《光的衍射现象与应用》课件.ppt

*************************************光栅光谱仪入射狭缝限制光源尺寸1准直系统将光变为平行光2衍射光栅分散不同波长3聚焦系统重新聚焦衍射光4探测器记录光谱信息5光栅光谱仪利用光栅的色散特性分析光的光谱成分。现代光谱仪多采用闪耀光栅(也称为阶梯光栅)，其沟槽呈锯齿状，可以将大部分能量集中在特定衍射级数，提高仪器灵敏度。探测器从传统的光电倍增管发展到CCD阵列，实现了多波长同时测量，大大提高了测量效率。高端光谱仪可以达到0.001nm的分辨率，用于精密光谱分析、激光光谱测量和环境监测等领域。布拉格衍射基本原理布拉格衍射是波在周期性结构中的衍射现象，最初由W.H.布拉格和W.L.布拉格在研究X射线晶体衍射时发现。波在周期性结构中发生多次反射，只有特定角度的反射会发生相长干涉。布拉格公式布拉格公式为2dsinθ=nλ，其中d是晶面间距，θ是入射角(布拉格角)，n是衍射级数，λ是波长。当满足布拉格条件时，反射波相长干涉，形成强烈衍射。重要应用布拉格衍射是X射线晶体学的基础，广泛应用于材料科学、生物学和化学等领域。同时，布拉格衍射原理也应用于声光调制器、布拉格光栅和光纤布拉格光栅等光电子器件。X射线衍射X射线源产生X射线的装置，通常使用X射线管或同步辐射光源。X射线管通过高能电子轰击金属靶材(如铜、钼)产生特征X射线；同步辐射光源则提供高亮度、可调波长的X射线。晶体样品研究对象，可以是单晶、多晶或粉末样品。样品中原子的周期性排列形成衍射光栅，使X射线在特定方向上产生强烈衍射。探测系统记录衍射图样的装置，从早期的X射线胶片发展到现代的二维面探测器或CCD探测器，可以快速、精确地记录衍射强度和位置。分析软件处理衍射数据、计算晶体结构的计算机程序。现代X射线衍射分析高度自动化，可以快速确定晶体结构、相组成和微观应力等信息。晶体结构测定样品准备根据研究目的准备合适的晶体样品。单晶样品用于精确结构测定；粉末样品用于相分析；薄膜样品用于表面和界面研究。样品质量直接影响衍射数据的质量。衍射数据收集使用X射线衍射仪对样品进行扫描，收集不同角度的衍射强度。现代衍射仪可以在几小时内收集完整的衍射数据集，而早期可能需要数天或数周。相位问题解决X射线衍射只能测量强度，无法直接测量相位，这就是著名的相位问题。通过直接法、Patterson函数、同构替换等方法解决相位问题。结构精修通过最小二乘法等数学方法，优化原子坐标和热运动参数，使计算的衍射强度与实测值尽可能吻合。精修的结果包括精确的原子坐标、键长、键角等结构信息。电子衍射物理原理电子衍射基于德布罗意波假说，电子具有波动性，波长λ=h/p，其中h是普朗克常数，p是电子动量。加速电压为100kV的电子，其波长约为0.0037nm，远短于X射线，可以实现更高的分辨率。实验技术电子衍射主要在透射电子显微镜(TEM)中进行。电子束通过超薄样品(厚度100nm)，产生衍射图样。可以选择特定区域进行衍射分析，称为选区电子衍射(SAED)。应用领域电子衍射广泛应用于材料科学研究，特别是纳米材料、薄膜和界面结构分析。它可以提供晶体结构、取向关系、相变、缺陷等信息，是电子显微学的重要组成部分。中子衍射中子特性中子是没有电荷的粒子，具有波动性，波长可以通过调节能量控制。中子主要与原子核相互作用，而不是电子云，因此对轻元素(如氢、锂)敏感，能提供X射线难以获取的信息。实验装置中子衍射实验需要中子源(如核反应堆或散裂中子源)、中子单色器、样品环境装置和中子探测器。由于中子源强度有限，实验通常需要较长时间和较大样品。研究领域中子衍射在材料科学、凝聚态物理、生物学等领域有重要应用。特别适合研究含氢材料、磁性结构、相变动力学和大分子复合物等。中子穿透能力强，可用于研究体相材料和复杂样品环境。声波衍射原理与特点声波作为机械波，也表现出衍射现象。声波衍射特别明显，因为声波波长(通常为毫米至米量级)远大于日常障碍物尺寸。这解释了为什么声音能绕过障碍物传播到障碍物后方。超声波衍射超声波频率高(20kHz)，波长短，衍射效应较普通声波小，但仍可观察到。超声波衍射被用于无损检测、材料表征和医学成像等领域，可检测材料内部缺陷和结构。应用领域声波衍射现象在建筑声学、噪声控制、声学成像和水下声纳系统中有重要应用。理解声波衍射有助于设计更好的音响系统、声屏障和听音室，改善声音传播和感知。全息术原理干涉记录全息术利用光的干涉原理记录并重建物体的三维信息。全息摄影将参考光束和从物体反射的物光束干涉图样记录在全息底片上，这