電子衍射原理

電子衍射
　　electron diffraction
　　當(dāng)電子波(具有一定能量的電子)落到晶體上時(shí)，被晶體中原子散射，各散射電子波之間產(chǎn)生互相干涉現(xiàn)象。晶體中每個(gè)原子均對(duì)電子進(jìn)行散射，使電子改變其方向和波長(zhǎng)。在散射過(guò)程中部分電子與原子有能量交換作用，電子的波長(zhǎng)發(fā)生變化，此時(shí)稱非彈性散射；若無(wú)能量交換作用，電子的波長(zhǎng)不變，則稱彈性散射。在彈性散射過(guò)程中，由于晶體中原子排列的周期性，各原子所散射的電子波在疊加時(shí)互相干涉，散射波的總強(qiáng)度在空間的分布并不連續(xù)，除在某一定方向外，散射波的總強(qiáng)度為零。
　　歷史 1927年，C.J.戴維孫和L.H.革末在觀察鎳單晶表面對(duì)能量為100電子伏的電子束進(jìn)行散射時(shí),發(fā)現(xiàn)了散射束強(qiáng)度隨空間分布的不連續(xù)性，即晶體對(duì)電子的衍射現(xiàn)象。幾乎與此同時(shí)，G.P.湯姆孫和A.里德用能量為2萬(wàn)電子伏的電子束透過(guò)多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時(shí),也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了L.V.德布羅意提出的電子具有波動(dòng)性的設(shè)想，構(gòu)成了量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　裝置 最簡(jiǎn)單的電子衍射裝置如圖1所示。從陰極K發(fā)出的電子被加速后經(jīng)過(guò)陽(yáng)極A的光闌孔和透鏡L到達(dá)試樣S上，被試樣衍射后在熒光屏或照相底板 P上形成電子衍射圖樣。由于物質(zhì)（包括空氣）對(duì)電子的吸收很強(qiáng)，故上述各部分均置于真空中。電子的加速電壓一般為數(shù)萬(wàn)伏至十萬(wàn)伏左右，稱高能電子衍射。為了研究表面結(jié)構(gòu)，電子加速電壓也可低達(dá)數(shù)千甚至數(shù)十伏，這種裝置稱低能電子衍射裝置。
　　模式 電子衍射可用于研究厚度小于 0.2微米的薄膜結(jié)構(gòu)，或大塊試樣的表面結(jié)構(gòu)。前一種情況稱透射電子衍射,后一種稱反射電子衍射。作反射電子衍射時(shí),電子束與試樣表面的夾角很小，一般在1゜～2゜以內(nèi)，稱掠射角。
　　自從60年代以來(lái)，商品透射電子顯微鏡都具有電子衍射功能（見(jiàn)電子顯微鏡），而且可以利用試樣后面的透鏡，選擇小至1微米的區(qū)域進(jìn)行衍射觀察,稱為選區(qū)電子衍射，而在試樣之后不用任何透鏡的情形稱高分辨電子衍射。帶有掃描裝置的透射電子顯微鏡可以選擇小至數(shù)千埃甚至數(shù)百埃的區(qū)域作電子衍射觀察，稱微區(qū)衍射。入射電子束一般聚焦在照相底板上，但也可以聚焦在試樣上，此時(shí)稱會(huì)聚束電子衍射。
　　理論 電子衍射和X 射線衍射一樣，也遵循布喇格公式2dsinθ＝λ（見(jiàn)X射線衍射）。當(dāng)入射電子束與晶面簇的夾角θ、晶面間距 和電子束波長(zhǎng)λ三者之間滿足布喇格公式時(shí)，則沿此晶面簇對(duì)入射束的反射方向有衍射束產(chǎn)生。電子衍射雖與X 射線衍射有相同的幾何原理。但它們的物理內(nèi)容不同。在與晶體相互作用時(shí)， X射線受到晶體中電子云的散射，而電子受到原子核及其外層電子所形成勢(shì)場(chǎng)的散射。除以上用布喇格公式或用倒易點(diǎn)陣和反射球來(lái)描述產(chǎn)生電子衍射的衍射幾何原理外,嚴(yán)格的電子衍射理論從薛定諤方程Hψ＝Eψ出發(fā),式中ψ為電子波函數(shù)，E表示電子的總能量，H為哈密頓算子，它包括電子從外電場(chǎng)得到的動(dòng)能和在晶體靜電場(chǎng)中的勢(shì)能。若解此方程時(shí)，考慮到其勢(shì)能遠(yuǎn)小于動(dòng)能，認(rèn)為衍射束遠(yuǎn)弱于入射束，忽略掉方程中的二級(jí)小量，則所得的解稱運(yùn)動(dòng)學(xué)解，此解與上述衍射幾何原理相一致。建立在薛定諤方程運(yùn)動(dòng)學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，此理論的物理內(nèi)容是忽略了衍射波與入射波之間以及衍射波彼此之間的相互作用。若在解方程時(shí)作較高級(jí)的近似，例如認(rèn)為衍射束中除一束（或二束、或三束、……、或n-1束）外均遠(yuǎn)弱于入射束,則所得的解稱雙光束(或三光束、或四光束、……、或n光束）動(dòng)力學(xué)解。建立在動(dòng)力學(xué)解基礎(chǔ)上的電子衍射理論稱電子衍射動(dòng)力學(xué)理論。
　　衍射圖 也可以和X射線衍射情況一樣,用倒易點(diǎn)陣和反射球來(lái)描述產(chǎn)生電子衍射的條件，只是電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)短于X 射線，所以反射球的曲率很小。按照索末菲公式,電子散射強(qiáng)度隨散射角的增大而迅速下降。于是,有效反射球面的面積不大，可以把反射球面近似地看作通過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)且垂直于入射電子束的平面。電子衍射圖便是從反射球球心出發(fā)時(shí)，通過(guò)倒易點(diǎn)陣原點(diǎn)且垂直于入射電子束的倒易點(diǎn)陣平面在照相底板上的投影。一般，單晶體的電子衍射圖呈規(guī)則分布的斑點(diǎn)，多晶的電子衍射圖呈一系列同心圓，非晶態(tài)物質(zhì)的電子衍射圖呈一系列彌散的同心圓。單晶體的會(huì)聚束電子衍射圖則呈規(guī)則分布的衍射圓盤(pán)。
　　當(dāng)晶體較厚且甚完整時(shí)，可以得到一種由非彈性散射效應(yīng)而形成的衍射圖。因?yàn)樵谏⑸溥^(guò)程中部分透過(guò)上層晶體的電子保持其波長(zhǎng)不變，但略改變了方向。對(duì)于下層晶體而言，入射電子便分布在以原入射電子束為軸的圓錐內(nèi)。這時(shí)的電子衍射圖由許多對(duì)相互平行的黑、白線所組成，這種衍射圖稱菊池衍射圖，可以用來(lái)精確測(cè)定晶體的取向。
　　應(yīng)用 電子衍射和X 射線衍射一樣，可以用來(lái)作物相鑒定、測(cè)定晶體取向和原子位置。由于電子衍射強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于X 射線，電子又極易為物體所吸收，因而電子衍射適合于研究薄膜、大塊物體的表面以及小顆粒的單晶。此外，在研究由原子序數(shù)相差懸殊的原子構(gòu)成的晶體時(shí)，電子衍射較X 射線衍射更優(yōu)越些。會(huì)聚束電子衍射的特點(diǎn)是可以用來(lái)測(cè)定晶體的空間群（見(jiàn)晶體的對(duì)稱性）。