确定晶格振动谱的实验方法

P
2 P 固定入射中子流的动量 p， ； P ' P q K E 2Mn P 2 测出不同散射方向上的动量 p ， (q ) E
P' 2 P2 ( q ) 2M n 2M n
h
2.仪器
单色器
2M n
布拉格反射产生单色 的动量为P的中子
中子源
斯托克斯散来自百度文库：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, q<<Ω
| Ω Ω | 由 ， k k | k k | q c = k , ' n
k 和 Ω 代表出射光的波矢和能量。
| Ω Ω | | k k | q
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；
4 然而，X光光子能量---10 eV
2
声子能量---102eV
能量变化很少，不易测量。
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
中子与晶体 的相互作用
中子吸收或发射声子
非弹性散射
中子与晶体中声 子的相互作用
散射过程满足能量守恒和准动量守恒。
中子散射的特点
•只与原子核发生作用
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。
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。
光子与晶体 的相互作用 光子吸收或发射声子
非弹性散射
光子与晶体中声 子的相互作用

散射过程满足能量守恒 和准动量守恒。
q 2k sin

2
k'
k

k
q
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。
这个波长范围的格波是属于长光学波。 因此，拉曼散射是光子与长光学波声子的相互作用。
2.X-射线散射 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， q 2k sin k 不再适用
| Ω Ω | 由 来求 | k k | q
准 直 器
2
准直器

样品
分析器

反应堆中产生 的慢中子流
探测器
布拉格反射产生单色 的动量为P’的中子
中子谱仪结构示意图
单色器
布拉格反射产生单色 的动量为P的中子
中子源
准 直 器
2
准直器

样品
分析器

反应堆中产生 的慢中子流
探测器
布拉格反射产生单色 的动量为P’的中子
中子谱仪结构示意图
思考题：
•探测要求高
入射中子流：
动量为
p
2 P 能量为 E 2Mn
为中子质量
从晶体中出射的中子流：
2 P 动量为 p 能量为 E 2M n
由能量守恒和准动量守恒得：
P' 2 P2 ( q ) 2M n 2M n
“+”表示吸收一个声子
“-”表示发射一个声子
P' P q K h
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
晶格振动的频率与波矢 q 之间的关系 (q)称为格波的色 散关系，也称为晶格振动谱。
实验方法主要有中子的非弹性散射、光子散射。
3.5.1 光子散射
1.光在散射
(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。
P' 2 P2 ( q ) 2M n 2M n
P ' P q K h
Kh=0称为正常散射过程
P q P'
Kh≠0称为倒逆散射过程
P'
q P
P q Kh P '
θ
P'
Kh
q
θ
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
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
对于吸收声子过程：
'
对于发射声子过程：
Ω Ω k q k
Ω Ω k k q
Ω Ω k k q
“+”表示吸收一个声子 “-”表示发射一个声子
k和代表入射光的波矢和能量，