王中林院士領(lǐng)域經(jīng)典三十年后再版，助力新一代研究

《電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射》第一版出版于1995 年，旨在為理解電子散射在顯微學(xué)中的基本原理及應(yīng)用提供系統(tǒng)而全面的理論基礎(chǔ)。此后，電子顯微學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷了變革性發(fā)展，實(shí)驗(yàn)設(shè)備、計(jì)算方法及理論框架的突破不僅拓展了研究邊界，也開(kāi)啟了探索原子及亞原子尺度材料的新途徑。

盡管自第一版出版后的幾十年間，我的研究興趣有所轉(zhuǎn)移，但本書(shū)持久的學(xué)術(shù)影響力仍讓我倍感驚訝與鼓舞。2019 年在瑞典烏普薩拉大學(xué)的一次系列講座中，幾位青年教師向我表示，他們視本書(shū)為該領(lǐng)域的“圣經(jīng)”，這一評(píng)價(jià)令我深受感動(dòng)。此外，包括J. C. H. Spence、C. Colliex 和J. Hren 教授在內(nèi)的眾多讀者與同行也表達(dá)了類(lèi)似的看法，他們的支持對(duì)我而言是極大的榮譽(yù)和認(rèn)可。

第一版曾受到專(zhuān)業(yè)期刊的評(píng)審，其中部分評(píng)價(jià)如下：

一本值得關(guān)注的著作，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)作出了寶貴貢獻(xiàn)。

——《美國(guó)科學(xué)家》，1996

這是一本優(yōu)秀而全面的書(shū)· · · · · · 如果你對(duì)晶體的電子散射、電子顯微圖像解釋的理論感興趣，那么你應(yīng)該購(gòu)買(mǎi)此書(shū)。它內(nèi)容詳盡，并緊跟最新進(jìn)展。

——《顯微學(xué)雜志》，1996

正是這些鼓勵(lì)，以及本書(shū)持續(xù)不斷的需求，促使我著手修訂和更新，以期為新一代研究者提供更完善的內(nèi)容。

電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射

（原書(shū)第2版）購(gòu)買(mǎi)

王中林著; 韓衛(wèi)華譯校

北京 : 科學(xué)出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084896-3

本書(shū)第二版反映了過(guò)去三十年來(lái)該領(lǐng)域的顯著進(jìn)展。前12 章內(nèi)容較第一版做了全面的修訂，以及部分更新和擴(kuò)充；第13 章已全面重寫(xiě)，涵蓋現(xiàn)代發(fā)展的內(nèi)容；此外，新增第14 章和第15 章，專(zhuān)門(mén)探討新興課題與技術(shù)。第16 章亦經(jīng)過(guò)大幅修訂，確保該書(shū)在非彈性散射等方面仍保持全面性。這些更新不僅鞏固了第一版奠定的基礎(chǔ)理論，還銜接了近年來(lái)該領(lǐng)域的重要進(jìn)展。新增章節(jié)融入了近年來(lái)電子顯微學(xué)與材料表征領(lǐng)域的最新研究成果，從而實(shí)現(xiàn)了理論體系的現(xiàn)代化重構(gòu)，旨在為新一代研究者提供更完善、更具前瞻性的理論支持。

電子顯微學(xué)對(duì)科學(xué)與技術(shù)的影響不言而喻。近30 年來(lái)，電子顯微學(xué)在推動(dòng)材料、生物系統(tǒng)及納米尺度現(xiàn)象的認(rèn)知方面發(fā)揮了重要作用。球差校正透射電子顯微技術(shù)、超快電子成像與先進(jìn)光譜學(xué)等方法，徹底改變了我們觀(guān)察和解讀原子世界的方式。本書(shū)旨在通過(guò)全面更新和深入探討彈性與非彈性散射這一電子顯微學(xué)核心領(lǐng)域，為電子顯微學(xué)的持續(xù)進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

