材料性能測試簡介

1、1. 材料性能分類第二章 力學性能及測試方法一、力學性能的含義：材料在一定溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學性能。主要包括：強度、塑性、硬度等。（1）強度：材料在外力作用下對變形或斷裂的抗力。常用的強度指標有屈服強度S或0.2和抗拉強度b（2）塑性：材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性指標包括：伸長率，即試樣拉斷后的相對伸長量；斷面收縮率，即試樣拉斷后，拉斷處橫截面積的相對縮小量第一節(jié) 力學性能簡介（3）硬度：衡量材料軟硬程度的一個性能指標。硬度試驗的方法較多，原理也不相同，測得的硬度值和含義也不完全一樣。最常用的是靜負荷壓入法硬度試驗，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR

2、A、HRB、HRC）、維氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗堅硬物體壓入的能力。因此，硬度不是一個單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強度和韌性等的一種綜合性能指標。二、力學性能的常規(guī)測試手段（1）單向靜拉伸實驗（3）扭轉實驗（2）壓縮實驗（4）彎曲實驗（5）沖擊韌性實驗（6）斷裂韌性實驗（7）疲勞性實驗（8）磨損性實驗第二節(jié) 常溫單向拉伸性能及測試方法一、 力伸長曲線圖2.1 低碳鋼的力伸長曲線0FSF為拉力,L為絕對伸長P點以下為直線A點以下為彈性變形AC為屈服階段CB為均勻塑性變形Bk為非均勻塑性變形工程應變 0lnln1tLL 工程應力(Mpa)b 1t 圖2.1 低碳鋼的應力應變

3、曲線acdek真應變真應力E二、應力應變曲線四個階段1）彈性變形階段：ob段，比例極限、彈性極限4）局部塑性變形階段，ef段2）屈服階段：cd段，屈服強度3）均勻塑性變形階段：de段，抗拉強度0bbFS七種類型1) 彈性模量000SLLL (Gpa)三、重要拉伸性能指標彈性模量是表征材料對彈性變形的抗力指標，其數(shù)值等于應力-應變曲線上直線段的斜率。彈性模量越大，在相同應力下產(chǎn)生的彈性形變越小。彈性模量表征材料內(nèi)部原子間結合力的大小，即鍵的強弱。在多晶體中，它取決于組成材料的原子結構，晶格類型和點陣參數(shù)。影響因素：1、鍵合方式及原子結構共價、離子及金屬鍵彈性模量較大2、晶體結構非晶態(tài)材料的彈性模

4、量呈各向同性多晶態(tài)材料為各向同性單晶材料為各項異性3、化學成分2）屈服強度屈服是材料產(chǎn)生塑性變形，即應力不增加或在某一應力水平波動，試樣繼續(xù)產(chǎn)生應變的現(xiàn)象。應力下降的最低值稱為下屈服強度（sl），應力首次下降前的最大值稱為上屈服強度（su） 。對于沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，通常用規(guī)定非比例伸長應力，即產(chǎn)生0.2%非比例伸長率的應力（ 0.2 ）來表達。0101 0 0 %S SS3) 抗拉強度抗拉強度是試樣拉斷之前承受的最大拉伸應力，由最大載荷Fb除以初始橫截面積S0得到。4）真實斷裂強度真實斷裂強度等于試樣拉斷時的載荷Fk處以縮頸處的橫截面積Sk5) 斷后伸長率試樣斷裂后其標距長度的相對伸長量

5、稱為斷后伸長率斷后伸長率除取決于材料本身的特性，還受試樣形狀的影響。為能比較不同材料的斷后伸長率，必須使S01/2與L0保持恒定比值。通常的標準規(guī)定L0=11.3 S01/2或L0=5.65 S01/26) 斷面收縮率試樣斷裂后其橫截面積的相對縮減值稱為斷面收縮率c) 數(shù)據(jù)處理00LFESL屈服強度0.2彈性模量屈服強度su、 sl斷面收縮率一、壓縮試驗的應力-應變曲線及特點 0.20.20ccFSccE圖2.4 鑄鐵壓縮應力-應變曲線圖2.5 低碳鋼壓縮應力-應變曲線第三節(jié) 常溫壓縮性能及測試方法壓縮屈服強度010100%ch hh壓縮彈性模量1001 0 0 %cS SS相對壓縮率0b c

