材料研究方法課后習題答案

材料研究方法課后習題答案

第一章緒論

1.材料時如何分類的？材料的結(jié)構(gòu)層次有哪些？

答：材料按化學組成和結(jié)構(gòu)分：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合

材料

材料的結(jié)構(gòu)層次有：微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)。

2.材料研究的主要任務(wù)和對象是什么？有哪些相應(yīng)的研究方法？

答：任務(wù)：研究、制造和合理使用各類材料

研究對象：材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能。

研究方法：圖像分析法、非圖形分析法：衍射法、成分譜分析。

成分譜分析法：光譜、色譜、熱譜等；

光譜包括：紫外、紅外、拉曼、熒光；

色譜包括：氣相、液相、凝膠色譜等；

熱譜包括：DSC、DTA等。

3.材料研究方法是如何分類的？如何理解現(xiàn)代研究方法的重要性？

答：按研究儀器測試的信息形式分為圖像分析法和非圖形分析法；

按工作原理，前者為顯微術(shù)，后者為衍射法和成分譜分析。

重要性：

1）理論：新材料的結(jié)構(gòu)鑒定分析；

2）實際應(yīng)用需要：配方剖析、質(zhì)量控制、事故分析等。

第二章光學顯微分析

1.區(qū)分晶體的顏色、多色性及吸收性，為何非均質(zhì)體礦物晶體具有多色性？

答：顏色：晶體對白光中七色光波選擇吸收的結(jié)果。

多色性：由于光波和晶體中的振動方向不同，使晶體顏色發(fā)生改變的現(xiàn)象。

吸收性：顏色深淺發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為吸收性。

光波射入非均質(zhì)礦物晶體時，振動方向是不同的，折射率也是不同的，因此

體現(xiàn)了多色性。

2.什么是貝克線？其移動規(guī)律如何？有什么作用？

答：在兩個折射率不同的物質(zhì)接觸處，可以看到比較黑暗的邊緣，稱為晶體的輪

廓。在輪廓附近可以看到一條比較明亮的細線，當升降鏡筒時，亮線發(fā)生移動，

這條較亮的細線稱為貝克線。

移動規(guī)律：提升鏡筒，貝克線向折射率答的介質(zhì)移動。

作用：根據(jù)貝克線的移動規(guī)律，比較相鄰兩晶體折射率的相對大小。

3.什么是晶體的糙面、突起、閃突起？決定晶體糙面和突起等級的因素是什么？

答：糙面：在單偏光鏡下觀察晶體表面時，可發(fā)現(xiàn)某些晶體表面較為光滑，某些

晶體表面顯得粗糙呈麻點狀，好像粗糙皮革一樣這種現(xiàn)象稱為糙面。

突起：在晶體形貌觀察時會感覺到不同晶體表面好像高低不平，某些晶體顯

得高一些，某些晶體顯得低一些，這種現(xiàn)象稱為突起。

閃突起：雙折射率答的晶體，在單偏光鏡下，旋轉(zhuǎn)物臺，突起高低發(fā)生明顯

的變化，這種現(xiàn)象稱為閃突起。

決定晶體糙面和突起等級的因素：根據(jù)光片中突起的高低、輪廓、糙面的明

顯程度劃分等級。

4.什么叫干涉色？影響晶體干涉色的因素有哪些？光的干涉條件是什么？

答：白光由七種不同波長的單色光組成，由于不同單色光發(fā)生的消光位和最強位

因各自波長而處于不同位置，因此七種單色光的明暗干涉條紋互相疊加而構(gòu)成了

與光程差相對應(yīng)的特殊混合色，稱為干涉色。

影響干涉色的因素：光程差的大小影響干涉色的顏色；a角影響干涉色的

亮度。

光的干涉條件：兩束光振動頻率相同，均同一平面內(nèi)振動，且存在光程差。

10.如何利用錐光鏡鑒定晶體的光性和軸性？（了解）

答：光性的鑒定：鑒定一軸晶晶體的光性可利用相應(yīng)補色器，通過確定黑十字所

劃分的四個象限或黑直臂兩側(cè)所對應(yīng)的象限中光率體的分布形式來確定；在二軸

晶晶體切片中，由黑十字或黑直臂位轉(zhuǎn)動物臺45°時，黑彎臂的頂點即光軸出

露點，此時與光軸面垂直方向即為Nm,此時可以利用補色器，通過鑒定兩光軸

出露點連線平行于Ng或Np來確定是哪根光率體主軸，即可確定二軸晶光率體光

性。

軸性的鑒定：在錐光鏡下，-軸晶和二軸晶晶體的干涉圖像明顯不同，對于

一軸晶來說，轉(zhuǎn)動物臺，呈現(xiàn)的是黑十字或黑直臂交替出現(xiàn)，不出現(xiàn)彎曲的黑臂;

