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材料结构分析基础(第二版) 版权信息
- ISBN：9787030279927
- 条形码：9787030279927 ; 978-7-03-027992-7
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
材料结构分析基础(第二版) 内容简介
本书介绍材料微观结构分析的基本原理、分析仪器与分析方法。全书分两大部分：基础理论与分析方法。**部分讲述与材料结构分析有关的物理学基础以及材料结构的基本知识，包括光、电子、离子、原子、分子的性质，晶体结构与晶体结构的表征方法。第二部分介绍一些现代常用的材料分析仪器及其对材料成分、结构与形貌的分析方法，包括显微和衍射、光谱、能谱和质谱，以及利用材料物理、化学性质进行结构分析的方法。
材料结构分析基础(第二版) 目录
目录
第二版前言
**版序
**版前言
第1章 物理学基础 1
1.1 粒子与波 1
1.1.1 光与X射线 1
1.1.2 实物粒子 4
1.2 衍射与成像 5
1.2.1 概述 5
1.2.2 散射波叠加 5
1.2.3 缝、孔衍射 7
1.2.4 光栅衍射 9
1.2.5 透镜成像 15
1.3 原子结构与光谱 21
1.3.1 原子的壳层结构 21
1.3.2 原子的激发与电离 25
1.3.3 特征辐射 26
1.3.4 俄歇电子 29
1.3.5 核 30
1.4 分子结构与光谱 33
1.4.1 分子结构 33
1.4.2 分子振动能级与分子振动光谱 38
1.4.3 分子转动能级与分子转动光谱 39
1.4.4 分子轨道能级和分子电子光谱 40
1.4.5 分子光谱 41
1.5 光与物质的相互作用 42
1.5.1 概述 42
1.5.2 散射 43
1.5.3 原子散射因子 46
1.5.4 吸收与衰减 48
1.5.5 吸收体的物理效应 50
1.6 带电粒子在电磁场中的运动 51
1.6.1 带电粒子的电磁辐射 51
1.6.2 电磁场对带电粒子的作用 52
1.6.3 电子透镜 52
1.7 带电粒子与物质的相互作用 54
1.7.1 概述 54
1.7.2 带电粒子的射程 55
1.7.3 电子的相干散射 57
1.7.4 电子与物质的相互作用 59
1.7.5 离子与物质的相互作用 61
习题 62
第2章 固体结构 65
2.1 晶体 65
2.1.1 晶体的形成 65
2.1.2 晶体结构 66
2.2 晶体的对称性 68
2.2.1 对称的概念 68
2.2.2 晶体的宏观对称性 68
2.2.3 晶体的微观对称性 72
2.2.4 晶体结构的表示式 77
2.3 晶面与晶向 78
2.3.1 晶面指数与晶向指数 78
2.3.2 晶面间距、晶面夹角 80
2.3.3 晶带 83
2.4 晶体投影 84
2.4.1 球面投影 84
2.4.2 极射平面投影和乌氏网 85
2.4.3 标准投影图 89
2.5 晶体衍射理论（一） 90
2.5.1 晶体衍射的运动学理论 90
2.5.2 劳埃方程与布拉格方程 91
2.5.3 劳埃方程和布拉格方程的不确定性 94
2.5.4 薄晶体以及晶体表面的衍射 98
2.6 晶体衍射理论（二） 99
2.6.1 晶胞的衍射强度 99
2.6.2 单晶体的衍射强度 102
2.6.3 多晶体的衍射强度 104
2.6.4 温度因子 105
2.7 晶体缺陷和实际晶体 106
2.7.1 理想晶体和实际晶体 106
2.7.2 调制结构 106
2.8 准晶、非晶、胶体和液晶 107
2.8.1 准晶体 107
2.8.2 非晶体 107
2.8.3 胶体 109
2.8.4 液晶 111
2.9 材料结构分析 113