透射高能電子的衍射與成像是解析晶體結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)。透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM) 及其相關(guān)分析方法的不斷發(fā)展，使得對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)解析達(dá)到了原子尺度，甚至突破了埃級(jí)分辨。近年來(lái)，球差校正透射電子顯微鏡與電子能量過(guò)濾器的商業(yè)化，推動(dòng)定量電子顯微學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。這些創(chuàng)新使得由具有不同能量損失的電子形成的圖像和衍射圖樣能夠被有效分離并實(shí)現(xiàn)數(shù)字化記錄。在實(shí)驗(yàn)中，定量數(shù)據(jù)分析高度依賴(lài)?yán)碚撃Ｐ汀１緯?shū)系統(tǒng)探討了定量電子顯微學(xué)中的彈性與非彈性電子衍射及成像理論，旨在總結(jié)并拓展過(guò)去近一個(gè)世紀(jì)在彈性與非彈性電子多重散射方面的發(fā)展，并應(yīng)用這些理論探索新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

在TEM研究中，透射電子的衍射與成像理論尤為重要。目前，關(guān)于TEM 的相關(guān)技術(shù)，已有諸多經(jīng)典著作，大多數(shù)著作主要聚焦彈性散射理論，常采用動(dòng)力學(xué)近似。Humphreys (1979) 對(duì)貝特彈性散射理論進(jìn)行了系統(tǒng)回顧，van Dyck (1985)、Amelinckx 和van Dyck (1993) 則總結(jié)了彈性散射的多片層(multislice)理論。而非彈性散射通常被視為吸收效應(yīng)，以虛勢(shì)(imaginary potential) 的形式引入，并通過(guò)德拜–沃勒因子(Debye-Waller factor) 描述熱漫散射。Ohtsuki (1983) 更多關(guān)注帶電粒子的非彈性激發(fā)，但并未系統(tǒng)討論非彈性散射電子的衍射與成像問(wèn)題。因此，有必要對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，以滿(mǎn)足定量數(shù)據(jù)分析的需求。

1.彈性散射的動(dòng)力學(xué)理論：彈性電子衍射的理論框架通常針對(duì)特定應(yīng)用，如布洛赫波理論用于會(huì)聚束電子衍射(CBED)；而多片層理論則用于高分辨TEM 圖像模擬，目前尚缺乏對(duì)所有彈性散射理論的系統(tǒng)性總結(jié)。

2.高能電子反射衍射(RHEED)：RHEED 是觀(guān)察薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中表面結(jié)構(gòu)演變的重要技術(shù)，但其定量分析仍然不足。本書(shū)將總結(jié)和比較現(xiàn)有的RHEED 動(dòng)力學(xué)分析方法。

3.吸收效應(yīng)：非彈性散射在彈性散射電子背景下通常被視為吸收效應(yīng)，并用虛勢(shì)進(jìn)行現(xiàn)象學(xué)描述。然而，目前尚無(wú)系統(tǒng)性的理論描述或計(jì)算方法來(lái)量化不同非彈性散射過(guò)程所引起的吸收勢(shì)，而這對(duì)定量電子衍射與成像至關(guān)重要。

4.非彈性散射電子的衍射與菊池圖樣(Kikuchi pattern)：由于非彈性散射的非相干性，其衍射理論相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)有文獻(xiàn)討論較少。盡管非彈性散射電子的研究已有半個(gè)多世紀(jì)，但仍缺乏整合這些理論成果的專(zhuān)著。盡管能量過(guò)濾技術(shù)可以去除能量損失超過(guò)亞電子伏特的電子，但低能量損失(<0.1eV) 的聲子散射電子仍會(huì)出現(xiàn)在衍射圖樣中。

5.基于非彈性散射電子的新成像技術(shù)：近年來(lái)，利用非彈性散射電子進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的研究逐漸增多。例如，在STEM 中，高角環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF) 成像依賴(lài)高角度聲子散射的電子信號(hào)，可在較傳統(tǒng)明場(chǎng)成像更高的分辨率下提供原子序數(shù)敏感的結(jié)構(gòu)信息，并實(shí)現(xiàn)原子尺度的定量化學(xué)成像，從而支持柱到柱級(jí)別的電子與化學(xué)分析。