對于二軸晶來說，則呈現(xiàn)黑十字與彎臂交替出現(xiàn)的干涉圖像。

11.如何提高光學顯微分析的分辨能力？

答：1）選用更短的波長；2）采用折射率很高的材料；3）增大顯微鏡的孔徑角。

12.闡述光學顯微分析用光片制備方法。

答：1）取樣：取樣部位應(yīng)有代表性，應(yīng)包含所要研究的對象并滿足研究的特定

要求；

2）鑲嵌：對形狀特殊或尺寸細小而不易握持的樣品，需進行樣品鑲嵌；

3）磨光：去除取樣時引入的樣品表層損傷，獲得平整光滑的樣品表面；

4）拋光：去除細磨痕以獲得平整無疵的鏡面，去除變形層；

5）浸蝕：清晰顯示出材料的內(nèi)部組織。

13.分析近場光學顯微分析的原理及與傳統(tǒng)光學顯微分析的異同。

答：原理：在近場探測中，必須將探測器位于距物體一個波長以內(nèi)的位置上，在

場傳播以前將其俘獲，因此近場探測器位于距離物體表面納米尺寸的位置上，既

能移動又不碰到樣品，所以只能使用點狀探測器逐點成像的方法。這種點狀探測

器首先將納米尺寸的局部光信號收集，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?或者再發(fā)射到自由空間，

或者以波導的方式將其傳播到探測系統(tǒng)，將逐點采集的信息掃描成為二維圖像。

異同：

1）照明光源的尺度和照明方法：傳統(tǒng)光學顯微鏡用擴展光源在遠場照明樣

品；近場官學顯微鏡用納米局域光源在納米尺度的近場距離內(nèi)照明樣品；

2）成像方法：傳統(tǒng)光學顯微鏡用肉眼或成像儀器直接觀察或接受放大的圖

像，近場光學顯微鏡用掃描技術(shù)使局域光源逐點網(wǎng)格狀照明樣品，然后由光電接

收器接受光信號，借助計算機將圖像勾畫出來。

3）近場光學顯微鏡用探針來照明樣品和探測信號。

14.為何近場光學顯微鏡可突破光學顯微鏡分辨率極限？

答：一般近場光學顯微鏡分辨率：30-50nm；

新型近場光學顯微鏡分辨率0.8nm,不但突破了入/2的衍射極限，也使目前

近場光學顯微鏡的分辨本領(lǐng)提高了近兩個數(shù)量級。

第3章X射線衍射分析

1.試述X射線的定義、性質(zhì)、連續(xù)X射線和特征X射線的產(chǎn)生、特點。

答：X射線——由高速電子撞擊物質(zhì)的原子所產(chǎn)生的電磁波。

性質(zhì)：1)X射線是一種電磁波，具有波粒二象性；

2)X射線波長：IO”一］02Ao

3)X射線的波長、振動頻率和傳播速度符合入=c/v.

4)X射線可以看成具有一定能量E、動量P、質(zhì)量m的X光流子

5)X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙和許多對于可見光不透明

的物質(zhì)。

6)X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光，在通過一些物質(zhì)時,

使物質(zhì)原子中的外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光。

7)X射線能夠殺死生物細胞和組織，

連續(xù)X射線：強度隨波長連續(xù)變化，構(gòu)成連續(xù)譜。X譜強度隨X射線管的

管電壓增加而增大，最大強度所對應(yīng)的波長變小，最短波長界限減小。

特征X射線：波長一定、強度很大的特征譜只有當管電壓超過一定激發(fā)電

壓時才產(chǎn)生，只取決于光管的陽極靶材料，不同靶材具有其特有的特征譜線。

2.X射線與物質(zhì)的相互作用是什么？

答：X射線與物質(zhì)相互作用過程會產(chǎn)生物理、化學和生化過程，引起各種效應(yīng)。

X射線可使一些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光；破壞

物質(zhì)的化學鍵，使新鍵形成，促進物質(zhì)的合成；引起生物效應(yīng)，導致新陳代謝發(fā)

生變化；X射線與物質(zhì)之間的物理作用可分為X射線散射和吸收。

3.試述X射線衍射原理，布拉格方程和勞厄方程的物理意義。

答：X射線衍射原理：X射線作為一電磁波投射到晶體中時，會受到晶體中原子

的散射，而散射波就好像是從原子中心發(fā)出，每一個原子中心發(fā)出的散射波乂好

比一個源球面波。由于原子在晶體中是周期排列，這些散射球面波之間存在著固

定的位相關(guān)系，它們之間會在空間產(chǎn)生干涉，結(jié)構(gòu)導致在某些散射方向的球面波

相互加強，而在某些方向上相互抵消，從而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，即在偏離原入射線方

