王中林院士领域经典三十年后再版，助力新一代研究

《电子衍射与成像中的弹性散射和非弹性散射》第一版出版于1995 年，旨在为理解电子散射在显微学中的基本原理及应用提供系统而全面的理论基础。此后，电子显微学领域经历了变革性发展，实验设备、计算方法及理论框架的突破不仅拓展了研究边界，也开启了探索原子及亚原子尺度材料的新途径。

尽管自第一版出版后的几十年间，我的研究兴趣有所转移，但本书持久的学术影响力仍让我倍感惊讶与鼓舞。2019 年在瑞典乌普萨拉大学的一次系列讲座中，几位青年教师向我表示，他们视本书为该领域的“圣经”，这一评价令我深受感动。此外，包括J. C. H. Spence、C. Colliex 和J. Hren 教授在内的众多读者与同行也表达了类似的看法，他们的支持对我而言是极大的荣誉和认可。

第一版曾受到专业期刊的评审，其中部分评价如下：

一本值得关注的著作，对相关领域文献作出了宝贵贡献。

——《美国科学家》，1996

这是一本优秀而全面的书· · · · · · 如果你对晶体的电子散射、电子显微图像解释的理论感兴趣，那么你应该购买此书。它内容详尽，并紧跟最新进展。

——《显微学杂志》，1996

正是这些鼓励，以及本书持续不断的需求，促使我着手修订和更新，以期为新一代研究者提供更完善的内容。

电子衍射与成像中的弹性散射和非弹性散射

（原书第2版）购买

王中林著; 韩卫华译校

北京 : 科学出版社, 2026. 3

ISBN 978-7-03-084896-3

本书第二版反映了过去三十年来该领域的显著进展。前12 章内容较第一版做了全面的修订，以及部分更新和扩充；第13 章已全面重写，涵盖现代发展的内容；此外，新增第14 章和第15 章，专门探讨新兴课题与技术。第16 章亦经过大幅修订，确保该书在非弹性散射等方面仍保持全面性。这些更新不仅巩固了第一版奠定的基础理论，还衔接了近年来该领域的重要进展。新增章节融入了近年来电子显微学与材料表征领域的最新研究成果，从而实现了理论体系的现代化重构，旨在为新一代研究者提供更完善、更具前瞻性的理论支持。

电子显微学对科学与技术的影响不言而喻。近30 年来，电子显微学在推动材料、生物系统及纳米尺度现象的认知方面发挥了重要作用。球差校正透射电子显微技术、超快电子成像与先进光谱学等方法，彻底改变了我们观察和解读原子世界的方式。本书旨在通过全面更新和深入探讨弹性与非弹性散射这一电子显微学核心领域，为电子显微学的持续进步贡献力量。

透射高能电子的衍射与成像是解析晶体结构的重要实验技术。透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM) 及其相关分析方法的不断发展，使得对晶体的结构解析达到了原子尺度，甚至突破了埃级分辨。近年来，球差校正透射电子显微镜与电子能量过滤器的商业化，推动定量电子显微学进入了新的发展阶段。这些创新使得由具有不同能量损失的电子形成的图像和衍射图样能够被有效分离并实现数字化记录。在实验中，定量数据分析高度依赖理论模型。本书系统探讨了定量电子显微学中的弹性与非弹性电子衍射及成像理论，旨在总结并拓展过去近一个世纪在弹性与非弹性电子多重散射方面的发展，并应用这些理论探索新的实验技术。

在TEM研究中，透射电子的衍射与成像理论尤为重要。目前，关于TEM 的相关技术，已有诸多经典著作，大多数著作主要聚焦弹性散射理论，常采用动力学近似。Humphreys (1979) 对贝特弹性散射理论进行了系统回顾，van Dyck (1985)、Amelinckx 和van Dyck (1993) 则总结了弹性散射的多片层(multislice)理论。而非弹性散射通常被视为吸收效应，以虚势(imaginary potential) 的形式引入，并通过德拜–沃勒因子(Debye-Waller factor) 描述热漫散射。Ohtsuki (1983) 更多关注带电粒子的非弹性激发，但并未系统讨论非弹性散射电子的衍射与成像问题。因此，有必要对以下几个关键问题进行系统总结，以满足定量数据分析的需求。

1.弹性散射的动力学理论：弹性电子衍射的理论框架通常针对特定应用，如布洛赫波理论用于会聚束电子衍射(CBED)；而多片层理论则用于高分辨TEM 图像模拟，目前尚缺乏对所有弹性散射理论的系统性总结。

2.高能电子反射衍射(RHEED)：RHEED 是观察薄膜生长过程中表面结构演变的重要技术，但其定量分析仍然不足。本书将总结和比较现有的RHEED 动力学分析方法。

3.吸收效应：非弹性散射在弹性散射电子背景下通常被视为吸收效应，并用虚势进行现象学描述。然而，目前尚无系统性的理论描述或计算方法来量化不同非弹性散射过程所引起的吸收势，而这对定量电子衍射与成像至关重要。

