材料現(xiàn)代分析方法期末考試題與答案

1、1名詞解釋：相干散射（湯姆遜散射）：入射線光子與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子（如內(nèi)層電子）發(fā)生彈性碰撞作用，僅其運動方向改變而沒有能量改變的散射。又稱彈性散射；不相干散射（康普頓散射）：入射線光子與原子內(nèi)受核束縛較弱的電子（如外層電子）或晶體中自由電子發(fā)生非彈性碰撞作用，在光子運動方向改變的同時有能量損失的散射。又稱非彈性散射；熒光輻射：物質(zhì)微粒受電磁輻射激發(fā)（光致激發(fā)）后輻射躍遷發(fā)射的光子（二次光子）稱為熒光或磷光，吸收一次光子與發(fā)射二次光子之間延誤時間很短（10-810-4s）稱熒光，延誤時間較長（10-410s）則為磷光；（有待確定）俄歇效應(yīng)：如原子的退激發(fā)不以發(fā)射x射線的方式進行則將以發(fā)射

2、俄歇電子的德方式進行，此過程稱俄歇過程或俄歇效應(yīng)；吸收限：當(dāng)入射x射線光子能量達到某一閾值可擊出物質(zhì)原子內(nèi)層電子時，產(chǎn)生光電效應(yīng)。與此能量閾值相應(yīng)的波長稱為物質(zhì)的吸收限。晶面指數(shù)與晶向指數(shù)：為了表示晶向和晶面的空間取向（方位），采用統(tǒng)一的標(biāo)識，稱為晶向指數(shù)和晶面指數(shù)；晶帶：晶體中平行于同一晶向的所有晶面的總體干涉面：晶面間距為dhkl/n、干涉指數(shù)為nh、 nk、 nl的假想晶面稱為干涉面x射線散射：x射線衍射：x射線反射：結(jié)構(gòu)因子：晶胞沿（hkl）面反射方向的散射波即衍射波fhkl是晶胞所含各原子相應(yīng)方向上散射波的合成波，表征了晶胞的衍射強度；多重因子：通常將同一晶面族中等同晶面組數(shù)p稱為衍

3、射強度的多重性因數(shù)。羅侖茲因子：系統(tǒng)消光：因f2=0而使衍射線消失的現(xiàn)象稱為系統(tǒng)消光。2討論下列各組概念中二者之間的關(guān)系：1）同一物質(zhì)的吸收譜和發(fā)射譜；答：當(dāng)構(gòu)成物質(zhì)的分子或原子受到激發(fā)而發(fā)光，產(chǎn)生的光譜稱為發(fā)射光譜，發(fā)射光譜的譜線與組成物質(zhì)的元素及其外圍電子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。吸收光譜是指光通過物質(zhì)被吸收后的光譜，吸收光譜則決定于物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，與分子中的雙鍵有關(guān)。2）x射線管靶材的發(fā)射譜與其配用的濾波片的吸收譜。答：可以選擇k剛好位于輻射源的k和k之間的金屬薄片作為濾光片，放在x射線源和試樣之間。這時濾光片對k射線強烈吸收，而對k吸收卻少。3x射線的本質(zhì)是什么？答：x射線是一種電磁波，有明顯的波粒

4、二象性。4如何選用濾波片的材料？如何選用x射線管的材料？答：選擇k剛好位于輻射源的k和k之間的金屬薄片作為濾光片，濾波片是根據(jù)靶元素確定的。經(jīng)驗規(guī)律：當(dāng)靶固定后應(yīng)滿足當(dāng)z靶<40時，則z片=z靶1；當(dāng)z靶40時，則z片=z靶 2；若試樣的k系吸收限為k，應(yīng)選擇靶的k波長稍大于并盡量靠近k，這樣不產(chǎn)生熒光，并且吸收又最小。 經(jīng)驗公式：z靶 z試樣+1。5實驗中選擇x射線管以及濾波片的原則是什么？已知一個以fe為主要成分的樣品，試選擇合適的x射線管和合適的濾波片。答：實驗中選擇x射線管的原則是為避免或減少產(chǎn)生熒光輻射，應(yīng)當(dāng)避免使用比樣品中主元素的原子序數(shù)大26（尤其是2）的材料作靶材的x射線

