电子衍射物望教程 王蓉著 DIANZI YANSHE WULI JIAOCHENG AA州 AAA AM 冶金工业出版社 PDF文件使用"pdfFactory Pro”试用版本创建www,fineprint.cn
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⑨ 内容提要 在纳米材料和纳米技术蓬勃发展的今天，电子显微学方法，特别是直 接观赛固体中原子尺度微现结构的高分排电子显微学方法已是材料研究者 必不可少的研究手段，会聚束电子衍射等技术迅速被科研工作者熟悉和掌 握，人们迫切需要把得到的电子衍射和像村度信息定量化，以揭示材料的 微观结构和成分变化。 本书系统论述了电子衍射和电镜相位村度以及衍射村度像成像的物理 过程并进行了数学描述。全书分为8章，第1章阑述波动光学基础和信息 传递过程的甚本数学处蹬方法，第2章论述电子衍射运动学理论：第3章 阐述成像系统相位村度成像（高分辨成像）的物理过程井进行数学描述：第 4章介绍实际高分辨电子显微像村度理论.像计算和图像处理方法：第5 章和第6章分别闻述电镜衍射村度成像的运动学理论和完整品体的动力学 理论，第7章很述多束动力学理论计算的几种简化和近似处理方法，对利 用三束动力学交互作用测定结构振幅的方法做了概括的介绍：第8章系统 介绍非完整晶体的衍射村度像动力学计算方法。 本书可作为固体物理.材料科学等专业研究生“衍射物理”课程的教 科书，以及相关专业教师.研究生和高年级本科生“电子显量学”课程的 教学参考书，同时可供使用电子显微镜的科研人员参阅。 158N7-5026=2923=9 158W7-5024-2923-9 TG+290定价49.80元 9787502429232> PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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序 言 《电子衍射物理教程》是国内第一部系统阐述透射电子显微镜中的衍射与成 像理论的著作。该书从衍射物理基本理论出发，阐述电子衍射运动学和动力 学，并对透射电镜的两种主要成像衬度（相位衬度和衍射衬度）的形成和电镜成 像做了系统的讨论。这是专门为材料物理、固体物理和材料科学等专业研究生 学习“衍射物理”课程编写的教科书，同时可作为相关专业的教师、研究生和高 年级大学生“电子显微学”课程的教学参考书，还可供电子显徽学工作者和从事 晶体结构、结构生物学、材料科学等领域的研究人员学习和参考。 可以预见，在21世纪开始的一二十年里，随着纳米技术的高速发展，信息、 生物、新材料等学科和技本将会有质的飞跃。纳米材料、低维材料、生物材料和 各种功能材料结构的研究，将向更深层次发展，对电子显微学理论和技术提出 了更高的要求。透射电子显微镜的制作水平近十年来得到了显著的提高，分辨 木领已达0.1纳米，并能对纳米尺度的物质进行成分分析和结构分析。由于场 发射电子枪和能量过滤装置成功地应用在透射电镜上，高质量的显微图像和衍 射图的获得已不再是难事。计算机技术的迅速普及与发展，图像计算、处理和 传递的速度和精确度的提高，使得人们可以把获得的电子衍射和图像衬度信息 定量化，以揭示材料原子尺度的更接近真实的结构特征。然而，这也要求以电 镜作为主要研究手段的科研人员应具备较深厚的理论基础。这本教科书就是在 这种背景下应运而生的，它将会对我国电子显微学和材料科学的发展起到推动 作用。 研究生培养关系到我国科学发展的未来。在现有理论的基础上，从大量的 经验和实验结果中创造性地归纳、发现和认识科学规律的能力应在研究生学习 阶段得到初步培养。教师的职责是引导学生掌握科学的学习方法，关心学科发 展前沿最新成就的同时，具有坚实的理论基础，这样才能用理论指导科学实验， 有所发现，有所创新。这本教科书配合衍射物理课程的教学，会对研究生的系 统培养起到应有的作用。 国内已有几所高等学校将“衍射物理”作为硕士研究生和博士研究生的必 修课，预计不久将会有更多的院校会开设这门课程。北京科技大学材料物理系 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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·2· 序言 自1982年在国内首先开设硕士研究生“衍射物理”课程（学位课），它也作为相关 专业博士研究生的选修课程。本书作者王蓉救授多年从事“衍射物理”和“电子 显徽学”课程教学，在使用透射电镜开展金属材料、纳米催化材科和准晶的研究 方面也多有建树。该书是作者近二十年教学和料研经验的结晶，概括了电子衍 射运动学和动力学理论以及透射电镜衬度理论的各个方面。它着重子物理原 理的阐明，数学推导严谨，论述深入浅出、流畅易读，是一本有价值的研究生教 材，也适合具有相关专业大学本科水平的人员阅读和自学。 