6、b cFS相對斷面擴展率刻 劃 法 ： 摩 氏 硬 度硬 度 試 驗 方 法靜 態(tài) 試 驗 法 ： 布 氏 、 洛 氏 、 維 氏 硬 度壓 入 法動 態(tài) 試 驗 法 ： 肖 氏 、 里 氏 硬 度抗壓強度二、壓縮性能參量第六節(jié)第六節(jié) 硬度性能及測試方法硬度性能及測試方法一、硬度性能基本概念一、硬度性能基本概念硬度反映材料抵抗局部變形特別是塑性變形和破裂的能力硬度反映材料抵抗局部變形特別是塑性變形和破裂的能力硬度并非材料獨立的力學性能，而是人為規(guī)定的硬度并非材料獨立的力學性能，而是人為規(guī)定的在某一特定試驗條件下的一個綜合性能指標。在某一特定試驗條件下的一個綜合性能指標。222 FDDDdH B

7、 = 0 . 1 0 2二、布氏硬度二、布氏硬度(HB)(HB)2212 2DhDd1) 1) 試驗原理試驗原理0.1020.102FFHBSDh將代入得s i n2dD2220 .1 0 211s in2FH BD2sin2FAD將代入HB的計算式可得根據(jù)大量試驗結果有三、洛氏硬度三、洛氏硬度(HR)0 .20 .0 0 2keH Rk m m試驗原理試驗原理0 .2 60 .0 0 2keH R k m m金剛石壓頭金剛石壓頭淬火鋼球壓頭淬火鋼球壓頭0 .1 0 2FH VS四、維氏硬度四、維氏硬度(HV)試驗原理試驗原理22 sin2dS221 3 62 sin20 .1 0 20 .1

8、 8 9 1FFH Vdd將代入得HHH總優(yōu)點：不存在優(yōu)點：不存在F F與與D D之間的約束、壓痕測量精確、之間的約束、壓痕測量精確、不存在標尺不統(tǒng)一的問題不存在標尺不統(tǒng)一的問題缺點：測定較為麻煩，效率低缺點：測定較為麻煩，效率低二、二、磁性材料的分類磁性材料的分類1) 永磁材料（硬磁）：經(jīng)磁化后能長期保留其磁性的材料。永磁材料（硬磁）：經(jīng)磁化后能長期保留其磁性的材料。特征：特征： a)具有具有高的最大磁能積高的最大磁能積(BHm) ：永磁材料單位體積存儲和可利用的最大磁能量密度的量度；永磁材料單位體積存儲和可利用的最大磁能量密度的量度；b)具有高的剩余磁化強度具有高的剩余磁化強度(Mr)和高

9、的矯頑力和高的矯頑力(Hc)；c)具有較高的穩(wěn)定性。具有較高的穩(wěn)定性。主要有：主要有：a) 稀土永磁材料稀土永磁材料 （釹鐵硼釹鐵硼 ）：當前磁能積最高的）：當前磁能積最高的一類永磁材料，為鐵族元素和稀土元素的金屬互化物；一類永磁材料，為鐵族元素和稀土元素的金屬互化物；b) 金屬永磁材料金屬永磁材料 ：分：分鋁鎳鈷鋁鎳鈷(AlNiCo)系和鐵鉻鈷系和鐵鉻鈷(FeCrCo)系兩大類系兩大類 ，AlNiCo系成本中等，系成本中等，F(xiàn)eCrCo系合金系合金可以制成可以制成管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應用；管狀、片狀或線狀永磁材料而供多種特殊應用；c) 鐵氧體永磁材料鐵氧體永磁材料 ： ( B