5、管。選擇濾波片的原則是x射線分析中，在x射線管與樣品之間一個濾波片，以濾掉k線。濾波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序數(shù)小1或2的材料。以分析以鐵為主的樣品，應(yīng)該選用co或fe靶的x射線管，同時選用fe和mn為濾波片。6試畫出下列晶向及晶面（均屬立方晶系）：111，121，21，（00），110，（123），（21）。答：（晶面），晶向，圖見書16頁7下面是某立方晶系物質(zhì)的幾個晶面，試將它們的面間距從大到小按次序重新排列：（12），（100），（200），（11），（121），（111），（10），（220），（130），（030），（21），（110）。答：，它們的面間距從大到小

6、按次序是：（100）、（110）、（111）、（200）、（10）、（121）、（220）、（21）、（030）、（130）、（11）、（12）。8證明（）、（）、（）晶面屬于111晶帶。答：已知一個晶面 (hkl) 和它所屬的晶帶uvw，根據(jù)解析幾何中直線與平面的關(guān)系，從很容易得到二者之間的關(guān)系：hu+kv+lw=0通常把這個關(guān)系式稱為晶帶定律。9判別下列哪些晶面屬于11晶帶：（0），（1），（231），（211），（01），（13），（12），（12），（01），（212）。答：公式如8題。10晶面（110）、（311）、（132）是否屬于同一晶帶？晶帶軸是什么？再指出屬于這個晶帶的其他幾

7、個晶面。答：公式如8題，貌似題目有問題11試計算（11）及（2）的共同晶帶軸。答：公式如8題，11212試述布拉格公式2dhklsin=中各參數(shù)的含義，以及該公式有哪些應(yīng)用？答：dhkl表示hkl晶面的面間間距，角表示掠過角或布拉格角，即入射x射線或衍射線與面間間的夾角，表示入射x射線的波長。該公式有二個方面用途：（1）已知晶體的d值。通過測量，求特征x射線的，并通過判斷產(chǎn)生特征x射線的元素。這主要應(yīng)用于x射線熒光光譜儀和電子探針中。（2）已知入射x射線的波長， 通過測量，求晶面間距。并通過晶面間距，測定晶體結(jié)構(gòu)或進行物相分析。13當(dāng)波長為的x射線在晶體上發(fā)生衍射時，相鄰兩個（hkl）晶面衍射

8、線的波程差是多少？相鄰兩個hkl干涉面的波程差又是多少？答：當(dāng)波長為的x射線照射到晶體上發(fā)生衍射，相鄰兩個（hkl）晶面的波程差是n，相鄰兩個（hkl）晶面的波程差是14“一束x射線照射一個原子列（一維晶體），只有鏡面反射方向上才有可能產(chǎn)生衍射線”，此種說法是否正確？答：不正確，因為一束x射線照射一個原子列上，原子列上每個原子受迫都會形成新的x射線源向四周發(fā)射與入射光波長一致的新的x射線，只要符合光的干涉三個條件（光程差是波長的整數(shù)倍），不同點光源間發(fā)出的x射線都可產(chǎn)生干涉和衍射。鏡面反射，其光程差為零，是特殊情況。15-fe屬立方晶系，點陣參數(shù)a=0.2866nm。如用crkx射線（=0.2

9、291nm）照射，試求（110）、（200）及（211）可發(fā)生衍射的掠射角。答：，2dhklsin=，得16原子散射因數(shù)的物理意義是什么？某元素的原子散射因數(shù)與其原子序數(shù)有何關(guān)系？答：原子散射因數(shù)f 是以一個電子散射波的振幅為度量單位的一個原子散射波的振幅。也稱原子散射波振幅。它表示一個原子在某一方向上散射波的振幅是一個電子在相同條件下散射波振幅的f倍。它反映了原子將x射線向某一個方向散射時的散射效率。原子散射因數(shù)與其原子序數(shù)有何關(guān)系，z越大，f 越大。因此，重原子對x射線散射的能力比輕原子要強。17總結(jié)簡單點陣、體心點陣和面心點陣衍射線的系統(tǒng)消光規(guī)律。答：簡單點陣不存在系統(tǒng)消光，體心點陣衍射

10、線的系統(tǒng)消光規(guī)律是(h+k+l)偶數(shù)時出現(xiàn)反射，(h+k+l)奇數(shù)時消光。面心點陣衍射線的系統(tǒng)消光規(guī)律是h,k,l全奇或全偶出現(xiàn)反射，h,k,l有奇有偶時消光。18洛倫茲因數(shù)是表示什么對衍射強度的影響？其表達式是綜合了哪幾個方面考慮而得出的？答：羅侖茲因數(shù)是三種幾何因子對衍射強度的影響，第一種幾何因子表示衍射的晶粒大小對衍射強度的影響，羅侖茲第二種幾何因子表示晶粒數(shù)目對衍射強度的影響，羅侖茲第三種幾何因子表示衍射線位置對衍射強度的影響。19試述衍射強度公式中各參數(shù)的含義？答：x射線衍射強度的公式式中各參數(shù)的含義是：i0為入射x射線的強度；為入射x射線的波長；r為試樣到觀測點之間的距離；v為被照

