确定晶格振动谱的实验方法
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§3-9 确定晶格振动谱的实验方法3. 9. 1 中子非弹性散射晶格振动频率与波数矢量之间的函数关系ω(q ),称为格波的色散关系,也称为晶格振动谱。
晶体的许多性质都与函数ω(q )有关,因此确定晶格振动谱是很重要的。
可能利用波与格波的的相互作用,以实验的方法来直接测定ω(q )。
最重要的实验方法是中子的非弹性散射,即利用中子的德布洛依波与格波的相互作用。
另外,还有X 射线散射,光的散射等。
目前,最常用的方法是中子非弹性散射。
设想有一束动量为p 、能量为22nM =p E 的中子流入射到样品上,由于中子仅仅和原子核之间有相互作用,因此它可以毫无困难地穿过晶体,而以动量p ′、能量22n M ''=p E 射出。
当中子流穿过晶体时,格波振动可以引起中子的非弹性散射,这种非弹性弹射也可以看成是吸收或发射声子的过程。
散射过程首先要满足能量守恒关系:()2222n np p M M ω'-=±q …………………………………………………(3-9-1) ħω( q )表示声子的能量,“+”号和“-”号分别表示吸收和发射声子的过程。
散射过程同时要满足准动量守恒关系:n '-=±+p p q G ………………………………………………………(3-9-2) 其中12233n n n n =++G b b b 1为倒格子矢量,ħq 称为声子的准动量。
一般说来,声子的准动量并不代表真实的动量,只是它的作用类似于动量,如式(3-9-2)所示,在中子吸收和发射声子过程中,存在类似于动量守恒的变换规律,但是,多出n G 项。
动量守恒是空间均匀性(或者称为完全的平移不变性)的结果,而上述准动量守恒关系实际上是晶格周期性(或者称为晶格平移不变性)的反映。
一方面,由于晶格也具有一定的平移对称性(以布拉伐格子标志),因而存在与动量守恒相类似的变换规律;另一方面,由于晶体平移对称性与完全的平移对称性相比,对称性降低了,因而变换规则与动量守恒相比,条件变弱了,可以相差n G 。