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。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。

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中科院外籍院士，欧洲科学院院士，，2019年爱因斯坦世界科学奖

目录
译者序
第二版序
第一版序
前言
第一部分 弹性散射电子的衍射与成像
第1章 电子的运动学衍射理论 3
1.1 电子的波动性 3
1.2 平面波 4
1.3 单原子散射 5
1.4 莫特公式 5
1.5 薄晶体中的运动学电子衍射 7
1.6 倒易空间 9
1.7 布拉格定律 10
1.8 阿贝成像理论 12
1.9 一些数学运算 14
1.9.1 傅里叶变换 14
1.9.2 卷积运算 14
1.9.3 狄拉克δ函数 15
第2章 电子的弹性散射动力学 I：布洛赫波理论 17
2.1 单电子散射理论的相对论修正 17
2.2 贝特理论 18
2.2.1 基本方程 18
2.2.2 布洛赫波的特征 20
2.2.3 布洛赫波的正交关系 22
2.2.4 贝特理论与能带结构理论 22
2.3 双束理论 23
2.4 色散面 26
2.5 会聚束电子衍射的应用 27
2.6 临界电压效应 29
2.7 层状材料的衍射 30
2.8 高阶劳厄区反射 32
2.9 高阶劳厄区反射的实空间布洛赫波理论 32
2.9.1 投影势近似 32
2.9.2 零阶劳厄区反射 33
2.9.3 高阶劳厄区反射 34
2.10 缺陷晶体的衍衬像 34
2.10.1 缺陷晶体的势 35
2.10.2 修正后的布洛赫波理论 35
2.10.3 柱体近似 36
2.10.4 Howie-Whelan方程 37
2.10.5 α系数法 38
2.11 弱束成像 39
2.12 动力学计算中的吸收效应 41
2.13 小结 42
第3章 电子的弹性散射动力学 II：多片层理论 43
3.1 物理光学方法 43
3.1.1 相位物体近似法 43
3.1.2 惠更斯原理 44
3.1.3 多片层理论 45
3.2 多片层理论的量子力学基础 46
3.2.1 倾斜入射情况 46
3.2.2 薛定谔方程的多片层解 48
3.3 HRTEM图像与电子衍射图样的模拟 50
3.4 高阶劳厄区反射的计算 52
3.5 改进的多片层理论 53
3.5.1 零阶劳厄区反射的修正多片层理论 53
3.5.2 高阶劳厄区反射的修正多片层理论 54
3.6 磁场的影响 56
3.7 总结 58
第4章 电子的弹性散射动力学 III：其他方法 59
4.1 散射矩阵理论 59
4.2 格林函数理论 61
4.3 半倒易空间方法 62
4.4 电子衍射中的散射算符 63
4.5 非理想晶体中的衍射 64
4.6 各种理论的等效性 66
4.7 布洛赫波理论和多片层理论的比较 68
第5章 体相晶体表面反射高能电子的衍射与成像 69
5.1 RHEED的几何描述 69
5.2 布洛赫波理论 71
5.3 平行于表面的多片层理论 75
5.3.1 方法I 75
5.3.2 方法II 79
5.4 垂直于表面的多片层理论 81
5.5 RHEED中的电子反射过程 83
5.6 RHEED中的热漫散射 86
5.7 总结 88
第二部分 非弹性散射电子的衍射与成像
第6章 电子衍射中非弹性激发与吸收效应 91
6.1 菊池衍射图样 91
6.1.1 菊池线的形成 92
6.1.2 晶体中的非弹性激发 93
6.1.3 轫致辐射 95
6.1.4 电子康普顿散射 96
6.2 电子非弹性散射的Yoshioka方程 96
6.2.1 基本方程 96
6.2.2 非弹性散射电子的相干性与非相干性 98
6.2.3 强度守恒 99
6.2.4 吸收现象 99
6.3 弹性波中的非弹性激发效应 99
6.3.1 混合动力学形式因子 100
6.3.2 吸收势的倒易空间描述 101
6.3.3 实空间的吸收势 102
6.3.4 虚势的物理含义 103
6.3.5 定量电子显微学中的非弹性吸收效应 104
