得样品的核磁共振谱图。
核磁共振谱图可以提供样品的化学位移、偶合常数、弛豫时间等信息。
NMR技术具有极高的分辨率和灵敏度。
它可以测量不同核自旋的能级差，并用于分析样品中不同核自旋的种类、数量和化学环境。
压缩强度名词解释
压缩强度的概念及背景什么是压缩强度？压缩强度是指在压缩过程中，所需应用的力和能量对材料产生的变形的程度。
简单来说，压缩强度可以用以衡量材料在受到压缩力时的抗压能力。
压缩强度的重要性压缩强度是衡量材料耐压能力的重要指标之一。
在工程领域中，了解材料的压缩强度可以帮助我们选择合适的材料用于承受压缩力的结构。
此外，合理地控制压缩强度还可以保证工程结构的安全性和可靠性。
压缩强度的测试方法为了准确测量材料的压缩强度，人们开发了多种压缩测试方法，其中常用的包括：1.压缩试验机2.固体物理实验法3.数值模拟方法下面将分别对这三种测试方法进行介绍。
压缩试验机原理及使用压缩试验机是一种常见的测试设备，通过施加垂直向下的力使材料受到压缩，在测试过程中可连续测量压缩力与变形量，从而计算得到材料的压缩强度。
压缩试验机通常由加载机构、控制系统和测量系统组成。
加载机构用于施加压缩力，控制系统则用于控制施力速度和测量变形量，测量系统则用于测量压缩力和变形量。
优缺点压缩试验机具有以下优点：•测试过程简单、直观，结果可靠。
•适用于不同材料的压缩强度测试。
•可以得到大量数据，用于进一步研究和分析。
然而，压缩试验机也存在一些不足之处：•在测试软材料时，可能会造成样品失稳。
•无法模拟真实的工程应力条件，测试结果可能与实际情况存在差异。
因此，在具体应用中，需要根据实际需要考虑使用压缩试验机的迭代核心力度。
固体物理实验法原理及使用固体物理实验法是一种通过理论模型和实验验证相结合的方法来探究材料的力学和物理性质。
通过观察材料在受到压缩力时的变形和破裂行为，可以间接地推断出其压缩强度。
在固体物理实验中，常用的测试方法包括：1.数码相机观察法：通过拍摄并分析材料在压缩过程中的图像，可以观察到变形和破裂的情况。
2.拉伸-压缩法：通过在不同方向施加力，观察材料在不同条件下的压缩强度，以得出结果。
优缺点固体物理实验法具有以下优点：•可以直接观测和记录材料的变形和破裂行为，对研究材料的压缩性能有较好的解释能力。
固体物理实验方法-USTC
NSRL（合肥） SRRC（新竹）
第三代
APS（美国） ESRF（欧洲）
SSRC（上海，在建）
SPRING8（日本）
2)同步辐射装置
二极弯转磁铁（Bend Magnet）、扭摆磁铁 （Wiggler Magnet）、波荡器（undulator）
同步辐射的优异特性 1)广宽平滑的连续谱 根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外直至 真空紫外，软X射线，硬X射线，甚至γ射 线，其
4)偏振性 5)洁净 6)脉冲时间结构 7)高稳定性 8)可由理论准确计算 9)同步辐射实验室对全世界开放
延波荡器长度方向的距离
X射线激光原理图
4.其它X射线源
1)放射源 55Fe 发射出Mn K 实验室常用于校
准探测器 2)等离子体源 激光等离子体光源 Z箝缩等离子体光源 飞 秒脉冲强激光的高次谐波 3)X射线激光、自由电子激光 4)宇宙中的X射线源
3)X射线管的主要性能指标 靶元素 确定谱特征 常用靶元素Mo Cu W Ag 功率 密封管1-3KW 旋转靶12KW, 18KW(100KW)
焦斑 标准焦斑 1mm10mm细聚焦管 0.4mm 4mm
3.同步辐射
1）同步辐射和同步辐射光源
速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲线运动时
5.X射线辐射损伤与防护
实验中必须不让光源直接照射人体 记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监 测。通常X射线实验室（包括同步辐射）中辐 射剂量远低于安全剂量。