電子顯微學(xué)的終極目標(biāo)是定量解析材料的結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要最優(yōu)的理論框架以及能量過(guò)濾的高分辨衍射圖樣與成像。可以預(yù)期，電子衍射與成像將在材料研究中與X 射線(xiàn)和中子衍射一樣發(fā)揮不可或缺的作用，盡管這一地位尚末完全被確立。本書(shū)重點(diǎn)探討彈性與非彈性散射電子的動(dòng)力學(xué)衍射與成像理論，著重其在結(jié)構(gòu)解析中的應(yīng)用，并詳細(xì)論述上述關(guān)鍵問(wèn)題。

本書(shū)的理論體系建立在以下原則之上：

1. 由于已有很多書(shū)籍討論彈性散射理論，因此本書(shū)重點(diǎn)探討非彈性散射電子的衍射與成像。

2. 所有理論推導(dǎo)均基于高能電子(E0>20 keV) 的波動(dòng)力學(xué)，從第一性原理出發(fā)。彈性散射理論基于薛定諤方程，非彈性散射則采用Yoshioka 耦合方程求解。

3. 由于入射電子與晶體的相互作用極強(qiáng)，本書(shū)采用的所有方法均為動(dòng)力學(xué)理論。

4. 各種理論相互關(guān)聯(lián)，并以便于數(shù)值計(jì)算的形式呈現(xiàn)。所有數(shù)學(xué)推導(dǎo)均詳細(xì)展開(kāi)，使本書(shū)內(nèi)容體系自洽且可推導(dǎo)。全書(shū)內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)基于第一性原理的統(tǒng)一體系。

5. 除特殊說(shuō)明外，所有物理量均采用國(guó)際單位制(SI)，僅在某些情況下使用埃作為單位以便于閱讀。

本書(shū)的獨(dú)特之處是系統(tǒng)討論了非彈性散射電子的動(dòng)力學(xué)理論，系統(tǒng)展示了作者在本領(lǐng)域的研究成果。基于Yoshioka 耦合方程，詳細(xì)推導(dǎo)由聲子激發(fā)、價(jià)電子激發(fā)和內(nèi)殼層電離引起的吸收勢(shì)，闡明其對(duì)定量分析和成像的影響。通過(guò)“凍結(jié)晶格”模型、布洛赫波擴(kuò)展、格林函數(shù)法和多片層理論，全面處理熱漫散射，全面描述了掃描透射電子顯微鏡（STEM）-高角環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）的成像機(jī)理及電子全息中的非彈性散射問(wèn)題。特別引入統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)理論和單粒子密度矩陣?yán)碚搧?lái)處理具有短程有序結(jié)構(gòu)中的電子動(dòng)力學(xué)散射問(wèn)題。

本書(shū)分為兩大部分：第一部分探討彈性散射電子的衍射與成像；第二部分則深入討論非彈性散射電子的衍射與成像。

第一部分：彈性散射電子的衍射與成像

• 第1 章介紹電子衍射的基本概念，采用運(yùn)動(dòng)力學(xué)散射近似，對(duì)關(guān)鍵物理量進(jìn)行定義與說(shuō)明。

• 第2 章和第3 章對(duì)彈性透射電子散射進(jìn)行了全面的量子力學(xué)處理。第2 章探討了布洛赫波理論(貝特理論）及其在會(huì)聚束電子衍射、衍射襯度成像以及弱束成像中的應(yīng)用。

• 第3章介紹了Cowley-Moodie 多片層理論(1957) 的波動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及其在高分辨電子顯微鏡圖像模擬中的應(yīng)用，并討論了將高階勞厄區(qū)反射并入多片層計(jì)算的方法，同時(shí)介紹了實(shí)空間多片層理論。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有理論的比較，突出了它們?cè)谔囟▎?wèn)題中各自的優(yōu)勢(shì)與局限性。