2.9.1 材料结构分析的概念 113
2.9.2 材料结构分析的方法 115
习题 117
第3章 光谱分析 119
3.1 光的检测与光谱仪 119
3.1.1 光的检测 119
3.1.2 光栅光谱仪 121
3.1.3 傅里叶变换 123
3，1.4 傅里叶射频波谱仪 124
3.1.5 傅里叶红外光谱仪 125
3.2 发射光谱分析 127
3.2.1 原子发射光谱仪 127
3.2.2 制样 129
3.2.3 原子发射光谱的谱线 130
3.2.4 原子发射光谱的分析方法 131
3.3 紫外-可见吸收光谱分析 135
3.3.1 紫外-可见吸收光谱仪 135
3.3.2 紫外吸收光谱 137
3，3.3 试样制备 142
3.3.4 分析应用 142
3.3.5 原子吸收光谱法 145
3.4 红外吸收光谱分析 148
3.4.1 基本原理 148
3.4.2 傅里叶红外吸收光谱仪 150
3.4.3 试样 151
3.4.4 红外光谱解析 152
3.4.5 红外光谱应用 157
3.4.6 拉曼散射光谱分析 159
3.5 核磁共振吸收波谱分析 161
3.5.1 基本原理 161
3.5.2 核磁共振波谱仪 161
3.5.3 试样 163
3.5.4 化学位移与自旋分裂 163
3.5.5 核磁共振氢谱及应用 168
3，5.6 13C核磁共振 170
3.5.7 核磁共振成像原理 171
习题 171
第4章 质谱和色谱 173
4.1 离子的检测与质谱仪 173
4.1.1 离子检测器 173
4.1.2 磁偏转型质量分析器 174
4.1.3 四极杆质量分析器 175
4.2 质谱分析方法 176
4.2.1 质谱仪工作原理 176
4，2.2 质谱仪主要性能 179
4.2.3 质谱图及谱线的测量 179
4.2.4 有机质谱中的离子峰 180
4.2.5 有机化合物相对分子质量的测定 183
4.2.6 有机化合物定性分析 185
4.2.7 有机化合物的定量分析 188
4，2.8 有机质谱的应用 188
4.2.9 无机质谱分析方法 188
4.3 色谱 189
4.3.1 概述 189
4.3.2 气相色谱分析 191
4.3.3 气相色谱-质谱联用分析 197
4.3.4 高效液相色谱 200
4.3.5 平板色谱法 203
习题 205
第5章 X射线分析 206
5.1 X射线的检测与X射线谱仪 206
5.1.1 二维图像的记录 206
5.1.2 X射线光粒子计数器 206
5.1.3 X射线能谱仪 208
5.1.4 X射线分光计 210
5.1.5 单色器 213
5.2 X射线荧光谱分析 214
5.2.1 X射线荧光谱仪 214
5.2.2 X射线的二次激发 216
5.2.3 波谱图 217
5.2.4 荧光X射线定性分析 218
5.2.5 荧光X射线定量分析 219
5.2.6 能谱图与定性、定量分析 221
5.2.7 能谱仪和波谱仪的比较 221
5.3 粉末衍射分析 222
5.3.1 多晶体的X射线衍射强度 223
5.3.2 德拜法照相 224
5.3.3 粉末衍射仪 224
5.3.4 试样制备与扫描测试 228
5.3.5 衍射图谱 229
5.3.6 单相物质的晶型分析 234
5.3.7 物质的物相定性分析 236
5.3.8 物质的物相定量分析 239
5.3.9 点阵常数的精确测定 243
5.3.10 宏观应力分析 246
5.3.11 微晶尺寸和微观应力的测试 249
5.4 单晶衍射分析 250
5.4.1 劳埃法 250
5.4.2 旋转晶体法 254
5.5 多晶织构分析与针孔法 256
5.5.1 织构 256
5.5.2 织构的表示与多晶体极图 256
5.5.3 针孔法与多晶织构试样的衍射 257
5.5.4 织构的测定 259