11、射晶體的體積；vc為單位晶胞體積；p為多重性因子，表示等晶面?zhèn)€數(shù)對衍射強度的影響因子；f為結(jié)構(gòu)因子，反映晶體結(jié)構(gòu)中原子位置、種類和個數(shù)對晶面的影響因子；a()為吸收因子，圓筒狀試樣的吸收因子與布拉格角、試樣的線吸收系數(shù)l和試樣圓柱體的半徑有關(guān)；平板狀試樣吸收因子與有關(guān)，而與角無關(guān)。()為角因子，反映樣品中參與衍射的晶粒大小，晶粒數(shù)目和衍射線位置對衍射強度的影響；e-2m為溫度因子20某斜方晶體晶胞含有兩個同類原子，坐標(biāo)位置分別為：（，1）和（， ），該晶體屬何種布拉菲點陣？寫出該晶體（100）、（110）、（211）、（221）等晶面反射線f2值。答：f=fe2pi i（3/4h+3/4k+l

12、）+fe2pi i（1/4h+1/4k+1/2l）(100),f=0, f2=0;(110),f=-2f, f2=4f2;(211),f=2f, f2=4f2;(221),f=0, f2=021說明原子散射因子、結(jié)構(gòu)因子f、結(jié)構(gòu)振幅各自的物理意義。答：原子散射因子：原子散射振幅與電子散射波振幅之比f=e_a/e_e結(jié)構(gòu)因子：晶胞所含個原子相應(yīng)方向上散射波的合成波。結(jié)構(gòu)振幅：晶胞散射波幅和電子散射波幅振幅之比f=e_b/e_e干涉函數(shù)：小晶體散射波強度與晶胞散射波強度之比g2=i_m/i_b22金剛石晶體屬面心立方點陣，每個晶胞含8個原子，坐標(biāo)為：（0，0，0）、（，0）、（，0，）、（0，）、

13、（，）、（，）、（，）、（，）原子散射因子a，求其系統(tǒng)消光規(guī)律（f2最簡表達式），并據(jù)此說明結(jié)構(gòu)消光的概念。答： = 式中|fs|為晶體點陣中各結(jié)點的結(jié)構(gòu)振幅，|fc| 為晶胞的結(jié)構(gòu)振幅。由上式可知，|fs|2=0 或|fc|2=0均可使|f(hkl)|2=0，從而使上式晶體衍射線強度ic為零，這種滿足布喇格方程條件但衍射線強度為零的現(xiàn)象稱之為消光。晶體所屬的點陣類型不同，使|fc|2=0的h、k、l指數(shù)規(guī)律不同。點陣相同，結(jié)構(gòu)不同的晶體，|fc|2=0的指數(shù)規(guī)律相同，但|fs|2=0的指數(shù)規(guī)律不同，所以，稱|fc|2=0的條件為點陣消光條件；|f(hkl)|2=0的條件為結(jié)構(gòu)消光條件。實際晶

14、體中，位于陣點上的結(jié)構(gòu)基元若非由一個原子組成，則結(jié)構(gòu)基元內(nèi)各原子散射波間相互干涉也可能產(chǎn)生f2=0的現(xiàn)象。此種在點陣消光的基礎(chǔ)上，因結(jié)構(gòu)基元內(nèi)原子位置不同而進一步產(chǎn)生的附加消光現(xiàn)象，稱為結(jié)構(gòu)消光（補充）。23“衍射線在空間的方位僅取決于晶胞的形狀與大小，而與晶胞中的原子位置無關(guān)；衍射線的強度則僅取決于晶胞中原子位置，而與晶胞形狀及大小無關(guān)”，此種說法是否正確？答：衍射線在空間的方位主要取決于晶體的面間間距，或者晶胞的大小。衍射線的強度主要取決于晶體中原子的種類和它們在晶胞中的相對位置。（有待補充）24用單色x射線照射圓柱多晶體試樣，其衍射線在空間將形成什么圖案？為攝取德拜圖相，應(yīng)當(dāng)采用什么樣的