10、aO6Fe2O3和和SrO 6Fe2O3)等；等；d) 其他：其他：微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材微粉永磁材料、納米永磁材料、膠塑永磁材料料等等。2) 軟磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。軟磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。 特征：特征：a) 高的磁導率。磁導率高的磁導率。磁導率(符號為符號為)是對磁場靈敏度的量度；是對磁場靈敏度的量度；b) 具有高的飽和磁化強度具有高的飽和磁化強度(Ms)和和低的矯頑力低的矯頑力(Hc)；c) 具有較高的穩(wěn)定性。具有較高的穩(wěn)定性。主要有：主要有：a) 鐵鐵-硅硅(Fe-Si)系系軟磁材料，軟磁材料，俗俗稱硅鋼片稱硅鋼片；b) 鐵鐵-鎳鎳(

11、Fe-Ni)系系軟磁材料軟磁材料，具有低矯頑力的一類材料；，具有低矯頑力的一類材料；c) 鐵氧體軟磁材料，可在高頻或超高頻使用；鐵氧體軟磁材料，可在高頻或超高頻使用；d) 非晶態(tài)軟磁材料和納米晶軟磁材料，制造工藝簡單；非晶態(tài)軟磁材料和納米晶軟磁材料，制造工藝簡單；e) 其他軟磁材料：其他軟磁材料：高能和高能和高高磁化強度磁化強度的的鐵鐵-鈷鈷(Fe-Co)系合金，系合金，高電阻率高電阻率的的鐵鐵-鋁鋁(Fe-Al)系合金系合金，磁晶各向異性和磁致伸縮都趨近于零磁晶各向異性和磁致伸縮都趨近于零的的鐵鐵-硅硅-鋁鋁(Fe-Si-Al)系系合金合金等。等。3) 磁存儲材料：磁存儲材料：電子計算機存儲

12、器所用的磁性材料電子計算機存儲器所用的磁性材料，其磁滯回線近似于矩形。其磁滯回線近似于矩形。特征：特征：a) 具有具有高的剩磁比高的剩磁比Br/Bm和低的和低的矯頑力矯頑力Hc；b) 短的開關時間短的開關時間；c) 磁滯回線近似于矩形。磁滯回線近似于矩形。主要有：主要有：a) 鐵氧體矩磁材料鐵氧體矩磁材料（ MnOFe2O3、MgOFe2O3）；）；b) 金屬磁膜材料（金屬磁膜材料（Fe-Ni系）等。系）等。H4) 磁微波材料：磁微波材料： 具有獨特微波磁性的材料。具有獨特微波磁性的材料。5) 磁光材料：磁光材料：激光、光電子學和正在發(fā)展的光子學中所激光、光電子學和正在發(fā)展的光子學中所用多種磁

13、光效應器件使用的磁性材料用多種磁光效應器件使用的磁性材料。主要有：主要有：a) 旋磁材料旋磁材料，高旋磁性高電阻率的旋磁鐵氧體高旋磁性高電阻率的旋磁鐵氧體材料材料，如，如BaO6Fe2O3、3Y2O3 5Fe2O3鐵氧體系統(tǒng)等；鐵氧體系統(tǒng)等；b) 磁微波吸收材料磁微波吸收材料，具有高的電磁波吸收系數(shù)和寬的電具有高的電磁波吸收系數(shù)和寬的電磁波吸收頻帶磁波吸收頻帶，如，如以磁性金屬粉末或薄膜為組元的復合以磁性金屬粉末或薄膜為組元的復合吸收材料吸收材料、六角晶系復合鐵氧體等六角晶系復合鐵氧體等。特征：特征： a) 高的磁光效應高的磁光效應；b) 低的磁光損耗低的磁光損耗；c) 寬的磁光效應頻帶寬的磁

14、光效應頻帶；d) 高的穩(wěn)定性。高的穩(wěn)定性。主要有：主要有：a) 金屬磁光材料，如錳金屬磁光材料，如錳-鉍鉍(Mn-Bi)系合金等系合金等；(2)鐵氧體磁光材料，如石榴石型鉍鐵氧體磁光材料，如石榴石型鉍-釓釓-鐵鐵-鎵鎵-氧氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系鐵氧體等系鐵氧體等；(3)非晶非晶態(tài)態(tài)磁光材料，如釓磁光材料，如釓-鈷鈷(Gd-Co)系非晶系非晶態(tài)態(tài)合金等。合金等。6) 多功能磁性材料：同時具有磁性和其他性能的材料多功能磁性材料：同時具有磁性和其他性能的材料主要有：主要有：a) 同時具有鐵磁性和鐵電性的鐵磁同時具有鐵磁性和鐵電性的鐵磁-鐵電功能材鐵電功能材料，如料，如BiFeO3(Ba,