4.非弹性散射电子的衍射与菊池图样(Kikuchi pattern)：由于非弹性散射的非相干性，其衍射理论相对复杂，现有文献讨论较少。尽管非弹性散射电子的研究已有半个多世纪，但仍缺乏整合这些理论成果的专著。尽管能量过滤技术可以去除能量损失超过亚电子伏特的电子，但低能量损失(<0.1eV) 的声子散射电子仍会出现在衍射图样中。

5.基于非弹性散射电子的新成像技术：近年来，利用非弹性散射电子进行结构解析的研究逐渐增多。例如，在STEM 中，高角环形暗场(HAADF) 成像依赖高角度声子散射的电子信号，可在较传统明场成像更高的分辨率下提供原子序数敏感的结构信息，并实现原子尺度的定量化学成像，从而支持柱到柱级别的电子与化学分析。

电子显微学的终极目标是定量解析材料的结构。实现这一目标需要最优的理论框架以及能量过滤的高分辨衍射图样与成像。可以预期，电子衍射与成像将在材料研究中与X 射线和中子衍射一样发挥不可或缺的作用，尽管这一地位尚末完全被确立。本书重点探讨弹性与非弹性散射电子的动力学衍射与成像理论，着重其在结构解析中的应用，并详细论述上述关键问题。

本书的理论体系建立在以下原则之上：

1. 由于已有很多书籍讨论弹性散射理论，因此本书重点探讨非弹性散射电子的衍射与成像。

2. 所有理论推导均基于高能电子(E0>20 keV) 的波动力学，从第一性原理出发。弹性散射理论基于薛定谔方程，非弹性散射则采用Yoshioka 耦合方程求解。

3. 由于入射电子与晶体的相互作用极强，本书采用的所有方法均为动力学理论。

4. 各种理论相互关联，并以便于数值计算的形式呈现。所有数学推导均详细展开，使本书内容体系自洽且可推导。全书内容相互关联，形成一个基于第一性原理的统一体系。

5. 除特殊说明外，所有物理量均采用国际单位制(SI)，仅在某些情况下使用埃作为单位以便于阅读。

本书的独特之处是系统讨论了非弹性散射电子的动力学理论，系统展示了作者在本领域的研究成果。基于Yoshioka 耦合方程，详细推导由声子激发、价电子激发和内壳层电离引起的吸收势，阐明其对定量分析和成像的影响。通过“冻结晶格”模型、布洛赫波扩展、格林函数法和多片层理论，全面处理热漫散射，全面描述了扫描透射电子显微镜（STEM）-高角环形暗场（HAADF）的成像机理及电子全息中的非弹性散射问题。特别引入统计动力学理论和单粒子密度矩阵理论来处理具有短程有序结构中的电子动力学散射问题。

本书分为两大部分：第一部分探讨弹性散射电子的衍射与成像；第二部分则深入讨论非弹性散射电子的衍射与成像。

第一部分：弹性散射电子的衍射与成像

• 第1 章介绍电子衍射的基本概念，采用运动力学散射近似，对关键物理量进行定义与说明。

• 第2 章和第3 章对弹性透射电子散射进行了全面的量子力学处理。第2 章探讨了布洛赫波理论(贝特理论）及其在会聚束电子衍射、衍射衬度成像以及弱束成像中的应用。

• 第3章介绍了Cowley-Moodie 多片层理论(1957) 的波动力学基础及其在高分辨电子显微镜图像模拟中的应用，并讨论了将高阶劳厄区反射并入多片层计算的方法，同时介绍了实空间多片层理论。通过对现有理论的比较，突出了它们在特定问题中各自的优势与局限性。

• 第4 章介绍了关于动态电子散射的其他几种理论，这些方法各有其特定的适用场景，并建立了它们之间的等效性。

• 第5 章专门探讨源自块体晶体表面的高能电子反射衍射(RHEED) 的动力学理论，对多种理论方法进行了详细的推导与比较。本章堪称迄今为止关于RHEED 理论最为全面的综述。

第二部分：非弹性散射电子的衍射与成像

本部分首次系统探讨电子衍射中的非弹性散射问题，主要包括以下内容。

• 第6 章基于Yoshioka 耦合方程形式推导了数值计算中使用的虚势，详细解析了声子激发、价电子激发及原子内壳层(单电子) 激发等非弹性散射过程，并计算其对吸收势的贡献。此外，本章还阐述了非弹性散射的基本特征及其对X 射线发射的影响，这对定量数据分析至关重要。