例 Cu
K1 0.15406nm K2 0.15444nm K 0.1542nm
K 0.13923nm
V0 8.98KV
C.特征谱强度 I 与电压V电流i的关系 I Bi(V V0)n n=1.5--2 与连续谱比，当 V (3 5)V0 时，强度强两个量级 K系三条谱线的强度比 1 :2 : 100 : 50 : 20
《固体物理教案》课件
《固体物理教案》PPT课件一、引言1. 介绍固体物理的概念和重要性2. 固体的分类和特点3. 固体物理的研究方法和内容二、晶体结构1. 晶体的定义和特点2. 晶体的基本结构类型3. 晶体的空间群和点群4. 晶体的对称性分析三、晶体的物理性质1. 晶体的光学性质2. 晶体的电性质3. 晶体的磁性质4. 晶体的热性质四、晶体的力学性质1. 晶体的弹性性质2. 晶体的塑性变形3. 晶体的断裂和强度4. 晶体的超导性质五、非晶体和准晶体1. 非晶体的定义和特点2. 非晶体的形成和结构3. 准晶体的定义和特点4. 准晶体的结构和性质六、电子态和能带理论1. 电子态的定义和分类2. 自由电子气和费米液体3. 能带理论的基本概念4. 能带的计算和分析方法七、原子的电子结构和元素周期表1. 原子的电子结构类型2. 原子轨道和电子云3. 元素周期表的排列原理4. 元素周期律的应用八、半导体物理1. 半导体的定义和特点2. 半导体的能带结构3. 半导体的导电性质4. 半导体器件的应用九、超导物理1. 超导现象的发现和特性2. 超导体的微观机制3. 超导体的临界参数4. 超导技术的应用十、纳米材料和固体interfaces1. 纳米材料的定义和特性2. 纳米材料的制备和应用3. 固体interfaces 的定义和类型4. 固体interfaces 的性质和调控十一、磁性和顺磁性材料1. 磁性的基本概念和分类2. 顺磁性材料的微观机制3. 顺磁性材料的宏观特性4. 顺磁性材料的应用十二、金属物理1. 金属的电子性质2. 金属的晶体结构3. 金属的塑性变形机制4. 金属的疲劳和腐蚀十三、光学性质和声子1. 固体的光学吸收和散射2. 声子的定义和特性3. 声子的晶体和性质4. 声子材料的应用十四、拓扑缺陷和量子材料1. 拓扑缺陷的定义和分类2. 量子材料的定义和特性3. 量子材料的研究方法和应用4. 拓扑缺陷和量子材料的前沿进展十五、固体物理实验技术1. 固体物理实验的基本方法2. 固体物理实验的仪器和设备3. 固体物理实验的数据分析和处理4. 固体物理实验的实际应用重点和难点解析一、引言重点：固体物理的基本概念和研究内容。
固体物理基础曹全喜总结
固体物理基础曹全喜总结固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科。
固体是物质的一种状态，具有一定的形状和体积，分子或原子之间相对稳定，排列有序。
固体物理研究的对象包括晶体、非晶体、液晶等各种固态形态的物质。
固体物理的研究方法主要包括实验和理论两个方面。
实验是通过对实际物体进行测量和观察，获取物质性质和行为的数据。
实验方法包括X射线衍射、电子显微镜等。
理论方法是通过建立物理模型和方程，运用数学工具进行推导和计算，预测和解释实验现象。
理论方法主要包括量子力学、统计物理等。
固体物理的研究内容包括晶体结构、物质的力学性质、热学性质、电学性质、磁学性质等方面。
晶体结构是固体物理的基础，它研究的是物质的原子或分子的排列方式。
晶体结构的研究对于理解物质的性质和行为具有重要意义。
物质的力学性质研究的是物质的变形和力学响应。
热学性质研究的是物质的热传导、热膨胀等现象。
电学性质研究的是物质对电场的响应，包括电导、电磁波传播等。
磁学性质研究的是物质对磁场的响应，包括磁化、磁共振等。
固体物理的研究对于科学技术的发展和人类社会的进步具有重要意义。
固体物理的研究成果在材料科学、电子器件、能源等领域有广泛的应用。