15、Pb)(Ti,Zr)O3系系材料；材料；b)同時具有鐵磁性和半導體的鐵磁同時具有鐵磁性和半導體的鐵磁-半導功能材料，半導功能材料，具有具有高的磁導率和高的載流子遷移率，如銪高的磁導率和高的載流子遷移率，如銪-硫硫(Eu-S)系和銪系和銪-硒硒(Eu-Se)系材料系材料；c) 磁電材料，是一類由磁場可產(chǎn)生磁化強度和電極化強磁電材料，是一類由磁場可產(chǎn)生磁化強度和電極化強度，由電場可產(chǎn)生電極化強度和磁化強度的磁性材料，度，由電場可產(chǎn)生電極化強度和磁化強度的磁性材料，如如DyAlO3和和GaFeO3；d) 鐵磁鐵磁- -有機材料，是一類不含磁性金屬的純有機化合有機材料，是一類不含磁性金屬的純有機化合物

16、磁性材料?？梢哉f多功能磁性材料是正在發(fā)展和擴大物磁性材料?？梢哉f多功能磁性材料是正在發(fā)展和擴大的新型磁性材料的新型磁性材料。二、材料的磁化二、材料的磁化物質(zhì)在磁場中表現(xiàn)出一定的磁性稱為磁化物質(zhì)在磁場中表現(xiàn)出一定的磁性稱為磁化1iMV其中其中H為外加磁場強度，單位為為外加磁場強度，單位為A/m為附加磁場強度，其大小可用磁化強度表示為附加磁場強度，其大小可用磁化強度表示MHr磁化強度：單位體積內(nèi)的總磁矩磁化強度：單位體積內(nèi)的總磁矩1) 磁化率和磁導率磁化率和磁導率a) 磁化率磁化率BH為相對磁導率，為相對磁導率，00BH為磁導率為磁導率b) 磁導率磁導率0 0( )B B BH M 真空磁導率真空

17、磁導率00( 1)rB HH H 磁感應強度磁感應強度MH將代入得2) 磁化曲線和磁滯回線磁化曲線和磁滯回線01 ，軟剛的磁化曲線軟剛的磁化曲線磁化過程中磁化過程中B和和M與與H的關系的關系a) 磁化曲線磁化曲線0 1 ，順磁體01 ，抗磁體鐵磁體2ei一些工業(yè)材料的磁化曲線224erHm b) 磁滯回線磁滯回線鐵磁體在磁化過程中存在著不可逆過程，退磁時其磁鐵磁體在磁化過程中存在著不可逆過程，退磁時其磁化強度不沿磁化曲線降低而是更為緩慢?；瘡姸炔谎卮呕€降低而是更為緩慢。當當H降為零時，仍保留的磁化強度稱為剩余磁化強度降為零時，仍保留的磁化強度稱為剩余磁化強度Mr，施加反向磁場直至磁化強度減

18、為零時的磁場稱為矯頑力施加反向磁場直至磁化強度減為零時的磁場稱為矯頑力Hc。第三節(jié)第三節(jié) 抗磁性和順磁性抗磁性和順磁性一、一、 抗磁性抗磁性222erir AANMHH2K m rK H er抗磁磁矩示意圖（約10-6）2sin2sin(2)sinsinMflHmlHmlHj二、順磁性二、順磁性其中其中j j被稱為磁偶極矩被稱為磁偶極矩磁場對條形磁體的作用磁場對條形磁體的作用順磁體磁化過程順磁體磁化過程三、影響因素三、影響因素1) 原子結構原子結構惰性氣體：典型的抗磁性惰性氣體：典型的抗磁性非金屬：大多數(shù)具有抗磁性（氧和石墨例外）非金屬：大多數(shù)具有抗磁性（氧和石墨例外）金屬：銅、銀、金、汞等具