15、底片去記錄？答：用單色x射線照射圓柱多晶體試樣，其衍射線在空間將形成一組錐心角不等的圓錐組成的圖案；為攝取德拜圖相，應(yīng)當(dāng)采用帶狀的照相底片去記錄。25某一粉末相上背射區(qū)線條與透射區(qū)線條比較起來，其較高抑或較低？相應(yīng)的d較大還是較小？答：背射區(qū)線條與透射區(qū)線條比較較高，d較小。產(chǎn)生衍射線必須符合布拉格方程2dsin=，對于背射區(qū)屬于2高角度區(qū)，根據(jù)d=/2sin，越大d越小。26衍射儀測量在入射光束、試樣形狀、試樣吸收以及衍射線記錄等方面與德拜法有何不同？答：入射x射線的光束：都為單色的特征x射線，都有光欄調(diào)節(jié)光束。不同：衍射儀法：采用一定發(fā)散度的入射線，且聚焦半徑隨2變化，德拜法：通過進光管限

16、制入射線的發(fā)散度。試樣形狀：衍射儀法為平板狀，德拜法為細圓柱狀。試樣吸收：衍射儀法吸收時間短，德拜法吸收時間長，約為1020h。記錄方式：衍射儀法采用計數(shù)率儀作圖，德拜法采用環(huán)帶形底片成相，而且它們的強度（i）對（2）的分布（i-2曲線）也不同；27測角儀在采集衍射圖時，如果試樣表面轉(zhuǎn)到與入射線成300角，則計數(shù)管與入射線所成角度為多少？能產(chǎn)生衍射的晶面，與試樣的自由表面是何種幾何關(guān)系？答：60度。因為計數(shù)管的轉(zhuǎn)速時試樣的2倍。輻射探測器接收的衍射是那些與試樣表面平行的晶面產(chǎn)生的衍射。晶體若不平行于試樣表面，盡管也產(chǎn)生衍射，但衍射線進不了探測器，不能被接收。28敘述x射線物相分析的基本原理，試

17、比較衍射儀法與德拜法的優(yōu)缺點？答：定性分析：原理：x-ray衍射分析是以晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，每種結(jié)晶物質(zhì)都有特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)在x-ray衍射花樣中均有所反映。故可作為鑒別物相的標(biāo)志。若將幾種物質(zhì)混合后攝像，則所得結(jié)果為各單獨物相衍射線條的簡單疊加。定性分析：原理：x-ray衍射分析是以晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，每種結(jié)晶物質(zhì)都有特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)在x-ray衍射花樣中均有所反映。故可作為鑒別物相的標(biāo)志。若將幾種物質(zhì)混合后攝像，則所得結(jié)果為各單獨物相衍射線條的簡單疊加。與照相法相比，衍射儀法在一些方面具有明顯不同的特點，也正好是它的優(yōu)缺點。 （1）簡便快速：衍射儀法都采用自動記錄，不需底片安裝

18、、沖洗、晾干等手續(xù)。可在強度分布曲線圖上直接測量2和i值，比在底片上測量方便得多。衍射儀法掃描所需的時間短于照相曝光時間。一個物相分析樣品只需約15分鐘即可掃描完畢。此外，衍射儀還可以根據(jù)需要有選擇地掃描某個小范圍，可大大縮短掃描時間。 （2）分辨能力強：由于測角儀圓半徑一般為185mm遠大于德拜相機的半徑（57.3/2mm），因而衍射法的分辨能力比照相法強得多。如當(dāng)用cuka輻射時，從230o左右開始，k雙重線即能分開；而在德拜照相中2小于90°時k雙重線不能分開。 （3）直接獲得強度數(shù)據(jù)：不僅可以得出相對強度，還可測定絕對強度。由照相底片上直接得到的是黑度，需要換算后才得出強度，

19、而且不可能獲得絕對強度值。 （4）低角度區(qū)的2測量范圍大：測角儀在接近2= 0°附近的禁區(qū)范圍要比照相機的盲區(qū)小。一般測角儀的禁區(qū)范圍約為23°（如果使用小角散射測角儀則更可小到20.50.6°），而直徑573mm的德拜相機的盲區(qū)，一般為28°。這相當(dāng)于使用cuk輻射時，衍射儀可以測得面網(wǎng)間距d最大達3nma的反射（用小角散射測角儀可達1000nm），而一般德拜相機只能記錄 d值在1nm以內(nèi)的反射。 （5）樣品用量大：衍射儀法所需的樣品數(shù)量比常用的德拜照相法要多得多。后者一般有510mg樣品就足夠了，最少甚至可以少到不足lmg。在衍射儀法中，如果要求能夠