• 第7 章介绍了基于冻结晶格模型的经典热漫散射电子衍射理论，深入讨论了多声子与多重声子激发，并引入了由黄昆散射引起的漫散射。

• 第8 章将布洛赫波理论扩展至非弹性散射电子，包括非理想晶体的情况。该方法不仅简化了菊池图样的计算，还涵盖了双重非弹性散射。

• 第9 章介绍了互易定理，并应用该定理证明TEM 与STEM 的等效性。此外，本章还推导了适用于非弹性散射电子的等效定理。

• 第10 章探讨了格林函数方法作为求解电子散射问题的形式理论。该方法适用于任意形状的晶体，尤其擅长处理声子散射、原子内壳层散射及双重非弹性散射。它能够在数值计算前评估具有不同热振动构型的晶格散射强度，是研究热漫散射的理想工具。

• 第11 章将多片层理论和实空间多层切片理论应用于非弹性散射电子，并通过具体示例模拟STEM 和TEM 中对原子序数敏感的图像；深入探讨了Z 衬度成像技术，并展示了针对理想和缺陷晶体的多层切片理论计算方法。

• 第12 章介绍了一种简化的多片层理论，用于计算声子散射(热漫散射) 电子的衍射图样。该方法通过简化非弹性激发后的弹性再散射模型，大幅降低计算需求。此外，该理论还解释了电子衍射图样中条纹方向的成因，即原子振动之间的相位耦合效应。

• 第13 章探讨了非弹性散射对高分辨TEM 图像的影响，重点分析了价电子损失与声子散射。本章展示了涉及表面与界面的多种情况，研究了热漫散射在HAADF-STEM 成像中的作用，并探讨了热漫散射对高分辨离轴电子全息术的影响。

• 第14 章系统阐述了热漫散射电子的动力学散射理论，证明了“冻结”晶格模型与量子力学声子散射理论的等效性，使其可用于高能电子衍射计算。本章引入了一种完整的光学势方法来描述电子衍射与成像中的热漫散射，并通过严格的理论推导表明，高阶漫散射贡献可在动力学计算中自动包含。此外，本章还概述了实用的数值计算方法，使其成为电子衍射领域中对热漫散射研究最完整、最精确的论述。

• 第15 章构建了统计动力学理论，用于计算由短程有序(SRO) 结构畸变和原子热振动引起的漫散射。该散射不仅在衍射图样中引入精细结构，还导致非局域虚势函数，削弱布拉格反射强度。本章通过解析方法对结构缺陷进行统计平均，并将结果与Cowley 短程有序参数联系起来。

• 第16 章探讨了厚样品中多重非弹性散射问题，并引入单粒子密度矩阵理论作为处理多重弹性与非弹性散射的有效方法。

• 第17 章探讨了晶体与环境之间的热交换对电子散射行为的影响，这一问题在实验中尤为重要，因为晶体始终与显微镜接触。本章重点分析能量波动对热散射电子的潜在影响。

本书总结并拓展了弹性与非弹性散射电子的衍射与成像理论，重点涵盖现有文献中尚未系统阐述的前沿主题，因而对凝聚态物理、材料科学、表面科学、固态化学、矿物学及生物科学领域的研究者具有重要参考价值。它不仅是电子衍射与成像物理的全面指南，也是一部权威的学术参考书。

作者认为，能量过滤弹性与非弹性散射图样及其定量分析技术至关重要，因此动力学计算更显关键。通过对非弹性电子散射理论、热漫散射、吸收势计算等前沿课题的深入探讨，填补了现有文献中的空白，为理解并定量分析能量过滤电子衍射与影像提供坚实的理论基础和实践工具。

本书强调理论与数值计算结合，所有推导以适合编程实现的形式呈现。尽管现有文献中理论形式各异，单位系统和近似方法不尽相同，本书力求以连贯的方式加以统一。虽然部分示例对专家来说可能略显简化，但其主要目的是阐明基本原理，并提供切实、前后一致的方法。尽管书中涉及大量数学和物理推导，但整体逻辑自洽，读者只需耐心逐步推演，便能深入理解各相关方程。

本文摘编自《电子衍射与成像中的弹性散射和非弹性散射（原书第2版）》（王中林著; 韩卫华译校. 北京 : 科学出版社, 2026. 3）一书“第二版序”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-084896-3

责任编辑: 李明楠 高 微

本书系统阐述定量电子显微学中弹性与非弹性电子衍射及成像理论，为材料科学、凝聚态物理等领域提供统一、自洽且面向数值计算的理论框架。1995年出版的第一版被欧美学者尊称为本领域的“圣经”。该书首先从量子力学第一性原理出发，聚焦弹性散射理论，涵盖运动学理论、布洛赫波理论以及Cowley-Moodie 多片层理论在高分辨成像模拟中的应用。

本书适用于从事 TEM/STEM、电子衍射、原子分辨成像与谱学分析的科研人员与工程技术人员阅读，也可作为材料科学、凝聚态物理、化学及相关交叉领域高年级本科生与研究生的高阶教材与参考书，尤其适合希望从定性理解走向定量建模与数据解析的读者。

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（本文编辑：刘四旦）

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