6.3.6 虚非弹性散射 105
6.4 非弹性散射过程I：声子激发 106
6.4.1 晶体中的声子 106
6.4.2 原子振动对晶体势的微扰效应 108
6.4.3 电子-声子的相互作用 110
6.4.4 声子色散面 111
6.4.5 德拜-沃勒因子 112
6.4.6 多声子激发的混合动力学形式因子 113
6.4.7 吸收势 116
6.5 非弹性散射过程 II：价电子激发 118
6.5.1 价电子激发的介电响应理论 118
6.5.2 平均自由程和吸收势 120
6.5.3 界面和表面激发 120
6.5.4 混合动力学形式因子和广义介电函数 124
6.6 非弹性散射过程 III：原子内壳层激发 124
6.6.1 激发矩阵 125
6.6.2 吸收势 126
6.7 X射线和俄歇电子发射中的衍射和隧道效应 128
6.7.1 原子内壳层激发的局域化 128
6.7.2 晶体中电子碰撞电离的非局域化 129
6.8 非弹性散射中的最小动量转移量 131
6.8.1 能量守恒 131
6.8.2 动量守恒 132
6.9 总结 132
第7章 热漫散射的半经典理论 133
7.1 冻结晶格模型 133
7.2 双束热漫散射理论 134
7.3 总吸收系数 138
7.4 多束热漫散射理论 139
7.5 多声子激发过程 141
7.6 德拜-沃勒因子的计算 147
7.7 热漫散射中的相干长度 148
7.8 缺陷晶体的漫散射 151
7.8.1 黄昆散射 151
7.8.2 由点缺陷产生的漫散射 151
7.9 总结 153
第8章 电子的非弹性散射动力学I：布洛赫波理论 155
8.1 Yoshioka方程的解 155
8.2 迭代方法 157
8.3 单重非弹性散射电子的衍射 158
8.4 菊池图样理论 160
8.5 双重非弹性散射电子的衍射 162
8.6 Detla函数局域近似下的相干双重非弹性散射 165
8.7 非弹性散射电子的衍射衬度图像 168
8.7.1 堆垛层错图像 168
8.7.2 缺陷晶体的Yoshioka方程的解 169
8.7.3 单重非弹性散射电子的衍射衬度成像 170
8.8 总结 171
第9章 电子衍射与成像中的互易原理 172
9.1 弹性散射电子的互易定理 172
9.2 TEM和STEM的等效性 173
9.3 非弹性散射电子的互易定理 177
9.4 总结 179
第10章 电子的非弹性散射动力学II：格林函数理论 180
10.1 广义互易定理 180
10.2 格林函数的傅里叶变换 181
10.3 一阶热漫散射 183
10.4 原子内壳层单重非弹性激发 184
10.5 双重非弹性电子散射 185
10.6 总结 189
第11章 电子的非弹性散射动力学III：多片层理论(1) 190
11.1 Yoshioka方程的多片层解法 190
11.2 电子守恒定律 195
11.3 一阶结果 195
11.4 单一激发态的特殊情形 196
11.4.1 价带损失散射 197
11.4.2 热漫散射 198
11.5 扫描透射电子显微镜中的热漫散射电子成像 200
11.5.1 像的形成 200
11.5.2 布拉格反射电子的贡献 202
11.5.3 热漫散射电子的贡献 202
11.5.4 多声子散射和多重声子散射的影响 205
11.5.5 相干热漫散射的影响 205
11.5.6 高角环形暗场扫描透射电子显微镜成像中的探测几何和相干性 210
11.6 透射电子显微镜中使用热漫散射电子成像 211
11.6.1 成像 211
11.6.2 非相干成像理论 213
11.7 热漫散射电子成像中原子振动相位相关性的影响 214
11.8 黄昆散射在成分敏感型成像中的作用 215
11.9 非相干图像的分辨率 218
11.10 热漫散射的实空间多片层理论 219
11.10.1 基本方程 219
11.10.2 热漫散射电子显微镜中的原子序数敏感成像的精确理论 221
11.10.3 动力学散射算符的多层片计算 224
11.10.4 透射电子显微镜中的原子序数敏感成像的精确理论 226
11.10.5 由黄昆散射引起的位错衬度 227