例如，固体物理研究为新材料的开发和设计提供了理论基础。
固体物理的研究成果也为电子器件的设计和制造提供了重要的指导。
在能源领域，固体物理的研究对于太阳能电池、燃料电池等新型能源技术的发展具有重要意义。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他在固体物理的研究和教学方面做出了卓越贡献。
曹全喜教授的研究涉及固体物理的多个方面，包括晶体生长、低维材料、磁性材料等。
他的研究成果在国内外学术界产生了广泛的影响。
曹全喜教授的教学工作也备受学生和同行的认可，他培养了一大批优秀的固体物理学者。
固体物理是研究固体物质的性质和行为的学科，具有重要的理论和应用价值。
固体物理基础曹全喜是固体物理领域的杰出代表，他的研究成果为固体物理的发展做出了重要贡献。
固体物理 1 (2)
CD+OD, CD = - RlS0 OD=RlS
当光程差是波长的整数时产生衍射极大为 整数。 CD+OD=Rl( S - S0) = 为整数 (11)
这个方程称为劳厄(Laue)方程。
The Nobel Prize in Physics 1914 "for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals"
反射球的作法 设入射线沿CO方向，取线段 C=2/， 是所用单色X射线的 波长。再以C为心，以OC=2/为半径所作的球就是反射球。 若P是球面上的一个倒格点，则CP就是以OP为倒格矢的一族晶 面(h1h2h3)的反射方向，如图所示，图中虚线示晶面族(h1h2h3)之 迹。同样，设想球面上另有一倒格点 Q (图中未曾画出)，则CQ 代表以OQ为倒格矢的另一族晶面的反射方向。 作反射球时要注意，晶体 并不在球心C，而是在倒格点 O处，C不一定是倒格点。
原子散射因子的计算方法
设 r 为原子中某一点P 的位矢，So，S分别是入射方向和衍射 方向的单位矢量，则由P点的散射波相由0 r (k k 0 ) r 2
sr
设(r)d是电子在P点附近体积元 d 内的几率，原子散射因子为
这里所考虑的是一级反射，则自O点和球面上一倒格 点间的联线OP间不含倒格点。如果反射是二级的，则当 中还含有一个倒格点。
波长一定时，反射球大小一定。倒易格子参数越小 (晶 胞越大)，倒易格子点越密集，所产生衍射的数目也越多。
(4) 实验方法 当晶体相对入射线有一种取向，即倒易格子分布一定 时即有一定数量的倒易格子点落到球面上，产生相应数目 的衍射。 当改变晶体取向，即倒易格子与反射球做相对运动的 过程，将有另一些倒易格子点落到反射球面上。 因此晶体 (倒易格子) 和反射球之间不同形式的相对运 动对应于晶体的X射线衍射的各种实验。
固体物理-固体比热容
（2.93）
由（2.90）式给出。
后来发现，杜隆-珀替定律只适用于足够高 的温度。对于一个典型固体 Cv 的值被发现 随温度的影响具有如图2.9所示的行为。
固体比热的经典理论
由图可知，在低温时，热容量不再保持 为常数，而是随温度的下降很快趋向于零。
Modern Theory of the Specific Heat of Solids 固体比热的现代理论
Heat Capacity of Solids 固体热容
固体比热的经典理论
在十九世纪，由实验得到在室温下固体的 比热是由杜隆-珀替定律给出的：
Cv 3R 3N A K B
（2.90）
热容是一个与温度和材料都无关的常数。 其中R=NAKB，NA是阿伏伽德罗常数（6.03×1023 atoms /mole）KB是玻尔兹曼常数（1.38×10-16尔 格/开，尔格是功和能量的单位1焦耳=107尔格）。 回想一下，1卡路里= 4.18焦耳= 4.18×107尔格。 因此，（2.90）所给出的结果
T 9 Nk B D
பைடு நூலகம்
0
x 4e x 1 2e x 3e 2 x dx
x 4 ne nx dx
n 1
3
0
T 9 Nk B D