向上、只有特定的方向上出現(xiàn)散射線加強而存在衍射斑點，其余方向則無衍射斑

點。

布拉格方程物理意義：2dsin9=A

1）表達了晶面間距d、衍射方向0和X射線波長入之間的定量關(guān)系，是晶體

結(jié)構(gòu)分析的基本公式；

2）已知X射線的波長X和掠射角0,可計算晶面間距d；

3）已知晶體結(jié)構(gòu)，可測定X射線的波長人。

勞厄方程的物理意義：從理論上解決了入射線波長、方向、點陣常數(shù)和單一

原子列衍射線方向的相互關(guān)系；確定了衍射方向的基本方程。

4.試述X射線衍射實驗方法，粉末衍射儀的工作方式、工作原理。

答：實驗方法：粉末法、勞厄法和轉(zhuǎn)晶法。

粉末衍射儀的工總方式：連續(xù)式掃描、步進式掃描

工作原理：X射線粉末衍射儀用具有一定發(fā)散度的特征X光束照射多晶平

板樣品，多晶平板樣品中一部分被照射的小晶粒的同名衍射晶面及其等同晶面所

產(chǎn)生的衍射線將在適當?shù)姆轿痪劢苟纬裳苌鋸姺澹痪劢沟哪且徊糠盅苌渚€所

對應(yīng)的同名晶面或等同晶面與光源和接收狹縫處在同--聚焦圓周上。在測角儀掃

描過程中，由光源狹縫、樣品臺軸心、和接收狹縫確定的聚焦園半徑不斷改變。

但在樣品一定深度范圍內(nèi)總是存在與聚焦圓吻合的弧面，由于“同一圓周上的同

弧圓周角相等”，組成多晶樣品的各小晶粒中，凡處于與聚焦圓吻合的弧面上的,

滿足衍射矢量方程的同名衍射晶面及其等同晶面所產(chǎn)生的衍射線都將在狹縫處

聚焦，并因此形成衍射線強峰。

5.試述X射線粉末衍射法物相定性分析過程及注意的問題。

答：物相定性分析過程：

1）用粉末照相法或粉末衍射儀法獲取被測試樣物相的衍射圖樣；

2）通過對所獲衍射圖樣的分析和計算，獲得各衍射線條的20、d及相對強

度大??；

3）使用檢索手冊，查尋物相PDF卡片號;

4）若是多物相分析，則在3）步完成后，對剩余的衍射線重新根據(jù)相對強

度排序，重復3）步驟，直至全部衍射線能基本得到解釋。

注意問題：

1）對試樣分析前，盡可能詳細了解樣品來源、化學成分、工藝狀況，觀察

外形、顏色等性質(zhì)，為物相分析的檢索工作提供線索；

2）盡可能根據(jù)試樣的各種性能，在許可的條件下將其分離成單??物相后進

行衍射分析；

3）盡可能避免衍射線重疊，提高粉末照相或衍射儀的分辨率；

4）d值處理精度要求高，檢索時只允許小數(shù)點后第二位才能出現(xiàn)偏差；

5）特別要重視低角度區(qū)域的衍射實驗數(shù)據(jù)；

6）多物相混合實驗時，應(yīng)耐心檢索，力求全部數(shù)據(jù)都能合理解釋；

7）物相定性分析過程中，盡可能與其他的相分析實驗手段結(jié)合起來，互相

配合，互相印證。

6.試述X射線粉末衍射儀法物相定量分析方法及其過程。

答：物相定量分析方法：外標法、內(nèi)標法、基體沖洗法（K值法）

過程：1）物相鑒定；

2）選擇標樣物相；

3）進行定標曲線的測定；

4）測定試樣中標準物相S的強度或測定按要求制備試樣中的待測物相及

標樣S物相制定衍射線強度；

5）用所測定的數(shù)據(jù)，按各自的方法計算出待測物相的質(zhì)量分數(shù)。

7.比較X射線粉末多晶衍射儀法測定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與單晶衍射法測定物質(zhì)晶體

結(jié)構(gòu)。

答：多晶法樣品制備、衍射實驗和數(shù)據(jù)處理簡單，但只能完成對晶體晶系的確定、

衍射花樣指數(shù)標定，點陣參數(shù)測定等結(jié)構(gòu)測定中的部分工作，所以，多晶衍射只

能進行簡單晶體結(jié)構(gòu)測定或復雜結(jié)構(gòu)晶體測定的部分工作。

單晶衍射法樣品制備、衍射實驗和數(shù)據(jù)處理復雜，但可測定復雜結(jié)構(gòu)。

8.簡述X射線實驗方法在現(xiàn)代材料研究中有哪些主要應(yīng)用。

答：1)X射線物相定性分析：用于確定物質(zhì)中的物相組成；

2)X射線物相定理分析：用于測定某物相在物質(zhì)中的含量；

3)X射線晶體結(jié)構(gòu)分析：用于推斷測定晶體的結(jié)構(gòu)。

10.X射線衍射實驗主要有哪些方法？它們各有哪些應(yīng)用？

答：X射線衍射方法：粉末法、勞厄法、轉(zhuǎn)晶法三種。

粉末法在晶體學研究中應(yīng)用最廣泛，試驗方法及試樣制備簡單，所以在科學

研究和實際生產(chǎn)中的應(yīng)用不可缺少；而勞厄法和轉(zhuǎn)晶法主要用于單晶體的研究，

特別是在晶體結(jié)構(gòu)的分析中必不可少。

第4章電子顯微分析

1.如何提高顯微鏡分辨本領(lǐng)？電子透鏡的分辨本領(lǐng)受哪些條件的限制？

答：所謂分辨本領(lǐng)，是指顯微鏡能分辨的樣品上兩點間的最小距離。通常，我們

以物鏡的分辨本領(lǐng)定義顯微鏡的分辨本領(lǐng)。確定光學透鏡分辨本領(lǐng)do的公式為

do=O.61X/nsina,透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明束波長入。要顯著提高顯微鏡