• 第4 章介紹了關(guān)于動(dòng)態(tài)電子散射的其他幾種理論，這些方法各有其特定的適用場(chǎng)景，并建立了它們之間的等效性。

• 第5 章專(zhuān)門(mén)探討源自塊體晶體表面的高能電子反射衍射(RHEED) 的動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)多種理論方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)與比較。本章堪稱(chēng)迄今為止關(guān)于RHEED 理論最為全面的綜述。

第二部分：非彈性散射電子的衍射與成像

本部分首次系統(tǒng)探討電子衍射中的非彈性散射問(wèn)題，主要包括以下內(nèi)容。

• 第6 章基于Yoshioka 耦合方程形式推導(dǎo)了數(shù)值計(jì)算中使用的虛勢(shì)，詳細(xì)解析了聲子激發(fā)、價(jià)電子激發(fā)及原子內(nèi)殼層(單電子) 激發(fā)等非彈性散射過(guò)程，并計(jì)算其對(duì)吸收勢(shì)的貢獻(xiàn)。此外，本章還闡述了非彈性散射的基本特征及其對(duì)X 射線(xiàn)發(fā)射的影響，這對(duì)定量數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。

• 第7 章介紹了基于凍結(jié)晶格模型的經(jīng)典熱漫散射電子衍射理論，深入討論了多聲子與多重聲子激發(fā)，并引入了由黃昆散射引起的漫散射。

• 第8 章將布洛赫波理論擴(kuò)展至非彈性散射電子，包括非理想晶體的情況。該方法不僅簡(jiǎn)化了菊池圖樣的計(jì)算，還涵蓋了雙重非彈性散射。

• 第9 章介紹了互易定理，并應(yīng)用該定理證明TEM 與STEM 的等效性。此外，本章還推導(dǎo)了適用于非彈性散射電子的等效定理。

• 第10 章探討了格林函數(shù)方法作為求解電子散射問(wèn)題的形式理論。該方法適用于任意形狀的晶體，尤其擅長(zhǎng)處理聲子散射、原子內(nèi)殼層散射及雙重非彈性散射。它能夠在數(shù)值計(jì)算前評(píng)估具有不同熱振動(dòng)構(gòu)型的晶格散射強(qiáng)度，是研究熱漫散射的理想工具。

• 第11 章將多片層理論和實(shí)空間多層切片理論應(yīng)用于非彈性散射電子，并通過(guò)具體示例模擬STEM 和TEM 中對(duì)原子序數(shù)敏感的圖像；深入探討了Z 襯度成像技術(shù)，并展示了針對(duì)理想和缺陷晶體的多層切片理論計(jì)算方法。

• 第12 章介紹了一種簡(jiǎn)化的多片層理論，用于計(jì)算聲子散射(熱漫散射) 電子的衍射圖樣。該方法通過(guò)簡(jiǎn)化非彈性激發(fā)后的彈性再散射模型，大幅降低計(jì)算需求。此外，該理論還解釋了電子衍射圖樣中條紋方向的成因，即原子振動(dòng)之間的相位耦合效應(yīng)。

• 第13 章探討了非彈性散射對(duì)高分辨TEM 圖像的影響，重點(diǎn)分析了價(jià)電子損失與聲子散射。本章展示了涉及表面與界面的多種情況，研究了熱漫散射在HAADF-STEM 成像中的作用，并探討了熱漫散射對(duì)高分辨離軸電子全息術(shù)的影響。

• 第14 章系統(tǒng)闡述了熱漫散射電子的動(dòng)力學(xué)散射理論，證明了“凍結(jié)”晶格模型與量子力學(xué)聲子散射理論的等效性，使其可用于高能電子衍射計(jì)算。本章引入了一種完整的光學(xué)勢(shì)方法來(lái)描述電子衍射與成像中的熱漫散射，并通過(guò)嚴(yán)格的理論推導(dǎo)表明，高階漫散射貢獻(xiàn)可在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中自動(dòng)包含。此外，本章還概述了實(shí)用的數(shù)值計(jì)算方法，使其成為電子衍射領(lǐng)域中對(duì)熱漫散射研究最完整、最精確的論述。