年可信 2001年10月 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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著者的话 北京科技大学材料物理系自1982年在国内首先开设硕士研究生“衍射物 理”课程（学位课），以J.M.Cowley所著《Diffraction Physics》和P.Hirsch等人所 著《Electron Microscopy of Thin Crystals》为主要参考书，讲课40学时。该课程 也作为相关专业博士研究生的选修课程。 近年来，信息科学、材料科学、分子生物学等领域都向结构尺度纳米化和功 能智能化方向发展，电子显微学方法已成为必不可少的研究手段。人们不再满 足于定性的结构分析工作，迫切需要把获得的电子衍射和图像衬度信息定量 化，以揭示材料原子尺度的结构本质。本书系统地阐述电子衍射的物理基础， 论述了透射电镜中的两种主要成像衬度一一相位衬度和衍射衬度的形成和成 像过程，并且进行了较严格的数描述，为进行电子显微图像处理和计算模拟工 作莫定了基础。 全书内容分为8章。第1、2章分别阐述电子波动光学基础、信息传递过程 的数学处理方法以及电子衍射的运动学理论；第3章系统讲述电子显微镜相位 衬度成像（高分辨成像）原理并进行了数学描述：第4章介绍实际高分辨电子显 微像衬度理论、像计算和图像处理方法；第5、6、8章讨论电子显微镜另外一种重 要成像衬度一衍射衬度，此外，第5章还讨论对完整晶体和含缺陷晶体衍射衬 度成像的运动学理论；第6章还阐述了完整晶体的电子衍射动力学理论：第7章 叙述多束动力学理论计算的几种简化和近似处理方法，概括地介绍了几种利用 三束动力学交互作用测定结构振幅的方法：第8章系统论述含面型缺陷的晶体 以及含位错、位错环和沉淀相粒子等引进连续畸变场的缺陷晶体的衍射衬度动 力学理论，介绍了用计算像模拟技术分析缺陷结构的方法。需要指出的是，本 书不涉及电镜结构、电子衍射儿何以及实际电子显微镜实验技术等内容，这些 内容在电子显微学和高分辨电子显微学专著中有系统的介绍。 作为固体物理、材料科学等专业研究生“衍射物理”课程的教科书，读者在 阅读本书时要求具有光学、电子显微学、晶体学、初等量子力学和固体物理学的 基础知识，这些知识可以在学习本书的过程中不断补充和加深。本书同时可作 为相关专业的教师、研究生和高年级本科生“电子显微学”课程的教学参考书以 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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·4 著者的话 及供电子显微学科研工作者参阅。 在本书编写过程中自始至终得到了柯俊院士的关心和鼓励，李方华院士、 彭练矛教授和杨奇斌教授详细阅读了书稿，提出了宝贵意见，著者的导师郭可 信院士为本书做序，著者表示衷心感谢。李方华院士、张文征教授、任罡博士和 陆致龙博士为本书提供了精美的照片；书中述选用了进藤大辅、平贺贤二著，刘 安生译的《材料评价的高分辨电子显微方法》一书中若干幅精美插图和高分辨 图像，在此一并致谢。著者还深切地感谢北京科技大学材料物理系同仁们的关 怀和帮助，感谢北京科技大学教材科的热情支持。最后，著者对治金工业出版 社的细致工作表示感谢，他们为提高本书的编辑出版质量付出了辛勤的劳动。 王蓉 2001年7月于北京安贞苑 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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符号与缩语表 按英文字母顺序排列 A(u,v) 传递函数的振幅项 A(x,y)、A(u,v') 物镜光阑透射函数的实空间和动量空间表述 ac 在倒易空间描写的光源半径 B=82 B因子 位错柏格斯矢量 be 位错柏格斯矢量刃型分量 bp 不全位错柏格斯矢量 b(i(k(i),r) 第ⅰ支布洛赫波解 [c] [C]的转置矩阵 [c]-1 [C]的逆矩阵 [c]* [C]的共轭矩阵 [c] [C]的转置共轭矩阵 C.C 完整晶体和含缺陷晶体的特征矢量解(n×1) [c],[C"] 完整晶体和含缺陷晶体的特征矢量矩阵（几×n) Cc 色差系数 Cs 物镜的球差系数 C(x,y) 像衬度分布 光速 c).c 第；支布洛赫波特征矢量解 icosn r -cost ro 倾斜因子 cosx(u,v) 振幅传递函数 D,D- 衍射振幅 D= 离焦量的描述（无量纲） /Csλ d 反射面(h,k,)面间距 d coh 相干条件下的电子显微镜的点分辨率 dins 非相干条件下的电子显微镜的点分辨率 dn 衍射差 d 信息分辨率 ds 物镜球差 