的分辨本領(lǐng)，必須探索一?種波長比可見光短得多的照明源——電子束。

電子透鏡的分辨本領(lǐng)隨加速電壓的提高而提高。透鏡的實際分辨本領(lǐng)除了與

衍射效應(yīng)有關(guān)外，還與透鏡的像差有關(guān)。對于光學透鏡，已經(jīng)可以采用凸透鏡和

凹透鏡的組合等方法來矯正像差，使之對分辨本領(lǐng)的影響遠遠小于衍射效應(yīng)的影

響，但是電子透鏡只有會聚鏡，沒有發(fā)散透鏡，所有至今還沒有找到能矯正球差

的方法。這樣，像差對電子透鏡分辨本領(lǐng)的限制就不容忽略了。像差分球差、像

散、畸變等，其中，球差是限制電子透鏡分辨本領(lǐng)的最主要因素。

2.透射電子顯微鏡的成像原理是什么？為什么必須小孔徑成像？

答：成像原理：透射電鏡通常采用熱陰極電子槍來獲得電子束作為照明源。熱陰

極發(fā)射的電子，在陽極加速電壓的作用下，高速的穿過陽極孔，然后被聚光鏡聚

成具有一定直徑的束斑照射到樣品上。這種具有一定能量的電子束與樣品發(fā)生作

用，產(chǎn)生反應(yīng)樣品微區(qū)的厚度、平均原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)或位相差別的多種信息。