19、有抗磁性金屬：銅、銀、金、汞等具有抗磁性 堿金屬、堿土金屬具有順磁性堿金屬、堿土金屬具有順磁性 過渡金屬多具有鐵磁性過渡金屬多具有鐵磁性 CT()CT2a bekr3) 其他因素：合金成分的影響其他因素：合金成分的影響相變的影響等相變的影響等2) 溫度溫度第四節(jié)第四節(jié) 鐵磁性鐵磁性一、一、 鐵磁性的產(chǎn)生鐵磁性的產(chǎn)生 1) 外斯假說外斯假說物體中存在著與外磁場無關的自發(fā)磁化，物體中存在著與外磁場無關的自發(fā)磁化， 其強度與溫度有關其強度與溫度有關鐵磁體內(nèi)部分成很多微小的區(qū)域，稱為鐵磁體內(nèi)部分成很多微小的區(qū)域，稱為“磁疇磁疇”。在外磁場作用下磁疇的取向發(fā)生變化。在外磁場作用下磁疇的取向發(fā)生變化。0E

20、為原子的能量，為原子的能量，CA為核為核a,b相互作用的勢能相互作用的勢能21 02a beEEk C Ar為電子之間、電子與核之間相互作用的能量項為電子之間、電子與核之間相互作用的能量項22 02a beEEk CAr 為兩個原子的電子交換位置產(chǎn)生的作用能，稱為交換能為兩個原子的電子交換位置產(chǎn)生的作用能，稱為交換能2) 自發(fā)磁化自發(fā)磁化（自旋平行）（自旋反平行）2dNdtA0為為鐵磁體鐵磁體 (Fe、Co、Ni)或順磁體或順磁體A0為反鐵磁體為反鐵磁體 (Cr、Mn)二、鐵磁材料的測量：二、鐵磁材料的測量：沖擊法沖擊法2N diRR d t 2200tN N B SQ id tdRR 感生電

21、動勢感生電動勢bQC感生電流感生電流2bCRBNS總電量總電量22bC RBN S因為因為代入得代入得閉路試樣示意圖閉路試樣示意圖d) 沖擊法測得的磁化曲線和磁滯回線沖擊法測得的磁化曲線和磁滯回線磁化曲線測量：磁化曲線測量：K3閉合，閉合，R1調(diào)節(jié)電流，調(diào)節(jié)電流， K1換向，換向，磁感應從磁感應從+B-B,或或-B +B22bACCRBNS所以磁滯回線測量：調(diào)節(jié)磁滯回線測量：調(diào)節(jié)R1達到磁化飽和，達到磁化飽和，斷開斷開K3，讀出檢流計偏轉，讀出檢流計偏轉 C0i根據(jù)磁滯回線可得到剩余磁感應強度根據(jù)磁滯回線可得到剩余磁感應強度Br和矯頑力和矯頑力Hc二、固體熱容理論1) 杜隆-珀替定律固體中原子

22、有三個自由度，每個自由度平均能量為3Bk T單個原子能量為恒容熱容其中KB為波爾茲曼常數(shù)1 13 32 4 .9vA Bd UC N kRJ m o lKd T 硅、鍺的摩爾熱容22s i n()s i n()sR垂 直 偏 振 光理論過于簡單，不能解釋低溫下熱容減小的現(xiàn)象。三、熱容的測量1) 量熱計法2211pI RtCTT m電加熱法2) 撒克司法/psq IVCmd Tda) 原理及設備測量樣品與參比物的溫差與溫度的關系四、熱分析方法及其應用1) 普通熱分析：測量溫度隨時間的變化2) 差熱分析(DTA)srC C、 分別為樣品、參比物的熱容dTwdt其中為升溫速度sraCCdTwTKdt