• 第15 章構(gòu)建了統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)理論，用于計(jì)算由短程有序(SRO) 結(jié)構(gòu)畸變和原子熱振動(dòng)引起的漫散射。該散射不僅在衍射圖樣中引入精細(xì)結(jié)構(gòu)，還導(dǎo)致非局域虛勢(shì)函數(shù)，削弱布拉格反射強(qiáng)度。本章通過(guò)解析方法對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，并將結(jié)果與Cowley 短程有序參數(shù)聯(lián)系起來(lái)。

• 第16 章探討了厚樣品中多重非彈性散射問(wèn)題，并引入單粒子密度矩陣?yán)碚撟鳛樘幚矶嘀貜椥耘c非彈性散射的有效方法。

• 第17 章探討了晶體與環(huán)境之間的熱交換對(duì)電子散射行為的影響，這一問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)中尤為重要，因?yàn)榫w始終與顯微鏡接觸。本章重點(diǎn)分析能量波動(dòng)對(duì)熱散射電子的潛在影響。

本書(shū)總結(jié)并拓展了彈性與非彈性散射電子的衍射與成像理論，重點(diǎn)涵蓋現(xiàn)有文獻(xiàn)中尚未系統(tǒng)闡述的前沿主題，因而對(duì)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、表面科學(xué)、固態(tài)化學(xué)、礦物學(xué)及生物科學(xué)領(lǐng)域的研究者具有重要參考價(jià)值。它不僅是電子衍射與成像物理的全面指南，也是一部權(quán)威的學(xué)術(shù)參考書(shū)。

作者認(rèn)為，能量過(guò)濾彈性與非彈性散射圖樣及其定量分析技術(shù)至關(guān)重要，因此動(dòng)力學(xué)計(jì)算更顯關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)非彈性電子散射理論、熱漫散射、吸收勢(shì)計(jì)算等前沿課題的深入探討，填補(bǔ)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的空白，為理解并定量分析能量過(guò)濾電子衍射與影像提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐工具。

本書(shū)強(qiáng)調(diào)理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)合，所有推導(dǎo)以適合編程實(shí)現(xiàn)的形式呈現(xiàn)。盡管現(xiàn)有文獻(xiàn)中理論形式各異，單位系統(tǒng)和近似方法不盡相同，本書(shū)力求以連貫的方式加以統(tǒng)一。雖然部分示例對(duì)專(zhuān)家來(lái)說(shuō)可能略顯簡(jiǎn)化，但其主要目的是闡明基本原理，并提供切實(shí)、前后一致的方法。盡管書(shū)中涉及大量數(shù)學(xué)和物理推導(dǎo)，但整體邏輯自洽，讀者只需耐心逐步推演，便能深入理解各相關(guān)方程。

本文摘編自《電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射（原書(shū)第2版）》（王中林著; 韓衛(wèi)華譯校. 北京 : 科學(xué)出版社, 2026. 3）一書(shū)“第二版序”“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084896-3

責(zé)任編輯: 李明楠 高 微

本書(shū)系統(tǒng)闡述定量電子顯微學(xué)中彈性與非彈性電子衍射及成像理論，為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域提供統(tǒng)一、自洽且面向數(shù)值計(jì)算的理論框架。1995年出版的第一版被歐美學(xué)者尊稱(chēng)為本領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。該書(shū)首先從量子力學(xué)第一性原理出發(fā)，聚焦彈性散射理論，涵蓋運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、布洛赫波理論以及Cowley-Moodie 多片層理論在高分辨成像模擬中的應(yīng)用。

本書(shū)適用于從事 TEM/STEM、電子衍射、原子分辨成像與譜學(xué)分析的科研人員與工程技術(shù)人員閱讀，也可作為材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)及相關(guān)交叉領(lǐng)域高年級(jí)本科生與研究生的高階教材與參考書(shū)，尤其適合希望從定性理解走向定量建模與數(shù)據(jù)解析的讀者。

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（本文編輯：劉四旦）

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