20、產(chǎn)生最大的衍射強度，一般約需有0.5g以上的樣品；即使采用薄層樣品，樣品需要量也在100mg左右。（6）設(shè)備較復(fù)雜，成本高。 顯然，與照相法相比，衍射儀有較多的優(yōu)點，突出的是簡便快速和精確度高，而且隨著電子計算機配合衍射儀自動處理結(jié)果的技術(shù)日益普及，這方面的優(yōu)點將更為突出。所以衍射儀技術(shù)目前已為國內(nèi)外所廣泛使用。但是它并不能完全取代照相法。特別是它所需樣品的數(shù)量很少，這是一般的衍射儀法遠不能及的。29粉末樣品顆粒過大或過小對德拜花樣影響如何？為什么？板狀多晶體樣品晶粒過大或過小對衍射峰形影響又如何？答：粉末樣品顆粒過大會使德拜花樣不連續(xù)，或過小，德拜寬度增大，不利于分析工作的進行。因為當(dāng)粉末顆

21、粒過大（大于10-3cm）時，參加衍射的顆粒數(shù)減少，會使衍射線條不連續(xù)；不過粉末顆粒過細（小于10-5cm）時，會使衍射線條變寬，這些都不利于分析工作。多晶體的塊狀試樣，如果顆粒足夠細將得到與粉末試樣相似的結(jié)果，即衍射峰寬化。但晶粒粗大時參與反射的晶面數(shù)量有限，所以發(fā)生反射的概率變小，這樣會使得某些衍射峰強度變小或不出現(xiàn)。30物相定性分析的原理是什么？對食鹽進行化學(xué)分析與物相定性分析，所得信息有何不同？物相定性分析的原理是根據(jù)每一種結(jié)晶物質(zhì)都有自己獨特的晶體結(jié)構(gòu)，即特定點陣類型、晶胞大小、原子的數(shù)目和原子在晶胞中的排列等。因此，從布拉格公式和強度公式知道，當(dāng)x射線通過晶體時，每一種結(jié)晶物質(zhì)都有

22、自己獨特的衍射花樣，它們的特征可以用各個反射晶面的晶面間距值d和反射線的強度來表征。其中晶面網(wǎng)間距值d與晶胞的形狀和大小有關(guān)，相對強度i則與質(zhì)點的種類及其在晶胞中的位置有關(guān)。這些衍射花樣有兩個用途：一是可以用來測定晶體的結(jié)構(gòu)，這是比較復(fù)雜的。二是用來測定物相，所以，任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和i是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映，因而可以根據(jù)它們來鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相，這個過程比較簡單。分析的思路將樣品的衍射花樣與已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的衍射花樣進行比較從中找出與其相同者即可。對食鹽進行化學(xué)分析與物相定性分析，前者獲得食鹽化學(xué)組成，后者能獲得物相組成及晶體結(jié)構(gòu)。31物相定量分析的原理是什么？試述用k值法進行物相定量

23、分析的過程。答：根據(jù)x射線衍射強度公式，某一物相的相對含量的增加，其衍射線的強度亦隨之增加，所以通過衍射線強度的數(shù)值可以確定對應(yīng)物相的相對含量。由于各個物相對x射線的吸收影響不同，x射線衍射強度與該物相的相對含量之間不成線性比例關(guān)系，必須加以修正。這是內(nèi)標(biāo)法的一種，是事先在待測樣品中加入純元素，然后測出定標(biāo)曲線的斜率即k值。當(dāng)要進行這類待測材料衍射分析時，已知k值和標(biāo)準(zhǔn)物相質(zhì)量分?jǐn)?shù)s，只要測出a相強度ia與標(biāo)準(zhǔn)物相的強度is的比值ia/is就可以求出a相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)a。k值法是內(nèi)標(biāo)法延伸。從內(nèi)標(biāo)法我們知道，通過加入內(nèi)標(biāo)可消除基體效應(yīng)的影響。k值法同樣要在樣品中加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為內(nèi)標(biāo)，人們經(jīng)常也稱之為清洗劑。k值法不須作標(biāo)準(zhǔn)曲線得出而能求得k值。具體作法是：1）對待測的樣品。找到待測相和標(biāo)準(zhǔn)相的純物質(zhì)，配二者含量為1：1混合樣，并用實驗測定二者某一對衍射線的強度，它們的強度比kis。2）在待測樣品中摻入一定量ws的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。并測定混合樣中二個相的同一對衍射線的強度 ii/is。3）代入上一公式求出待測相i在混合樣中的含量wi。4）求i相有原始樣品中的含量wi由于jcpds卡片中已選用剛玉al2o3作為標(biāo)準(zhǔn)物