23、b) 差熱分析曲線熱電偶：DTA的關鍵元件測量池：包括試樣池和參比池溫控系統(tǒng)：在較大范圍內(nèi)實行線性升溫放大裝置：將熱電偶產(chǎn)生的電流放大記錄儀：氣體保護系統(tǒng)：氮氣或氬氣體系c) 差熱分析儀3) 示差掃描量熱法(DSC)a) 原理具有兩個獨立的加熱裝置，采用熱量補償?shù)姆绞奖３謨蓚€量熱器的平衡b) 注意要點取樣：質(zhì)量和幾何形狀純度：雜質(zhì)會使峰值發(fā)生變化4）熱分析方法的應用a) 測定聚合物的玻璃化轉變溫度聚苯乙烯的DTA曲線b) 共聚物結構的判斷三、熱膨脹與其他性質(zhì)的關系1) 熱膨脹與熱容00mTmVVTCV 晶 體 熱 膨 脹 極 限 方 程 ：Al2O3的比熱容、熱膨脹系數(shù)與溫度的關系熱膨脹是固體

24、材料受熱以后晶格振動加劇而引起的容積膨脹，升高單位溫度時能量的增量也就是熱容的定義。所以熱膨脹系數(shù)與熱容有著相似的規(guī)律。2) 熱膨脹與熔點當晶體結構類型相同時，結合能大的材料的熔點也高，也就是說熔點高的材料膨脹系數(shù)較小。對于單質(zhì)晶體，熔點與原子半徑之間有一定的關系，單質(zhì)晶體的原子半徑越小，結合能越大，熔點越高，熱膨脹系數(shù)越小。一、折射定律和反射定律2 1n 稱 為 相 對 折 射 率11第二節(jié) 光的折射和反射1212sinsinn1) 反射角12 22s ins innn， 稱 為 絕 對 折 射 率2) 折射角如第一介質(zhì)為真空，則2211nnnBk T折射和反射二、反射率和透射率1) 光的偏

25、振：垂直于入射面的分量S 平行于入射面的分量P2) 反射率：反射光通量 與入射光通量之比22()()ptgRtg平行偏振光0反射率隨入射角的變化當光線垂直入射時，22121spnnRRRnn21Bntgn布 儒 斯 特 角光線以布儒斯特角入射時反射光是完全偏振光4) 透射率：T+R=1（忽略吸收）3) 布儒斯特角三、反射及折射現(xiàn)象的應用1) 透鏡（凹透鏡、凸透鏡）2) 面鏡（平面、球面）3) 分束器件121pQCTTm21sincnn臨界角4、 光纖光纖材料：石英系玻璃、 多成分玻璃、 復合材料1) 全反射第三節(jié) 光的吸收和色散一、光的吸收A l 吸光度0lI Ie為吸收系數(shù)C， 為 摩 爾

26、消 光 系 數(shù)光強光的吸收此時A+T+R=11) 朗伯-比爾定律二、光的色散24B Cn A 32dnBd色散率1) 正常色散c) 科希色散公式：a) 同一材料波長越短折射率越大b) 折射率隨波長的變化率稱為色散率，波長越短色散率越大2) 反常色散石英在紅外區(qū)的反常色散3) 全色散曲線 面對光的傳播方向簡單表示法EEELR左 旋右 旋RRRRRRLLLLLL平 面 偏 振 光 與 圓 偏 振 光1) 自然光（非偏振光）在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統(tǒng)稱偏振光。

27、 一、光的偏振狀態(tài)第四節(jié) 旋光性和圓二色性在光的傳播過程中，只包含一種振動，其振動方向始終保持在同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)。 光振動平行板面EEEEE光振動垂直板面3) 部分偏振光光波包含一切可能方向的橫振動，但不同方向上的振幅不等，在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值。自然光和部分偏振光實際上是由許多振動方向不同的線偏振光組成。EEEEEE平行板面的光振動較強EEE垂直板面的光振動較強2) 線偏振光在光的傳播過程中，空間每個點的電矢量均以光線為軸作旋轉運動，且電矢量端點描出一個橢圓軌跡，這種光稱為橢圓偏振光。迎著光線方向看，凡電矢量順時針旋轉的稱右旋橢圓偏振光，凡