习题 261
第6章 光学显微镜 263
6.1 像的观察与记录 263
6.2 光学金相显微分析 264
6.2.1 光学金相显微镜 264
6.2.2 显微镜光学性能 266
6.2.3 试样制备 269
6.2.4 显微镜观察方式 277
6.2.5 摄像 279
6.2.6 偏振光显微 280
6.2.7 相衬金相 282
6.2.8 显微硬度及其测定 285
6.3 定量金相 287
6.3.1 基本测量方法 288
6，3.2 定量金相的计算 289
6.3.3 计算机金相图像分析系统 292
6.4 低倍观察方法 292
6.4.1 概述 292
6，4.2 检验方法 293
6.4.3 体视显微镜 294
6.5 透射光学显微方法 294
6.5.1 复型 294
6.5.2 透射偏光显微镜 295
习题 295
第7章 电子显微方法 297
7.1 电子像的观察和记录 297
7.2 透射电子显微镜 297
7.2.1 仪器构造 297
7，2.2 仪器性能 300
7.3 试样制备 302
7.3.1 粉末试样膜 302
7.3.2 试样复型 303
7.3.3 薄膜试样 304
7.4 成像方式 306
7.4.1 显微成像 306
7.4.2 衍射成像 307
7.5 电子衍射图像分析 309
7.5.1 电子衍射 309
7.5.2 电子衍射花样及其几何特征 311
7.5.3 多晶试样的物相鉴定及衍射花样指标化 313
7.5.4 单晶试样的物相鉴定及衍射花样指标化 314
7.5.5 选区电子衍射中图像相对于花样的磁转角标定 319
7.5.6 复杂衍射花样 320
7.5.7 菊池衍射花样 322
7.6 透射电子显微图像分析 324
7.6.1 柱体近似 324
7.6.2 非晶体试样质厚衬度成像原理 325
7.6.3 复型成像的衬度 325
7.6.4 复型浮雕图像分析 327
7.6.5 电镜放大倍数与点分辨本领的测定 327
7.6.6 晶体试样衍射衬度成像原理 327
7.6.7 双光束条件 329
7.6.8 理想晶体的衍射强度 331
7.6.9 缺陷晶体的衍射强度 333
7.6.10 堆积层错 334
7.6.11 位错 335
7.6.12 畴结构 336
7.6.13 第二相粒子 337
7.6.14 电子衍射运动学理论的局限性 338
7.6.15 薄晶体的高分辨像 338
7.7 低能电子衍射和低能电子显微镜 339
7.7.1 低能电子衍射分析 339
7.7.2 低能电子显微分析 340
习题 342
第8章 探针和扫描显微分析 344
8.1 电子的检测与能谱仪 344
8，1.1 电子检测器 344
8.1.2 电子能量分析器 345
8，1.3 离子能量分析器 347
8.2 电子探针与扫描电子显微分析 348
8.2.1 电子束轰击固体试样激发的物理信号 348
8.2.2 电子探针X射线显微分析仪 349
8.2.3 扫描电子显微镜的结构与工作原理 351
8.2.4 扫描电子显微镜的性能 354
8，2.5 试样制备 356
8.2.6 扫描图像分析 357
8.2.7 X射线能谱分析 358
8.2.8 背散射电子衍射分析 358
8.2.9 电
第二版前言
**版序
**版前言
第1章 物理学基础 1
1.1 粒子与波 1
1.1.1 光与X射线 1
1.1.2 实物粒子 4
1.2 衍射与成像 5
1.2.1 概述 5
1.2.2 散射波叠加 5
1.2.3 缝、孔衍射 7
1.2.4 光栅衍射 9
1.2.5 透镜成像 15
1.3 原子结构与光谱 21
1.3.1 原子的壳层结构 21
1.3.2 原子的激发与电离 25
1.3.3 特征辐射 26
1.3.4 俄歇电子 29
1.3.5 核 30
1.4 分子结构与光谱 33
