王中林院士領域經典三十年后再版，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中的基本原理及應用提供系統而全面的理論基礎。此后，電子顯微學領域經歷了變革性發展，實驗設備、計算方法及理論框架的突破不僅拓展了研究邊界，也開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移，但本書持久的學術影響力仍讓我倍感驚訝與鼓舞。2019 年在瑞典烏普薩拉大學的一次系列講座中，幾位青年教師向我表示，他們視本書為該領域的“圣經”，這一評價令我深受感動。此外，包括J. C. H. Spence、C. Colliex 和J. Hren 教授在內的眾多讀者與同行也表達了類似的看法，他們的支持對我而言是極大的榮譽和認可。

第一版曾受到專業期刊的評審，其中部分評價如下：

一本值得關注的著作，對相關領域文獻作出了寶貴貢獻。

——《美國科學家》，1996

這是一本優秀而全面的書· · · · · · 如果你對晶體的電子散射、電子顯微圖像解釋的理論感興趣，那么你應該購買此書。它內容詳盡，并緊跟最新進展。

——《顯微學雜志》，1996

正是這些鼓勵，以及本書持續不斷的需求，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容。

電子衍射與成像中的彈性散射和非彈性散射

（原書第2版）購買

王中林著; 韓衛華譯校

北京 : 科學出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084896-3

本書第二版反映了過去三十年來該領域的顯著進展。前12 章內容較第一版做了全面的修訂，以及部分更新和擴充；第13 章已全面重寫，涵蓋現代發展的內容；此外，新增第14 章和第15 章，專門探討新興課題與技術。第16 章亦經過大幅修訂，確保該書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理論，還銜接了近年來該領域的重要進展。新增章節融入了近年來電子顯微學與材料表征領域的最新研究成果，從而實現了理論體系的現代化重構，旨在為新一代研究者提供更完善、更具前瞻性的理論支持。

電子顯微學對科學與技術的影響不言而喻。近30 年來，電子顯微學在推動材料、生物系統及納米尺度現象的認知方面發揮了重要作用。球差校正透射電子顯微技術、超快電子成像與先進光譜學等方法，徹底改變了我們觀察和解讀原子世界的方式。本書旨在通過全面更新和深入探討彈性與非彈性散射這一電子顯微學核心領域，為電子顯微學的持續進步貢獻力量。

透射高能電子的衍射與成像是解析晶體結構的重要實驗技術。透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM) 及其相關分析方法的不斷發展，使得對晶體的結構解析達到了原子尺度，甚至突破了埃級分辨。近年來，球差校正透射電子顯微鏡與電子能量過濾器的商業化，推動定量電子顯微學進入了新的發展階段。這些創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現數字化記錄。在實驗中，定量數據分析高度依賴理論模型。本書系統探討了定量電子顯微學中的彈性與非彈性電子衍射及成像理論，旨在總結并拓展過去近一個世紀在彈性與非彈性電子多重散射方面的發展，并應用這些理論探索新的實驗技術。

在TEM研究中，透射電子的衍射與成像理論尤為重要。目前，關于TEM 的相關技術，已有諸多經典著作，大多數著作主要聚焦彈性散射理論，常采用動力學近似。Humphreys (1979) 對貝特彈性散射理論進行了系統回顧，van Dyck (1985)、Amelinckx 和van Dyck (1993) 則總結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，以虛勢(imaginary potential) 的形式引入，并通過德拜–沃勒因子(Debye-Waller factor) 描述熱漫散射。Ohtsuki (1983) 更多關注帶電粒子的非彈性激發，但并未系統討論非彈性散射電子的衍射與成像問題。因此，有必要對以下幾個關鍵問題進行系統總結，以滿足定量數據分析的需求。

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

2.高能電子反射衍射(RHEED)：RHEED 是觀察薄膜生長過程中表面結構演變的重要技術，但其定量分析仍然不足。本書將總結和比較現有的RHEED 動力學分析方法。

3.吸收效應：非彈性散射在彈性散射電子背景下通常被視為吸收效應，并用虛勢進行現象學描述。然而，目前尚無系統性的理論描述或計算方法來量化不同非彈性散射過程所引起的吸收勢，而這對定量電子衍射與成像至關重要。

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，其衍射理論相對復雜，現有文獻討論較少。盡管非彈性散射電子的研究已有半個多世紀，但仍缺乏整合這些理論成果的專著。盡管能量過濾技術可以去除能量損失超過亞電子伏特的電子，但低能量損失(<0.1eV) 的聲子散射電子仍會出現在衍射圖樣中。

5.基于非彈性散射電子的新成像技術：近年來，利用非彈性散射電子進行結構解析的研究逐漸增多。例如，在STEM 中，高角環形暗場(HAADF) 成像依賴高角度聲子散射的電子信號，可在較傳統明場成像更高的分辨率下提供原子序數敏感的結構信息，并實現原子尺度的定量化學成像，從而支持柱到柱級別的電子與化學分析。

電子顯微學的終極目標是定量解析材料的結構。實現這一目標需要最優的理論框架以及能量過濾的高分辨衍射圖樣與成像。可以預期，電子衍射與成像將在材料研究中與X 射線和中子衍射一樣發揮不可或缺的作用，盡管這一地位尚末完全被確立。本書重點探討彈性與非彈性散射電子的動力學衍射與成像理論，著重其在結構解析中的應用，并詳細論述上述關鍵問題。

本書的理論體系建立在以下原則之上：

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

2. 所有理論推導均基于高能電子(E0>20 keV) 的波動力學，從第一性原理出發。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，本書采用的所有方法均為動力學理論。