透過樣品的電子束強度，其取決于這些信息，經(jīng)過物鏡聚焦放大在平面上形成一

幅反應(yīng)這些信息的透射電子像，經(jīng)過中間鏡和投影鏡進一步放大，在熒光屏上得

到三級放大的最終電子圖像，還可將其記錄在電子感光板或膠卷上。

為了確保透射電鏡的分辨本領(lǐng)，物鏡的孔徑半角必須很小，即采用小孔徑成

像。一般是在物鏡的背焦平面上放一稱為物鏡光闌的小孔徑的光闌來達到這個目

的。由于物鏡放大倍數(shù)大，其物平面接近焦點，若物鏡光闌的直徑為D,則物鏡

孔徑半角a=D/2f,小孔徑成像意味著只允許樣品散射角小于。的散射電子通過

物鏡光闌成像，所有大于a的都被物鏡光闌檔掉，不參與成像。

3.掃描電子顯微鏡的工作原理是什么？

答：工作原理：由三極電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓作用下，經(jīng)過2-3

個電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信

號。這些物理信號的強度隨樣品表面特征而變，它們分別被相應(yīng)的接收器接受，

經(jīng)放大器按順序成比例的放大后，送到顯像管的柵極上，用來同步調(diào)制顯像管的

電子束強度，即顯像管熒光屏上的亮度。供給陰極射線顯像管的掃描線圈的電源,

此電源發(fā)出的鋸齒波信號同時控制兩束電子束作同步掃描。因此，樣品上電子束

的位置與顯像管熒光屏上電子束的位置是一一對應(yīng)的。這樣，在熒光屏上就形成

一幅與樣品表面特征相對應(yīng)的畫面。

4.相對光學顯微鏡，透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）各有哪些優(yōu)點？

答：TEM優(yōu)點：1）分辨率高，常規(guī)電鏡的分辨率極限是2-3埃，可實現(xiàn)的最高線

分辨率為1埃左右；2）放大倍率大，有效放大倍數(shù)在106,而光學顯微鏡只達到

幾千：3）景深較大，焦長較長，不僅可以獲得樣品形貌，顆粒大小及分布等信

息，還可以獲得特定區(qū)域的元素及物相結(jié)構(gòu)信息。

SEM優(yōu)點：1）分辨本領(lǐng)比較高；2）放大倍數(shù)為20-20000倍，并且連續(xù)可

調(diào)，介于光學顯微鏡和投射電鏡之間，在某種程度上彌補了光學顯微鏡和透射電

鏡的不足；3）景深大，視野大，成像富立體感；4）樣品制備簡單；5）可直接

觀察大塊試樣。

5.電子探針X射線顯微分析儀有哪些工作模式，能譜儀和譜儀的特點是什么？

答：工作模式：點線面三種。

能譜儀的特點：

1）所用的Si探測器尺寸小，可裝在靠近樣品的區(qū)域；

2）分析速度快，可在2-3分鐘內(nèi)完成元素定性全分析；

3）能譜儀不受聚焦圓的限制；

4）工作束流小，對樣品污染?。?/p>

5）能進行低倍X射線掃描成像，得到大視域的元素分布圖；

6）分辨本領(lǐng)比較低；

7）峰背比?。?/p>

8）Si探測器必須在液氮溫度下使用，維護費用高。

6.為什么透射電鏡的樣品要求非常薄，而掃描電鏡無此要求？

答：透射電鏡中，電子束穿透樣品成像，而電子束的投射本領(lǐng)不大，這就要求將

試樣制成很薄的薄膜樣品；掃描電鏡是通過電子束轟擊樣品表面激發(fā)產(chǎn)生的物理

信號成像的，電子束不用穿過樣品。

7.電鏡有哪些性質(zhì)？環(huán)境掃描電鏡中“環(huán)境”指什么？

答：1）用電子束作照明源，顯微鏡的分辨本領(lǐng)要高得多，分辨本領(lǐng)：2-3nm,

可以直接分辨原子，并且還能進行納米尺寸的晶體結(jié)構(gòu)及化學組成的分析。

2）但電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為10-2-10-3rado

3）兒何像差：由透鏡磁場兒何形狀上的缺陷而造成的。

4）色差：由電子波的波長發(fā)生一定幅度的改變而造成的。

環(huán)境掃描電鏡中的“環(huán)境”并非真正意義上的大氣環(huán)境，與傳統(tǒng)SEM樣品

室高達10-3-W6Torr的真空度相比，ESEM樣品室的真空度很低，從lTorr-20Torr,

非常接近大氣環(huán)境，但不等同于760Torr的大氣環(huán)境。

8.高分辨電鏡是否指分辨率高的電鏡？

答：高分辨電鏡可用來觀察晶體的點陣像或單原子像等所謂的高分辨像。這種高

分辨像直接給出晶體結(jié)構(gòu)在電子束方向上的投影，因此乂稱結(jié)構(gòu)像。加速電壓為

100KV或高于100KV的透射電鏡，只要分辨本領(lǐng)足夠高，在適當?shù)臈l件下，就

可以得到結(jié)構(gòu)像或單原子像。不是所有分辨率高的電鏡都能進行結(jié)構(gòu)像的分析。

9.選用電子顯微分析儀時應(yīng)從哪幾方面考慮？

答：樣品、要求、費用、時效等方面考慮。

10.電子探針儀與X射線譜儀從工作原理和應(yīng)用上有哪些區(qū)別？

答：電子探針儀的工作原理：

由莫賽萊定律A=K/（Z-o）2可知X射線特征譜線的波長和產(chǎn)生此射線的

樣品材料的原子序數(shù)有一確定的關(guān)系。只要測出特征X射線的波長，就可確定

相應(yīng)元素的原子序數(shù)。又因為某種元素的特征X射線強度與該元素在樣品中的

濃度成比例，所有只要測出這種特征X射線的強度，就可計算出該元素的相對

含量。

X射線衍射儀的工作原理：布拉格方程2dsin8=A

波譜儀利用某些晶體對X射線的衍射作用來達到使不同波長分散的目的。若

有一束包括不同波長的X射線照射到一個晶體表面上，平行于該晶體表面的晶面

的間距為d,入射X射線與該晶面的夾角為0,則其中只有滿足布拉格方程的那

個波長的X射線發(fā)生衍射。若再與入射X射線方向成20的方向上設(shè)置X射線檢

測器，就可以檢測到這個特定波長的X射線及其強度。

11.與X射線衍射相比，（尤其透射電鏡中的）電子衍射的特點是什么？

答：1）透射電鏡常用雙聚光鏡照明系統(tǒng)，束斑直徑l-2um,經(jīng)過雙聚光鏡的照

明束相干性較好。

2）透射電鏡有三級以上透鏡組成的成像系統(tǒng)，借助它可以提高電子衍射相

機長度。

3）可以通過物鏡和中間鏡的密切配合，進行選區(qū)電子衍射，使成像區(qū)域和

電子衍射區(qū)域統(tǒng)一起來，達到樣品微區(qū)形貌分析和原位晶體學性質(zhì)測定的目的。

12.選區(qū)電子衍射和選區(qū)成像的工作原理是？這兩種工作方式有什么應(yīng)用意義？

答：“選區(qū)電子衍射“指在物鏡像平面上放置一個光闌限定產(chǎn)生衍射花樣的樣品

區(qū)域，從而分析該微區(qū)范圍內(nèi)樣品的晶體結(jié)構(gòu)特性。

當電鏡以成像方式工作時，中間鏡物平面與物鏡像平面重合，熒光屏上顯示

樣品的放大圖像。此時，在物鏡像平面內(nèi)插入一個孔徑可變的選區(qū)光闌，光闌孔

套住想要分析的那個微區(qū)。因為在物鏡適焦的情況下，物平面上同一物點所散射

的電子將會聚于像平面上一點，所有對應(yīng)于像平面上光闌孔的選擇范圍AB；

只有樣品上AB微區(qū)以內(nèi)物點的散射波可以穿過光闌孔進入中間鏡和投射鏡參與

成像，選區(qū)以外的物點C產(chǎn)生的衍射波則全被檔掉。

當調(diào)節(jié)中間鏡的激磁電流，使電鏡轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌浞绞讲僮鲿r，中間鏡物平面與

物鏡背焦面相重合。盡管物鏡背焦平面上第一幅花樣是由受到入射束幅照的全部

樣品區(qū)域內(nèi)晶體的衍射所產(chǎn)生，但只有AB微區(qū)以內(nèi)物點散射的電子波可以通過

選區(qū)光闌進入下面的投射系統(tǒng)，所有熒屏上顯示的只限于選區(qū)范圍內(nèi)晶體所產(chǎn)生

的衍射花樣，實現(xiàn)了選區(qū)形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析的微區(qū)對應(yīng)性。