1.4.1 分子结构 33
1.4.2 分子振动能级与分子振动光谱 38
1.4.3 分子转动能级与分子转动光谱 39
1.4.4 分子轨道能级和分子电子光谱 40
1.4.5 分子光谱 41
1.5 光与物质的相互作用 42
1.5.1 概述 42
1.5.2 散射 43
1.5.3 原子散射因子 46
1.5.4 吸收与衰减 48
1.5.5 吸收体的物理效应 50
1.6 带电粒子在电磁场中的运动 51
1.6.1 带电粒子的电磁辐射 51
1.6.2 电磁场对带电粒子的作用 52
1.6.3 电子透镜 52
1.7 带电粒子与物质的相互作用 54
1.7.1 概述 54
1.7.2 带电粒子的射程 55
1.7.3 电子的相干散射 57
1.7.4 电子与物质的相互作用 59
1.7.5 离子与物质的相互作用 61
习题 62
第2章 固体结构 65
2.1 晶体 65
2.1.1 晶体的形成 65
2.1.2 晶体结构 66
2.2 晶体的对称性 68
2.2.1 对称的概念 68
2.2.2 晶体的宏观对称性 68
2.2.3 晶体的微观对称性 72
2.2.4 晶体结构的表示式 77
2.3 晶面与晶向 78
2.3.1 晶面指数与晶向指数 78
2.3.2 晶面间距、晶面夹角 80
2.3.3 晶带 83
2.4 晶体投影 84
2.4.1 球面投影 84
2.4.2 极射平面投影和乌氏网 85
2.4.3 标准投影图 89
2.5 晶体衍射理论（一） 90
2.5.1 晶体衍射的运动学理论 90
2.5.2 劳埃方程与布拉格方程 91
2.5.3 劳埃方程和布拉格方程的不确定性 94
2.5.4 薄晶体以及晶体表面的衍射 98
2.6 晶体衍射理论（二） 99
2.6.1 晶胞的衍射强度 99
2.6.2 单晶体的衍射强度 102
2.6.3 多晶体的衍射强度 104
2.6.4 温度因子 105
2.7 晶体缺陷和实际晶体 106
2.7.1 理想晶体和实际晶体 106
2.7.2 调制结构 106
2.8 准晶、非晶、胶体和液晶 107
2.8.1 准晶体 107
2.8.2 非晶体 107
2.8.3 胶体 109
2.8.4 液晶 111
2.9 材料结构分析 113
2.9.1 材料结构分析的概念 113
2.9.2 材料结构分析的方法 115
习题 117
第3章 光谱分析 119
3.1 光的检测与光谱仪 119
3.1.1 光的检测 119
3.1.2 光栅光谱仪 121
3.1.3 傅里叶变换 123
3，1.4 傅里叶射频波谱仪 124
3.1.5 傅里叶红外光谱仪 125
3.2 发射光谱分析 127
3.2.1 原子发射光谱仪 127
3.2.2 制样 129
3.2.3 原子发射光谱的谱线 130
3.2.4 原子发射光谱的分析方法 131
3.3 紫外-可见吸收光谱分析 135
3.3.1 紫外-可见吸收光谱仪 135
3.3.2 紫外吸收光谱 137
3，3.3 试样制备 142
3.3.4 分析应用 142
3.3.5 原子吸收光谱法 145
3.4 红外吸收光谱分析 148
3.4.1 基本原理 148
3.4.2 傅里叶红外吸收光谱仪 150
3.4.3 试样 151
3.4.4 红外光谱解析 152
3.4.5 红外光谱应用 157
3.4.6 拉曼散射光谱分析 159
3.5 核磁共振吸收波谱分析 161
3.5.1 基本原理 161
3.5.2 核磁共振波谱仪 161
3.5.3 试样 163
3.5.4 化学位移与自旋分裂 163
3.5.5 核磁共振氢谱及应用 168
3，5.6 13C核磁共振 170
3.5.7 核磁共振成像原理 171
习题 171
第4章 质谱和色谱 173
4.1 离子的检测与质谱仪 173
4.1.1 离子检测器 173