28、逆時針旋轉的稱左旋橢圓偏振光。橢圓偏振光中的旋轉電矢量是由兩個頻率相同、振動方向互相垂直、有固定相位差的電矢量振動合成的結果。 2n橢圓偏振光4) 橢圓偏振光旋轉電矢量端點描出圓軌跡的光稱圓偏振光，是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時間段中平均后，園偏振光看上去是與自然光一樣的。但是園偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規(guī)律的。 5) 圓偏振光 平面偏振光(線偏振光)看成是以相同的傳播速度前進的左、右兩個圓偏振光的矢量和，如下圖所示。1n自然光反射和折射后，反射光和折射光都變成部分偏振光。(i0布儒斯特角或起偏角)tg i0=n2/n1時，反射光為線偏振光

29、EEEEii0LLsEEEEEiEEEEEEE1Rs1) 反射和折射產(chǎn)生偏振光二、偏振光的產(chǎn)生2) 雙折射產(chǎn)生偏振光尋常光和異常光兩折射光線中，一條遵從折射定律，稱為尋常光（o光），其振動方向垂直于主截面（光軸與傳播方向構成的平面）；另一條一般不在入射面內(nèi)，不遵從折射定律，其傳播速度隨入射光方向的不同而變化，稱為異常光（e光），其振動方向平行于主截面。 雙折射：光線入射到各向異性介質(zhì)后，出現(xiàn)兩條折射光線的現(xiàn)象。 方解石方解石2Roeo 光光e 光光0LL1n2nlRLLR非 旋 光 介 質(zhì)旋 光 介 質(zhì)3) 吸收法產(chǎn)生偏振光某些物質(zhì)對入射光所分解成的左旋、右旋圓偏振光的吸收率AL和AR不完全相

30、同出射光為兩束頻率相同、振幅不等、有一定位相差的左旋、右旋圓偏振光，合成為橢圓偏振光通過厚度為d的旋光物質(zhì)后,射出的兩束圓偏振光的位相差為 =2(nL-nR)d/由于不等同的吸收，它們的振幅不再相等 EEL1）旋光現(xiàn)象：當線偏振光沿某些晶體(如石英)的光軸方向傳播,或通過某些溶液(如蔗糖、酒石酸溶液)時，其振動面以光的傳播方向為軸發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。 稱為該晶體的旋光率,單位是度/毫米 偏振光振動面旋轉的角度與旋光物質(zhì)的厚度d成正比 d溶液中 cd為比旋光度偏振片偏振片1偏振片偏振片2EE石英晶片石英晶片三、旋光性迎著光的傳播方向看,使振動面沿順時針方向旋轉的物質(zhì)稱為右旋物質(zhì),逆時針方向旋轉的稱為

31、左旋物質(zhì). 左旋右旋當線偏振光通過有不對稱結構的晶體或手性化合物的溶液（總稱旋光性物質(zhì)）時，組成平面偏振光的左旋圓偏光和右旋圓偏光在介質(zhì)中的傳播速度不同(即折射率不同nL nR)，使平面偏振光的偏振面旋轉了一定的角度，因而造成旋光現(xiàn)象。 LELE RE E EL和ER的合成矢量E即為出射線偏振光的光矢量。光矢量反時針旋轉角度 = (nL-nR)d/四、圓二色性旋光性物質(zhì)對組成線偏振光的左、右旋圓偏振光的摩爾吸光系數(shù)是不同的，即LR，這種現(xiàn)象稱之為圓二色性。 兩種摩爾吸光系數(shù)之差=L-R，是隨入射偏振光的波長變化而變化的。以或有關量為縱坐標，波長(通常用紫外可見光區(qū))為橫坐標，得到的圖譜就叫園二

32、色譜(Circular Dichroism，簡稱 CD)。 絕對值很小，因而常用摩爾橢圓度來代替，它與摩爾吸光系數(shù)的關系為： = 3300 = 3300（L-R）S S T T ， 當線偏振光通過在紫外區(qū)有吸收峰的旋光性介質(zhì)時，它所包含的左旋和右旋圓偏振光分量不僅傳播速度不同(因折射率不同)，而且強度也不同(圓二色性)。 左圖中用代表矢量的箭頭長短來表示左旋和右旋圓偏振光分量強度。在迎著它的傳播方向觀察時，它們的矢量和將描出一個橢圓軌跡。這橢圓的長軸為左右圓偏光矢量之和，短軸為左右圓偏光矢量差，兩短軸與長軸比例的正切tg，就同時反映了雙折射性和圓二向性。 這是平面偏振光離開試樣槽，即最后出來時