11.11 总结 230
第12章 电子的非弹性散射动力学 IV：多片层理论 (2) 231
12.1 一般理论 231
12.2 单次非弹性散射 233
12.3 多片层理论的等效性 234
12.4 吸收函数 235
12.5 局域散射 236
12.6 热漫散射电子的衍射——半经典方法 237
12.6.1 基本方程 237
12.6.2 热漫散射电子衍射图样中的条纹 240
12.7 声子散射电子的衍射——量子力学方法 242
12.7.1 基本处理方法 243
12.7.2 声子散射电子的衍射图样 245
12.7.3 热漫散射条纹的方向 246
12.8 冻结晶格模型与声子激发理论在热漫散射中的等效性 251
12.9 原子内壳层散射电子的衍射 253
12.10 总结 255
第13章 原子级分辨透射电子成像中的非弹性散射 256
13.1 价带损失电子的贡献 257
13.1.1 价电子损失的衍射 257
13.1.2 价电子损失的能量滤波高分辨透射电子显微图像 259
13.1.3 趋近完全非局域散射模型 260
13.1.4 波函数 Ψ 的微扰理论 261
13.1.5 表面等离激元激发效应 262
13.1.6 界面区域的能量过滤非弹性成像 263
13.2 声子散射对弹性波的影响 265
13.3 声子散射对相位衬度晶格成像的影响 266
13.4 声子散射对高角环形暗场扫描透射电子显微成像的影响 269
13.5 高分辨离轴电子全息技术中的热漫散射 271
13.5.1 含时微扰条件下的电子全息术研究 271
13.5.2 多片层理论法计算时间平均电子波函数 273
13.6 总结 275
第14章 电子的热漫散射动力学理论 276
14.1 基于冻结晶格模型的电子热漫散射理论 277
14.2 声子激发在电子散射中的量子理论表述 279
14.2.1 量子力学理论 279
14.2.2 动力学形式因子 283
14.3 近似与适用条件 284
14.3.1 不同阶次漫散射之间的非相干性 284
14.3.2 基态近似 285
14.4 冻结晶格模型与量子理论的等效性 286
14.5 Yoshioka引入的吸收势 287
14.6 用于补偿多重散射效应的光学势函数 288
14.6.1 总强度的守恒 290
14.6.2 所有高阶散射的完全恢复 291
14.6.3 小角度近似下的理论 292
14.6.4 布洛赫波-多片层理论 296
14.6.5 光学势的实部 297
14.7 计算过程 298
14.8 定量计算 299
14.9 总结 301
第15章 电子在具有短程有序点缺陷的晶体中的漫散射动力学 303
15.1 具有点缺陷晶体中的漫散射 303
15.2 一般理论 304
15.3 动力学结构因子的计算 309
15.3.1 点空位的短程有序 309
15.3.2 二元合金系统中的原子取代 312
15.4 吸收势与多重漫散射 316
15.5 高阶热漫散射效应的理论扩展 320
15.6 扩展到表面高能电子反射衍射 320
15.7 总结 320
第16章 电子的多重非弹性散射 322
16.1 传输方程理论 322
16.1.1 电子的多重非弹性散射的能量分布 323
16.1.2 电子的多重非弹性散射的角度分布 324
16.2 优化后的理论 326
16.3 电子衍射的密度矩阵理论 328
16.3.1 多重非弹性散射电子的动力学方程 328
16.3.2 计算格林函数中的吸收效应 331
16.3.3 非局域化的多重非弹性散射 333
16.4 总结 334
第17章 处于热平衡环境中的晶体非弹性激发过程 335
17.1 基本方程 335
17.2 电子图像和衍射图样 337
17.3 涨落分量的解法 337
17.4 涨落分量对电子衍射图样和图像的贡献 339
17.5 不含涨落的非弹性分量 340
17.6 弹性波的吸收效应 342
17.7 声子散射的应用 342
附录
附录A 物理常数、电子的波长和波数 347
附录B 傅里叶变换的性质 349
附录C 狄拉克函数的一些性质 351
附录D 薛定谔方程的积分形式 353
附录E 若干常用的数学等式 356
参考文献 357