4. 各種理論相互關聯，并以便于數值計算的形式呈現。所有數學推導均詳細展開，使本書內容體系自洽且可推導。全書內容相互關聯，形成一個基于第一性原理的統一體系。

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

本書的獨特之處是系統討論了非彈性散射電子的動力學理論，系統展示了作者在本領域的研究成果。基于Yoshioka 耦合方程，詳細推導由聲子激發、價電子激發和內殼層電離引起的吸收勢，闡明其對定量分析和成像的影響。通過“凍結晶格”模型、布洛赫波擴展、格林函數法和多片層理論，全面處理熱漫散射，全面描述了掃描透射電子顯微鏡（STEM）-高角環形暗場（HAADF）的成像機理及電子全息中的非彈性散射問題。特別引入統計動力學理論和單粒子密度矩陣理論來處理具有短程有序結構中的電子動力學散射問題。

本書分為兩大部分：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，采用運動力學散射近似，對關鍵物理量進行定義與說明。

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

• 第3章介紹了Cowley-Moodie 多片層理論(1957) 的波動力學基礎及其在高分辨電子顯微鏡圖像模擬中的應用，并討論了將高階勞厄區反射并入多片層計算的方法，同時介紹了實空間多片層理論。通過對現有理論的比較，突出了它們在特定問題中各自的優勢與局限性。

• 第4 章介紹了關于動態電子散射的其他幾種理論，這些方法各有其特定的適用場景，并建立了它們之間的等效性。

• 第5 章專門探討源自塊體晶體表面的高能電子反射衍射(RHEED) 的動力學理論，對多種理論方法進行了詳細的推導與比較。本章堪稱迄今為止關于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

本部分首次系統探討電子衍射中的非彈性散射問題，主要包括以下內容。

• 第6 章基于Yoshioka 耦合方程形式推導了數值計算中使用的虛勢，詳細解析了聲子激發、價電子激發及原子內殼層(單電子) 激發等非彈性散射過程，并計算其對吸收勢的貢獻。此外，本章還闡述了非彈性散射的基本特征及其對X 射線發射的影響，這對定量數據分析至關重要。

• 第7 章介紹了基于凍結晶格模型的經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，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。該方法不僅簡化了菊池圖樣的計算，還涵蓋了雙重非彈性散射。

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

• 第10 章探討了格林函數方法作為求解電子散射問題的形式理論。該方法適用于任意形狀的晶體，尤其擅長處理聲子散射、原子內殼層散射及雙重非彈性散射。它能夠在數值計算前評估具有不同熱振動構型的晶格散射強度，是研究熱漫散射的理想工具。

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

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

• 第13 章探討了非彈性散射對高分辨TEM 圖像的影響，重點分析了價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高分辨離軸電子全息術的影響。

• 第14 章系統闡述了熱漫散射電子的動力學散射理論，證明了“凍結”晶格模型與量子力學聲子散射理論的等效性，使其可用于高能電子衍射計算。本章引入了一種完整的光學勢方法來描述電子衍射與成像中的熱漫散射，并通過嚴格的理論推導表明，高階漫散射貢獻可在動力學計算中自動包含。此外，本章還概述了實用的數值計算方法，使其成為電子衍射領域中對熱漫散射研究最完整、最精確的論述。

• 第15 章構建了統計動力學理論，用于計算由短程有序(SRO) 結構畸變和原子熱振動引起的漫散射。該散射不僅在衍射圖樣中引入精細結構，還導致非局域虛勢函數，削弱布拉格反射強度。本章通過解析方法對結構缺陷進行統計平均，并將結果與Cowley 短程有序參數聯系起來。

• 第16 章探討了厚樣品中多重非彈性散射問題，并引入單粒子密度矩陣理論作為處理多重彈性與非彈性散射的有效方法。

• 第17 章探討了晶體與環境之間的熱交換對電子散射行為的影響，這一問題在實驗中尤為重要，因為晶體始終與顯微鏡接觸。本章重點分析能量波動對熱散射電子的潛在影響。

本書總結并拓展了彈性與非彈性散射電子的衍射與成像理論，重點涵蓋現有文獻中尚未系統闡述的前沿主題，因而對凝聚態物理、材料科學、表面科學、固態化學、礦物學及生物科學領域的研究者具有重要參考價值。它不僅是電子衍射與成像物理的全面指南，也是一部權威的學術參考書。

作者認為，能量過濾彈性與非彈性散射圖樣及其定量分析技術至關重要，因此動力學計算更顯關鍵。通過對非彈性電子散射理論、熱漫散射、吸收勢計算等前沿課題的深入探討，填補了現有文獻中的空白，為理解并定量分析能量過濾電子衍射與影像提供堅實的理論基礎和實踐工具。

本書強調理論與數值計算結合，所有推導以適合編程實現的形式呈現。盡管現有文獻中理論形式各異，單位系統和近似方法不盡相同，本書力求以連貫的方式加以統一。雖然部分示例對專家來說可能略顯簡化，但其主要目的是闡明基本原理，并提供切實、前后一致的方法。盡管書中涉及大量數學和物理推導，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（原書第2版）》（王中林著; 韓衛華譯校. 北京 : 科學出版社, 2026. 3）一書“第二版序”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

ISBN 978-7-03-084896-3

責任編輯: 李明楠 高 微

本書系統闡述定量電子顯微學中彈性與非彈性電子衍射及成像理論，為材料科學、凝聚態物理等領域提供統一、自洽且面向數值計算的理論框架。1995年出版的第一版被歐美學者尊稱為本領域的“圣經”。該書首先從量子力學第一性原理出發，聚焦彈性散射理論，涵蓋運動學理論、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用。

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

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（本文編輯：劉四旦）

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