33、的橢圓度，它與摩爾橢圓度的關系是： = M / 100LC =3300因為=3300，可為正值亦可為負值，圓二色譜線(CD)也有正性譜線（向上）和負性譜線（向下）。 旋光譜(ORD)，圓二色譜(CD)是同一現(xiàn)象的二個方面，它們都是光與介質(zhì)相作用時產(chǎn)生的。在紫外可見區(qū)域，用不同波長的左、右旋圓偏振光測量CD和ORD的主要目的是研究有機化合物的構型或構象。在這方面，ORD和CD所提供的信息是等價的，實際上它們互相之間有固定的關系。 如果待測樣品在200800nm波長范圍內(nèi)無特征吸收，ORD呈單調(diào)平滑曲線，此時CD近于水平直線(變化甚微)，不呈特征吸收，對解釋化合物的立體構型沒有什么用處。若在上述范

34、圍內(nèi)有特征吸收，則ORD和CD都呈特征的康頓效應。 五、 ORD、CD、UV的關系六、 ORD、CD的應用1、協(xié)助確定手性化合物的絕對構型、優(yōu)勢構象2、研究蛋白質(zhì)的二級結構、構象變化第五節(jié) 光的發(fā)射一、發(fā)光原理：1) 激發(fā)態(tài)的形成a) 激發(fā)途徑：光照（光致發(fā)光） 電子轟擊（陰極射線管） 強電場（電致發(fā)光）物質(zhì)吸收某種形式的能量，然后將其以光能的形式釋放。物質(zhì)吸收一定能量以后達到的狀態(tài)為激發(fā)態(tài)。只有電子激發(fā)態(tài)能產(chǎn)生發(fā)光效應。單重態(tài)：一個所有電子自旋都配對的分子的電子狀態(tài)。大多數(shù)有機物分子的基態(tài)是單重態(tài)。當基態(tài)一對電子中的一個被激發(fā)到較高能級，其自旋方向不會立刻改變，分子仍處于單重態(tài)。三重態(tài)：有兩

35、個電子的自旋不配對而平行的狀態(tài)。激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低。S Tb) 激發(fā)態(tài)c) 躍遷規(guī)則及類型*nn，等允許，禁阻躍遷規(guī)則：躍遷類型：*n* * *nn乙烯分子的躍遷丙酮分子的躍遷01SS110kSMSM 2) 激發(fā)態(tài)的失活無輻射躍遷：振動弛豫(VR)：激發(fā)態(tài)分子由同一電子能級中的較高振動能級轉至較低振動能級的過程，其效率較高。內(nèi)轉換(IC)：相同多重態(tài)的兩個電子能級間，電子由高能級回到低能級的分子內(nèi)過程。系間竄越(ISC)： 激發(fā)態(tài)分子的電子自旋發(fā)生倒轉而使分子的多重態(tài)發(fā)生變化的過程。磷光(P)：從第一激發(fā)三重態(tài)的最低振動能級回到基態(tài)所發(fā)出的輻射。由于磷光的產(chǎn)生伴隨自旋多重態(tài)的改變，輻射速度遠小于熒光，磷光壽命為10-4 10s。輻射躍遷：熒光(F)：激發(fā)態(tài)的分子從第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級回到基態(tài)所發(fā)出的輻射，壽命為10-810-11s。由于是相同多重態(tài)之間的躍遷，幾率較大，速度大，速率常數(shù)kf為106109s-1。310kSS 激發(fā)熒光淬滅410kTMSM 內(nèi)轉換IC211kST 磷光淬滅10ASShv 10ATS hv 系間竄躍ISC熒光發(fā)射F510kTS 磷光發(fā)射P