4.1.2 磁偏转型质量分析器 174
4.1.3 四极杆质量分析器 175
4.2 质谱分析方法 176
4.2.1 质谱仪工作原理 176
4，2.2 质谱仪主要性能 179
4.2.3 质谱图及谱线的测量 179
4.2.4 有机质谱中的离子峰 180
4.2.5 有机化合物相对分子质量的测定 183
4.2.6 有机化合物定性分析 185
4.2.7 有机化合物的定量分析 188
4，2.8 有机质谱的应用 188
4.2.9 无机质谱分析方法 188
4.3 色谱 189
4.3.1 概述 189
4.3.2 气相色谱分析 191
4.3.3 气相色谱-质谱联用分析 197
4.3.4 高效液相色谱 200
4.3.5 平板色谱法 203
习题 205
第5章 X射线分析 206
5.1 X射线的检测与X射线谱仪 206
5.1.1 二维图像的记录 206
5.1.2 X射线光粒子计数器 206
5.1.3 X射线能谱仪 208
5.1.4 X射线分光计 210
5.1.5 单色器 213
5.2 X射线荧光谱分析 214
5.2.1 X射线荧光谱仪 214
5.2.2 X射线的二次激发 216
5.2.3 波谱图 217
5.2.4 荧光X射线定性分析 218
5.2.5 荧光X射线定量分析 219
5.2.6 能谱图与定性、定量分析 221
5.2.7 能谱仪和波谱仪的比较 221
5.3 粉末衍射分析 222
5.3.1 多晶体的X射线衍射强度 223
5.3.2 德拜法照相 224
5.3.3 粉末衍射仪 224
5.3.4 试样制备与扫描测试 228
5.3.5 衍射图谱 229
5.3.6 单相物质的晶型分析 234
5.3.7 物质的物相定性分析 236
5.3.8 物质的物相定量分析 239
5.3.9 点阵常数的精确测定 243
5.3.10 宏观应力分析 246
5.3.11 微晶尺寸和微观应力的测试 249
5.4 单晶衍射分析 250
5.4.1 劳埃法 250
5.4.2 旋转晶体法 254
5.5 多晶织构分析与针孔法 256
5.5.1 织构 256
5.5.2 织构的表示与多晶体极图 256
5.5.3 针孔法与多晶织构试样的衍射 257
5.5.4 织构的测定 259
习题 261
第6章 光学显微镜 263
6.1 像的观察与记录 263
6.2 光学金相显微分析 264
6.2.1 光学金相显微镜 264
6.2.2 显微镜光学性能 266
6.2.3 试样制备 269
6.2.4 显微镜观察方式 277
6.2.5 摄像 279
6.2.6 偏振光显微 280
6.2.7 相衬金相 282
6.2.8 显微硬度及其测定 285
6.3 定量金相 287
6.3.1 基本测量方法 288
6，3.2 定量金相的计算 289
6.3.3 计算机金相图像分析系统 292
6.4 低倍观察方法 292
6.4.1 概述 292
6，4.2 检验方法 293
6.4.3 体视显微镜 294
6.5 透射光学显微方法 294
6.5.1 复型 294
6.5.2 透射偏光显微镜 295
习题 295
第7章 电子显微方法 297
7.1 电子像的观察和记录 297
7.2 透射电子显微镜 297
7.2.1 仪器构造 297
7，2.2 仪器性能 300
7.3 试样制备 302
7.3.1 粉末试样膜 302
7.3.2 试样复型 303
7.3.3 薄膜试样 304
7.4 成像方式 306
7.4.1 显微成像 306
7.4.2 衍射成像 307
7.5 电子衍射图像分析 309
7.5.1 电子衍射 309
7.5.2 电子衍射花样及其几何特征 311
7.5.3 多晶试样的物相鉴定及衍射花样指标化 313
7.5.4 单晶试样的物相鉴定及衍射花样指标化 314