利用积分公式：
3
4 nx n x e dx
n 1
j
1 n exp n j j 2 j n j
exp n j n
j
其中
1 E n j j 2 j 1 nj j exp k T 1 B
固体物理学-晶体X射线衍射的实验方法
现衍射极大？并指出在什么样的波长下，能观察到这些衍射极大。
解：
简单正交格子正格基矢：
՜ ՜ ՜
, ,
表示沿三个坐标轴方向的单
位矢量。
Solid State Physics
简单正交格子正格基矢：
其倒格基矢：
倒格矢：
据题意，入射的X射线的波矢
实的抽象，有严格的物理意义。
(2) 倒易点阵是晶体点阵的倒易，不是客观实在，没有特
定的物理意义，纯粹为数学模型和工具。
(3) Ewald球本身无实在物理意义，仅为数学工具。但由
于倒易点阵和反射球的相互关系非常完善地描述了X
射线在晶体中的衍射，故成为有力手段。
(4) 如需具体数学计算，仍要使用布拉格方程。
❖该 球 称 为 反 射 球
（Ewald 球）
Solid State Physics
➢ 入射、衍射波矢的起点
永远处于C点，末端永
远在球面上
S/
➢ 随2的变化，衍射波矢
C
可扫过全部球面。nKh
的起点永远是原点，终
nKh
点永远在球面上
2
nKh
2
2
0
nKh
O
Solid State Physics
4. 反射球球心C与倒易点的连线
即为衍射方向。
hklLeabharlann 2sC
0
O
Solid State Physics
如果没有倒易点落在球面上，则无衍射发生。
为使衍射发生，可采用两种方法。
hkl
2
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4)偏振性 5)洁净 6)脉冲时间结构 7)高稳定性 8)可由理论准确计算 9)对全世界开放
NSRL
5.其它X射线源
1)放射源 55 Fe 发射出Mn K 实验室常用于 校准探测器 2)等离子体源 激光等离子体光源 Z箝缩等离子体光源 飞秒脉冲强激光的高次谐波 3)X射线激光、自由电子激光 4)宇宙中的X射线源
2)X射线波长λ与光子能量的关系
E x h h
c
hc 1.2398 (keV nm) 1.24(keV nm) 1.2398 (keV nm) 1.24(keV nm) Ex
3)X射线在电磁辐射谱中的位置
4)典型的波粒二象性 波 λ 偏振 相干散射 界面的反射、折射 用经典电磁理论处理 粒子 光电吸收 不相干散射 用量子理论处理
潘国强.同步辐射应用基础
例 Cu
K1 0.15406nm
K2 0.15444nm
K
K
0.1542nm
0.13923nm
V0 8.98kV
C.特征谱强度 I 与电压V电流i的关系 I Bi(V V0 )n n=1.5--2 与连续谱比，当 V (3 5)V0 时，强度强两个量级 K系三条谱线的强度比 1 : 2 : 100: 50: 20验中必须不让光源直接照射人体 记录长时间人体所受的辐射剂量，进行跟踪监测。 通常X射线实验室（包括同步辐射）中辐射剂量远低 于安全剂量。
延波荡器长度方向的距离
X射线激光原理图
第一章: X射线本质及X射线源
1. X射线的发现及其本质的确定
1） X射线是波长很短的电磁辐射，是光子能量很高 (~keV)的光子流。它具有典型的波粒二象性。
1895 Rö ntgen W.C. 发现X射线 （1901年首届诺贝尔物理奖） 1912 Laue.M. 晶体的X射线衍射，Laue方程 （1914年诺贝尔物理奖） 1913 Bragg, W.H & W.L. Bragg定律 (1915年诺贝尔物理奖) ——X射线是一种波长很短(～À)的电磁辐射 1923 pton X射线的Compton散射 （1927年诺贝尔物理奖） ——X射线的量子特性
2)同步辐射装置
二极弯转磁铁（Bend Magnet）、扭摆磁铁（Wiggler Magnet）、波荡器（undulator）