這兩種方法可以研究我們感興趣的微區(qū)的晶體產(chǎn)生的衍射花樣，從而實現(xiàn)選

區(qū)觀察與衍射的對應(yīng)。

第5章熱分析

1.簡述差熱分析的原理，并畫出DTA裝置示意圖。

答：原理：把被測試樣和一種參比物置放在同樣的熱條件下，進行加熱或冷卻。

在這個過程中，試樣在某一特定溫度下會發(fā)生物理化學反應(yīng)引起熱效應(yīng)變化:即

試樣測的溫度在某一區(qū)間會變化，不跟隨程序溫度升高，而是有時高于或低于程

度溫度，而參比物?側(cè)在整個加熱過程中始終不發(fā)生熱效應(yīng)，它的溫度一直跟隨

程序溫度升高。兩者之間就出現(xiàn)一個溫度差，然后利用某種方式將溫差記錄下來,

就得到差熱曲線，再針對這曲線進行分析研究。

2.為何用外延始點作為DTA曲線的反應(yīng)起始溫度？

答：外延始點：指峰的起始邊陡峭部分的切線與外延基線的交點。國際熱分析協(xié)

會ICTA對大量的試樣測定結(jié)構(gòu)表明，外延起始溫度與其它實驗測得的反應(yīng)起始

溫度最為接近，因此用外延始點作為DTA曲線的反應(yīng)起始溫度。

3.熱分析用的參比物有何性能要求？

答：參比物在一定溫度下不發(fā)生分解、相變、破壞的物質(zhì)，要求在熱分析過程中

熱性質(zhì)、質(zhì)量、密度等與試樣盡量相近。

4.影響差熱分析的儀器、試樣、操作因素是什么？

答：儀器因素：1）爐子的結(jié)構(gòu)和尺寸；2）用煙材料和形狀；

3）差熱電偶性能；4）測溫熱電偶與試樣之間的相對位置;

5）記錄儀或其它顯示系統(tǒng)精度。

試樣因素：1）熱容量和熱導率的變化；2）試樣的顆粒度、用量及裝填密度;

3）試樣的結(jié)晶度、純度；4）參比物

操作因素：1）加熱速度；

慢：峰形：寬平滯后小

快：峰形：尖長滯后大

2）爐內(nèi)壓力和氣氛；

①壓力：減?。悍纸鉁囟冉档偷蜏匾苿?/p>

增大：分解溫度升高高溫移動

②氣氛：不同氣氛反應(yīng)不同——溫度不同

3）記錄儀量程和走紙速度。

5.為何DTA僅能進行定性和半定量分析？DSC是如何實現(xiàn)定量分析的？

答：在差熱分析中當試樣發(fā)生熱效應(yīng)時，試樣本身的升溫速度是非線性的，而且

在發(fā)生熱效應(yīng)時，試樣與參比物與及試樣周圍的環(huán)境有較大的溫差，它們之間會

進行熱傳遞，降低了熱效應(yīng)測量的靈敏度和精確度，所有DTA僅能進行定性和半

定量分析。

而DSC克服了這些不足，通過對試樣因發(fā)生熱效應(yīng)而發(fā)生的能量變化進行及

時的應(yīng)有的補償，保持試樣與參比物之間溫度始終保持相同，無溫差、無熱傳遞,

使熱損失小，檢測信號大，可進行實現(xiàn)定量分析。

6.闡述DSC技術(shù)的原理和特點。

答：原理：DSC技術(shù)是在程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的能量差隨

溫度和時間變化的一種技術(shù)。差式掃描熱分析法就是為克服差熱分析在定量測定

上存在的這些不足而發(fā)展起來的一種新的熱分析技術(shù)。該法通過對試樣因發(fā)生熱

效應(yīng)而發(fā)生的能量變化進行及時的應(yīng)有的補償，保持試樣與參比物之間溫度始終

保持相同，無溫差、無熱傳遞，使熱損失小，檢測信號大，因此在靈敏度和精度

方面都大有提高。

特點：由于試樣用量少，試樣內(nèi)的溫度梯度較小且氣體的擴散阻力下降，對

于功率補償型DSC有熱阻影響小的特點。

7.簡述DTA、DSC分析樣品要求和結(jié)果分析方法。

答：DTA分析樣品要求：應(yīng)選擇熱容量和熱導率和試樣相近的作為參比物；試樣

的顆粒度要求：100目一300目；試樣的結(jié)晶度、純度和離子取代要求：結(jié)晶度

好，峰形尖銳，潔凈度不好，則峰面積要小，純度、離子取代同樣會影響DTA

曲線；試樣的用量：以少為原則；試樣的裝填要求：薄而均勻，試樣和參比物的

裝填一樣情況一致；參比物：整個測溫范圍無熱反應(yīng)，比熱與導熱性與試樣相近,

粒度與試樣相近，

DTA結(jié)果分析方法：解釋曲線上每個峰谷出現(xiàn)的原因，從而分析被測物質(zhì)是

由哪些物質(zhì)組成的。差熱分析的峰只表示試樣的熱效應(yīng)，本身不反應(yīng)更多的物理

化學本質(zhì)，因此，單靠差熱曲線很難做正確的解釋。

DSC分析樣品要求：試樣用量少，試樣粒度均勻。

DSC結(jié)果分析方法：

1）稱量法：用硫酸紙沿確定的峰面積界限描剪下來，用微量天平稱量后進

行換算，其讀數(shù)誤差范圍在2%之內(nèi)；

2）數(shù)格法：在已確定的峰面積界限內(nèi)，統(tǒng)計占據(jù)記錄紙小格數(shù)進行換算，

其讀數(shù)誤差在2%-4%;

3）用求積儀：讀數(shù)誤差為4%；

4）用計算機：誤差為0.5虬

8.簡述熱重分析的特點和影響因素.