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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·12 电子衍射物理教程 E=h hw 粒子的能量 Ev 入射电子的哈米顿算符[-V2+H]的本征值 Em 散射物哈米顿算符Hm的本征值 epe(r） 核外电子的电荷密度函数 epn(r） 原子核电荷密度函数 F(u) 衍射空间系统输入信息（衍射振幅） F(u）、F(u,v)、F(t） 衍射振幅函数 F(u') 衍射空间系统输出信息（衍射振幅） Fd(u) 有限尺寸晶体的衍射振幅函数 FgFuc(u)、F(h,k,l) (h,k,)反射的结构因子 Finf(4） 无限尺寸晶体的衍射振幅函数 Fn（4） 线性重构中第n个像的过滤函数 .子[f(x)]子[f（x,y)]子[f(r)】傅里叶变换 F-l[F(u)]、多-[F(u,v)]多1[F(u)]傅里叶反变换 f 散射物单位体积的散射振幅 f 透镜焦距 f(r)*f(r) 自卷积运算 f(r)*g(r) 卷积运算 fr)☒f(r) 自相关运算 f(r)⑧g(r) 相关运算 f(4） 对电子的原子散射因子 f(x) 物空间波振幅分布 fx)、fx,y)、f(r) 实空问函数 f(u) 自由原子势函数P(r)的傅里叶变换 (8),(4) 对X射线的原子散射因子 fi(u) 第个原子的原子散射因子 G(r) 全约化径向分布函数 G(r,r') 格林函数 G(u,v) 色差衰减包络函数 B=ha“+b+le" 倒易点阵矢量 grad 梯度 Hm 散射物的哈米顿(Hamilton)算符 h=2πi 普朗克常数 Is(u） 个原子组成的系统的散射强度 1n,ep（u） 第几个实验像的强度 (u) 第n个实验像对第j次循环递推衍射振幅(u)估计的非线 性贡献 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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符号与缩语表 ·13· I(x,y)=Ψ(x,y)· Ψ*(x,y) 像强度分布 J(u) 散射强度函数 (u) u的一阶、第-一类Bessel函数 K,K 在晶体平均势中传播的电子波矢量和波数 1k|=2π/入 波数 k 散射波矢量 k(i) 第i支布洛赫波波矢量 ko 入射波矢量 kg g衍射波矢量 L 阿伏加德罗常数 黑-白矢量 le 第二聚光镜光阑平面到物面的距离 M 局域相对分子质量 M= 像放大倍数 M(9,T) 德拜-瓦勒温度因子 M(s,z〉 透射矩阵 M(u,v) 以(x,y的傅里叶变换 M “真空层”透射矩阵 mo 电子静止质量 m=(1-g2)支 相对论因子 m n 曲面面元处法向单位矢量 n, 系统中j类原子的数目 P(r) Patterson函数 P(△z),P 散射矩阵 Py “真空层”散射矩阵 p=克k 粒子的动量 p(x,y) 菲涅尔传播函数 Q(u,v)） 透射函数g(x,y)的傅里叶变换 9 源平面上的在倒易空间描写的径向坐标 a(X,Y) 透射函数 gin 第；支布洛赫波特征值解的虚部 q1.(x）,9（x,y） 理想薄透镜的透射函数 R 物面到像面的距离 R,R,R(r) 缺陷引起的单胞位置偏离 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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·14… 电子衍射物理教程 (Fi)2 R:⊥ ∑16p 拟合优度 o,)19m,)-9n,) ∑u(h,k) 相位残量 h.k RDF(r) 全径向分布函数 ReY12 相干度Y12的实部 Rs 虚光源平面到聚光镜光阑平面的垂直距离 rc 第二聚光镜光阑半径 ri=ma nb oc 点阵矢量 rs 发射电子束最小聚焦斑（虚光源）半径 S 嫡 S(u) 干涉函数 S(u,) 束发散引进的衰减包络函数 实空间球面坐标 5:5g@ 偏离参量 sinx(u, 相位传递函数 s(r) 形状函数 s 有效偏离参量 T.T 透射振幅 T(,u') 透射交叉系数(Transmission Cross Coefficiet(TCC) Tcv 临界电压温度 T(4,v） 成像系统衬度传递函数 试样厚度 t(x,y) 成像系统扩展函数 U 物距 U(r) 粒子在外势场中的势 U旺 有效傅里叶势，Bethe势 Us 晶体势能菡数的傅里叶系数，傅里叶势 标量场 位错线指向 u和 动量空间矢量k一ko在x和y轴上的投影 倒易空间矢量长度的描述（无量纲） 在垂直于布喇格面方向上的原子均方位移 加速电压 像距 Vc 临界电压 PDF文件使用"pdfFactory Pro"试用版本创建www,fineprint.cn
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