7.5.5 选区电子衍射中图像相对于花样的磁转角标定 319
7.5.6 复杂衍射花样 320
7.5.7 菊池衍射花样 322
7.6 透射电子显微图像分析 324
7.6.1 柱体近似 324
7.6.2 非晶体试样质厚衬度成像原理 325
7.6.3 复型成像的衬度 325
7.6.4 复型浮雕图像分析 327
7.6.5 电镜放大倍数与点分辨本领的测定 327
7.6.6 晶体试样衍射衬度成像原理 327
7.6.7 双光束条件 329
7.6.8 理想晶体的衍射强度 331
7.6.9 缺陷晶体的衍射强度 333
7.6.10 堆积层错 334
7.6.11 位错 335
7.6.12 畴结构 336
7.6.13 第二相粒子 337
7.6.14 电子衍射运动学理论的局限性 338
7.6.15 薄晶体的高分辨像 338
7.7 低能电子衍射和低能电子显微镜 339
7.7.1 低能电子衍射分析 339
7.7.2 低能电子显微分析 340
习题 342
第8章 探针和扫描显微分析 344
8.1 电子的检测与能谱仪 344
8，1.1 电子检测器 344
8.1.2 电子能量分析器 345
8，1.3 离子能量分析器 347
8.2 电子探针与扫描电子显微分析 348
8.2.1 电子束轰击固体试样激发的物理信号 348
8.2.2 电子探针X射线显微分析仪 349
8.2.3 扫描电子显微镜的结构与工作原理 351
8.2.4 扫描电子显微镜的性能 354
8，2.5 试样制备 356
8.2.6 扫描图像分析 357
8.2.7 X射线能谱分析 358
8.2.8 背散射电子衍射分析 358
8.2.9 电
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材料结构分析基础(第二版) 节选
第1章 物理学基础 1.1 粒子与波 1.1.1 光与X射线 1.电磁辐射 在光学中，广义的光的概念，除了可见光之外，还包括红外光和紫外光，以及X射线和1射线（或称X光和Y光）它们本质上都属于电磁辐射，表1.1给出各类电磁辐射的频率和波长范围。紫外光与X射线的波长没有明确的分界，X射线和Y射线也没有明确的波长界线，因为人们并不是根据波长来区分紫外光、X射线以及1射线，而是根据它们的来源。 表1.1 电磁辐射谱 光的产生通常有两种形式：一是带电粒子速度变化引起的辐射，二是分子、原子或原子核能级跃迁引起的辐射。从微观机理来说，它们的共同之处都是微观系统从高的能量状态过渡到低的能量状态时伴随发生的物理现象。 辐射是一种从辐射源发出的以微粒或波动的形式向空间直线传播的能量。光辐射不是连续的波，而是分立的一串串波列，称为波包，就是所谓的光子。光子作为电磁辐射的能量载体，具有集中的能量、质量和动量。它们在空间呈“波状”分布，具有一定的波长、频率和位相。如此，显示了光子的波动性与粒子性的统一。 要特别指出的是光的波动性质并不归于光束整体，而是每一个光子都具有的本性。光子在传递的过程中以某种方式同时和所有的介质微粒相互作用，*终以特定的概率被位于观察点的原子所接收。 单位时间内通过垂直于光传播方向的单位面积的光的能量称为光的强度，用z表示，单位是J/（m2 s）。对于单色光，光的强度常用单位时间内通过垂直于光传播方向的单位面积的光子数来表示，单位是光子数/（m2 s）。 物理学中常用复数表示某个振动，如，要理解为只取用它的实数部分（或虚数部分）。其中A为实数，表示振幅，表示频率，表示位相。对于确定频率的振动，ct可略去不写，该振动简记作，称为复振幅。光的强度与光的振幅平方成正比，即 （1.1） 真空中光速c=2.998X108m/s。光子的能量E由普朗克公式给出，即 E=hv（1.2） 式中，h为普朗克常量，v为光的频率；A为光的波长。 在真空中 （1.3） 式中w为波数，即波长的倒数，意义是波传播单位长度所包含的波数。