答：特點：熱重分析是在程序控制溫度下測量獲得物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種

技術(shù)。其特點是定量性強，能準確的測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。

影響因素：1）浮力及對流的影響；2）揮發(fā)物冷凝的影響；3）溫度測定的

影響；4）升溫速率的影響；5）氣氛控制的影響；6）用期形狀的影響；7）試樣

用量、粒度、熱性質(zhì)和裝填方式的影響。

9.舉例說明熱分析技術(shù)在玻璃和微晶玻璃材料研究中的應(yīng)用。

答：熱分析技術(shù)在玻璃研究中的應(yīng)用：

1）研究玻璃形成的化學反應(yīng)和過程；

2）測定玻璃的玻璃轉(zhuǎn)變溫度與熔融行為；

3）研究高溫下玻璃組分的揮發(fā)；

4）研究玻璃的結(jié)晶過程和測定晶體生長活化能；

5）制作相圖；

6）研究玻璃工藝中遇到的技術(shù)問題。

7）微晶玻璃的研究

熱分析技術(shù)在微晶玻璃研究中的應(yīng)用：

微晶玻璃是通過控制晶化而得到的多晶材料，在強度、耐溫度急變性和耐腐

蝕性等方面較原始玻璃都有大幅度提高。微晶玻璃在晶化過程中會釋放出大量的

結(jié)晶潛熱，產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，因而DTA分析在微晶玻璃研究中具有重要作用。

10.簡述熱分析技術(shù)在材料研究中的應(yīng)用。

答：1）差熱分析（DTA）曲線或差示掃描量熱分析（DSC）曲線可以用來定性地

表征和鑒定物質(zhì)，可以定量地估計參與反應(yīng)的物質(zhì)的量或測定熱化學參數(shù)。尤其

是DSC分析不僅可定量地測定物質(zhì)的熔化熱、轉(zhuǎn)變熱和反應(yīng)熱，還可以用來計算

物質(zhì)的純度和雜質(zhì)量。

2）熱重分析在無機材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可以用于研究無機和有機化合物的

熱分解、不同溫度及氣氛中金屬的抗腐蝕性能、固體狀態(tài)的變化、礦物的冶煉和

焙燒、液體的蒸發(fā)或蒸儲、煤或石油及木材的熱解、揮發(fā)灰分的含量測定、蒸發(fā)

和升華速度的測定、吸水和脫水、聚合物的氧化降解、氣化熱測定、催化劑和添

加劑評定、化合物組分的定性和定量分析、老化和壽命評定、反應(yīng)動力學研究等

領(lǐng)域，其特點是定量性強。

3）熱膨脹分析在陶瓷材料方面應(yīng)用廣泛，它可以確定陶瓷材料合理的配方

和燒成。

4）熱機械分析在高分子材料方面應(yīng)用廣泛，它可以測定高聚物的Tg溫度、

研究高聚物的松弛運動、固化過程、分析增塑劑含量、表征高聚物合金組分的相

容性等。

第6章光譜分析

1.了解各種波長的電磁波對原子(基團)的作用及其相應(yīng)的光譜分析手段。

答：

電磁波對原子基團的作用光譜分析手段

紫外光波長較短，能量較高，引起分子中價電子紫外光譜

的躍遷

紅外光波長較長，能量較低，只能引起分子中成紅外光譜

鍵原子和轉(zhuǎn)動能級的躍遷

核磁共振波能量更低，產(chǎn)生原子核自旋能級的躍遷核磁共振譜

光子和分子非彈性振動產(chǎn)生的光散射效應(yīng)拉曼光譜

原子對特征波長光的吸收原子吸收光譜

可見光380-780nm,引起外層電子躍遷

2.何謂助色團和生色團？

答：助色團是指那些本身不會使化合物分子產(chǎn)生顏色或者再紫外及可見光區(qū)不產(chǎn)

生吸收的一些基團，但這些基團與發(fā)色基團相連時卻能使發(fā)色基團的吸收帶波長

移向長波，同時使吸收強度增強。

生色團是指能導致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)生吸收的基團，不論是否顯示

顏色都稱為發(fā)色基團或生色團。

3.簡述有機物在紫外光譜中吸收帶的類型。

答：1)R吸收帶鹵代烷烽可產(chǎn)生這類譜帶;

2)K吸收帶共枕烯燒，取代芳香化合物可產(chǎn)生這類譜帶;

3)B吸收帶芳香化合物及雜芳香化合物的特征譜帶；

4)E吸收帶芳香族化合物的特征譜帶之一。

4.產(chǎn)生紅外吸收的原因是什么？闡述分子振動的形式和紅外光譜振動吸收帶的

類型.