同步辐射的优异特性 1)广宽平滑的连续谱 根据电子能量的不同，其频谱范围可从红外 直至真空紫外，软X射线，硬X射线，甚至γ射 线，其特征波长 c 为
c 4 R / 3r
2)X射线管发射谱 （1）连续谱 辐射机制：韧致辐射 最短波长 （2）标识谱（特征谱） 波长（光子能量）由靶元素确定的线谱，它在所 加电压高于靶元素的激发电压时叠加在连续谱上。 A.辐射机制：靶原子内壳层的电子跃迁 B.主要谱线 LIII→K LII→K M→K
特征谱线（标识辐射 ）
continuum
固体物理实验方法 （I） ——X射线结构分析
罗震林、刘文汉 zlluo@ 3－422，NSRL
主要内容
一． 二． 三． 四．
X射线本质及X射线源 X射线与物质的相互作用 晶体的X射线衍射 X射线吸收精细结构
教学、考核方法 教学：讲课为主，阅读文献为辅 教材：自印讲义； 作业 考核：开卷考试 参考书目 王华馥，吴自勤．固体物理实验方法，第二章 固 体X射线学．高等教学出版社，1990 黄胜涛．固体X射线学．高等教学出版社 B.E.Warren, X-ray Diffraction, Addison-Wesley Pub.Co.Inc. Jens Als-Nielsen, Des McMorrow, Elements of Modern X-ray physics, John Wiley&Sons Ltd，2000
3
其中R为电子弯转半径，γ为电子能量与其静 止能量（0.511Mev）之比
c c
NSRL的弯转磁铁和扭摆器光通量理论计算光谱(频谱)
c 4 R / 3r
3
2)高强度,高亮度
图5 X射线源亮度
3)方向性好 同步辐射功率集中在电子运动方向上极小的立体 角内，其立体角的大小约为 1 / rad。 例：1Gev的电子所发射的同步辐射集中在0.5mrd 的立体角内
2.X射线的用途
现代物理发展中的关键作用 原子水平上的固体结构分析
– 固体结构：原子结构、电子结构 – X射线衍射、X射线吸收精细结构
连续介质的组织结构分析（X射线透射成像）
– 二维向三维发展CT – 吸收衬度成像，相位衬度
– 显微成像
等离子体的结构研究 X射线天文学
最重要的结构研究手段
3)X射线管的主要性能指标
靶元素 确定谱特征 常用靶元素Mo Cu W Ag 功率 密封管1-3KW 旋转靶12KW, 18KW(100KW) 焦斑 标准焦斑 1mm 10mm 细聚焦管 0.4mm 4mm
4.同步辐射
1）同步辐射和同步辐射光源 速度接近光速的电子（称为相对论电子）在磁场中作曲 线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射称为同步辐射， 因为这种辐射是1947年首先在电子同步加速器上发现的。 产生同步辐射的装置，即电子同步加速器或电子储存环 就称为同步辐射光源。目前世界上已有几十个同步辐射 光源在运行。代表性的光源有： 第一代（兼用机） SSRL（美国） BSRF（北京） 第二代（专用机） NSLS（美国） NSRL（合肥） PF（日本） SRRC（新竹） 第三代 APS（美国） ESRF（欧洲） SPRING8（日本） SSRF（上海）
O N M
e
L
L-series
n = 2, L = 1, J = 3/2; 2P3/2 n = 2, L = 1, J = ½; 2P1/2 n = 2, L = 0, J = ½; 2S1/2 1 2
(LIII) (LII) (LI)
K K-series
K
n = 1, L= 0, J = ½; 2S1/2
其他应用
工业应用 X射线光刻 医疗应用 X透射成像，CT 安检应用 X透射成像
3.X射线管及其发射谱
1)X射线机的组成 X射线管 高压发生器 水冷系统 控制电路 X射线管结构 电子枪（阴极） 金属靶（阳极） 水冷通道 窗口(Be)
图1 密封式X射线管结构
强度
（0.1nm）
图2 各种阳极发出的X射线谱