光通过不同的介质时，频率不会发生变化，但传播速度和波长会变化。 在普朗克公式的基础上，根据经典电磁理论的辐射压强，或根据相对论的原理得光子动量为 （1.4） 式中，s为单位矢量，代表波的传播方向。式（1.4）来自式（1.2），自然仅适用于光子，但德布罗意认为所有的微观粒子的性质与光的性质存在深刻的类似性，他把这个关系式推广到所有的粒子，起初只是一个假设，但实验证明这个推广是正确的，于是式（1.4）便成为普遍适用的德布罗意关系式。 2.光谱 光谱就是光的频谱，用以描述不同频率光的强度分布。各种光的光谱基本上取决于光发射的方式及光所通过的介质。光谱常用相片、图线或表格等形式表示。光谱的自变量坐标为频率，也可标记为光的波长或光子的能量，对于这几种情况，往往分别称为频谱、波谱和能谱。 光如果在若干个特定波长处的辐射特别强或特别弱，那么，它的光谱特征是线状的，称为线状谱。如图1.1所示的荧光灯光谱，图中的纵坐标J=dVdA，即单位波长范围内的光强。光如果由大量间隔很小的不同波长的辐射所组成，那么它的光谱特征是连续曲线状的，称为连续谱。如图1.2所示为钨丝灯光谱。 图1.1 三基色荧光灯的发光光谱（波谱） 图1.2 钨丝灯的发光光谱（波谱） 3.光的偏振 1）自然光与偏振光 已经证明，光之所以引起视觉以及各种物理、化学效应，是由于光的电场作用，故电矢量E也称光矢量，光的振幅通常就是指电场强度的振幅。E垂直于光的传播方向，的方向即振动方向，故E与光传播方向所在的平面称为光的振动面。如果各光子的电矢量均沿一定的方向，这种光称为平面偏振光或线偏振光；如果光子电矢量的取向是无规则的，各方向概率相等，这样的光是自然光；介于这两者之间的是部分偏振光。光源发出的一般是自然光，是光源中相互无关的微观粒子所生成的光。 2）光的反射与折射 光由一种介质进入另一介质时，光线在介质分界面上分解成反射光和折射光，它们的传播方向由反射定律和折射定律确定。 平行光在介质界面反射，定义反射率为反射光强度与入射光强度之比。理论和实验都表明，反射率不仅取决于介质等因素，还与光的入射角及振动方向有关。实际上，可以把入射光的振动分解为垂直于入射面方向和平行于入射面方向的振动，在入射角为零（或很小）时，它们有同样的反射率；在入射角不等于零时，它们各自的反射率不等；当入射角等于布卢斯特角时，振动面平行于入射面的光，反射率等于零。因此，自然光在两透明介质分界面上产生的反射光和折射光有不同的偏振状态。当入射角等于布卢斯特角时，反射光为完全线偏振光，相应地，折射光就成为部分偏振光。 光在某些晶体介质中有双折射现象，两条折射光都是线偏振光，不过它们的光矢量的振动方向不同。其中，一条符合折射定律，称为o光，其折射率是常数；一条不符合折射定律，称为e光，它不一定在入射平面上，折射率&因入射光方向的不同而有所变化。此类晶体称为光学各向异性晶体，如方解石晶体。实际上，除了立方晶体（如岩盐）外，一般的晶体都是双折射晶体。 在双折射晶体中，总有一个（或两个）特殊的方向，当光沿着这个方向入射时，不产生双折射现象，这个固定的方向称为晶体的光轴。定义光轴之后，光在晶体中可引入主截面的概念，主截面即包含晶体光轴和光线的平面。已经发现，。光是一个振动面垂直于自己的主截面的线偏振光，e光则是一个振动面在自己的主截面内的线偏振光。当晶体光轴在入射面内的时候，。光和e光的主截面重合，两者的振动方向相互垂直。 一般情况下，光的主截面和e光的主截面有一个不大的夹角，因而它们的振动方向不完全相互垂直。 上面谈到，光在垂直人射时，振动方向垂直于人射面的光和平行于人射面的光，它们有同样的反射率，这是对光学各向同性介质而言的。然而，当垂直人射的光在光学各向异性晶体的界面反射时，光的反射率与振动方向有关。可以把反射光分解成振动方向与主截面垂直的o光以及与主截面平行的e光，这两种光的反射率是不同的，而且位相也是不一致的。 4.光的色散 光的色散是因为不同波长的光折射率不同。介质折射率随波长变化的程度用色散率表示，它在数值上等于波长变化一个单位时介质折射率的变化值。 一般来说，波长增加时光的折射率和色散率都减小，这样的色散称为正常色散。所有不带颜色的透明介质，在可见光区域内都表现为正常色散，即紫光的折射率比红光大些，紫光的色散率也比红光大些。所以，用棱镜产生的光谱，紫色一端要比红色端展开得大些，这是与由光栅所得到的光谱不同的。 X射线和Y射线是波长很短的光，它们对所有各种介质的折射率都近似等于1，故X射线和Y射线几乎没有折射现象。 1.1.2 实物粒子 所有粒子，包括电子、离子、原子，同时是一个沿其运动方向传播的平面波。设运动粒子的质量用m表示，运动速率用w表示，式（1.4）指出其波长为 （1.5） 由此，可得运动粒子的波长与其能量的关系式，即 （1.6） 式中，为粒子的静止质量；和E分别为粒子的静能和动能，常用为单位；这是微观物理量的计算中常使用的组合常数。 在非相对论条件下，式（1.6）近似为 （1.7） 电子静止质量，电子静能。也是一个常用的组合常数。表1.2给出一些电子波长与能量的关系。 表1.2 电子波长与能量的关系 式（1.6）和式（1.3）比较，可以看到，电子与相同能量的光子比较，电子的波长要小很多，特别是在能量比较低的情况下，所以电子表现出更多的粒子性。至于质量比电子大的粒子（如原子、离子）波长又比电子小很多，粒子性更明显，一般巳不必考虑其波动性。 1.2 衍射与成像 1.2.1 概述 关于光衍射现象，有如下几点认识： （1）在光学均匀介质中，光只能沿着直线方向传播。这是因为光在传播过程中，介质质点散射的相干光在与人射光线不同的一切方向上相互抵消，所以在均匀介质中是看不到散射光的。但是，一旦介质的均匀性被破坏，就可能看到散射光。例如，阳光进人大气，能看到散射光，这是因为大气中空气分子的局部密度对于平均密度总会有统计性的偏离（密度起伏）此外，空气中的灰尘也会导致可见的散射光。 （2）绝大多数光学仪器中，光都是在空气、玻璃或其他介质中通过，介质质点都可能成为散射波的波源。光在传播过程中遇到障碍（如孔、缝等），如果通过障碍的散射波在某些方向上相干的结果不能完全抵消，便出现衍射现象。 （3）具有周期结构的散射体会出现独特的衍射现象。常把介质中相同的质点或质点群作为散射单元。例如，原子或分子、光栅中的狭缝、晶体中的晶胞等都可作为散射单元。 （4）用显示屏或照相底片显示记录衍射强度分布的图像称为衍射图像或衍射花样。一维的衍射图像常用曲线形式描述，称为衍射谱。 （5）光衍射现象实质上是散射波的干涉现象。这个基本原理同样适用于电子、离子、中子波的衍射。 1.2.2 散射波叠加 1.散射波的位相差 设有两个质点，以其中一个质点为坐标原点O，另一个质点P，其位置用矢径r表示。远处点光源E发出的波长为A的光照射在这两个质点上，设人射波和散射波的方向分别用单位矢量和表示，如图1.3所示。可以证明：远处观察点F所看到的P点的散射波与O点的散射波的位相差表示为 （1.8） 事实上，所谓远处，即。 图1.3 两个质点散射波的位相差 在EO上取点D和Q，令，则 根据几何定理，有 于是 同样可求得 于是，F处所看到的P点的散射波与O点的散射波的光程差为 若令L等于OF和EO中较小的一个，则有的计算误差要求远小于A，所以在的条件下，则 由上述证明过程可知，所谓光源和观察点足够远的条件，也就是入射光或散射光可以作为平行光处理的条件，即。 例如，刀口狭缝，缝宽b=0.1mm，垂直于狭缝平面的平行光入射，波长，则观察点F距狭缝多远就可将狭缝的散射波作平行光处理？ 解答：设F点到狭缝距离为L，由上述讨论可知，散射波作平行光处理的条件是，即要求：
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