答：1)輻射具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時所需的能量，分子中某個基團的振動頻

率和紅外輻射的頻率一致就滿足了;

2）輻射與物質(zhì)之間有相互作用，分子的偶極距必須發(fā)生變化的振動。

分子振動的形式：

1）伸縮振動a）對稱伸縮振動；b）反對稱伸縮振動

2）變形和彎曲伸縮振動

a）面內(nèi)變形剪式振動、面內(nèi)搖擺振動；

b）面外變形面外搖擺振動、扭曲變形振動

紅外光譜振動吸收帶類型：

1）X-H伸縮振動區(qū)；2）叁鍵和累積雙鍵區(qū)；3）雙鍵伸縮振動區(qū)；

4）X-Y伸縮振動區(qū)和X-H變形振動區(qū)。

5.闡述紅外光譜吸收帶強度及其位置的影響因素。

答：影響吸收帶強度因素：

1）振動吸收帶強度與分子振動偶極矩變化的平方成正比；

2）同一類型化學鍵，偶極矩變化與結(jié)構(gòu)的對稱性有關(guān)；

3）氫鍵導致原子間距增大，偶極矩變化增大；

4）與振動形式有關(guān)。

影響吸收帶位置的因素：

1）外部因素

與試樣狀態(tài)、測定條件、溶劑極性等有關(guān)。

2）內(nèi)部因素

a）電效應(yīng)

誘導效應(yīng)、共胡效應(yīng)、偶極場效應(yīng)

b）氫鍵氫鍵使電子云密度平均化，振動頻率下降

c）振動的偶合如果兩個基團的振動頻率相近，其相互作用會使譜帶裂分

成兩個，一個低于正常頻率，一個高于正常頻率，稱振動偶合。

d）費米共振當一振動的倍頻與另一振動的基頻接近時，其相互作用而產(chǎn)

生很強的吸收峰或發(fā)生裂分，稱為費米共振現(xiàn)象。

e）其它因素如立體障礙、環(huán)的張力等。

6.簡述紅外光譜樣品的制備方法。

答：樣品制備：

要求：濃度、厚度適宜，不含游離水分組合；測量前盡量進行組分預(yù)分離。

制備方法：

1）氣態(tài)樣品：使用氣體吸收池；

2）液態(tài)和溶液試樣：沸點較高的試樣，直接滴在兩塊鹽片之間形成液膜；

沸點較低、揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中。

3）固態(tài)試樣：粉末法、糊狀法、壓片法、薄膜法、溶液法。

7.試比較紅外光譜和拉曼光譜的異同。

答：相同點：

1）紅外光譜和拉曼光譜都屬于分子振動光譜，都是研究分子結(jié)構(gòu)的有力手

段。

2）對于分子中的同一個基團，它的紅外光譜吸收峰的位置和拉曼光譜峰的

位置是相同的。

不同點：

1）紅外光譜測定的是樣品的透射光譜，拉曼光譜測定的是樣品的發(fā)射光譜；

2）在紅外光譜圖中，橫坐標的單位可以用波數(shù)表示。在拉曼光譜圖中，雖

然橫坐標的單位也是用波數(shù)，但表示的是拉曼位移。

3）紅外光譜和拉曼光譜的選律是不相同的，紅外和拉曼總體上說是互補的。

有些基團振動時偶極矩變化非常大，紅外吸收峰很強，是紅外活性的。有些

基團振動時偶極矩沒有變化，不出現(xiàn)紅外吸收峰，是紅外非活性的。這種振動拉

曼峰會非常強，也是拉曼活性的。

一個基團存在幾種振動模式時，偶極矩變化大的振動，紅外吸收峰強；偶極

矩變化小的振動，紅外吸收峰弱。拉曼光譜與之相反，偶極矩變化大的振動，拉

曼峰弱;偶極矩變化小的振動，拉曼峰強;偶極矩沒有變化的振動，拉曼峰最強。

這就是紅外和拉曼的互補性。

第7章核磁共振分析

1.根據(jù)Vo=yHo/2”,可以說明一些什么問題？

答：這是發(fā)生核磁共振的條件。由該式可以說明：1）對于不同的原子核，由于

磁旋比Y的不同，發(fā)生共振的條件不同；即發(fā)生共振時V。和Ho的相對值不同；

2）對于同一種核，當外加磁場?頂時，共振頻率也一定，當磁場強度改變時，

共振頻率也隨著改變。

2.什么是弛豫？為什么NMR分析中固體試樣應(yīng)先配成溶液？

答：由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時吸收的能量是很小的，因而躍遷到高能態(tài)的

氫核不可能通過發(fā)射譜線的形式失去能量而返回到低能態(tài)，這種由高能態(tài)恢復到

低能態(tài)而不發(fā)射原來所吸收的能量的過程成為弛豫過程。

NMR分析中固體試樣應(yīng)先配成溶液，這是由于液態(tài)樣品可以得到分辨較好

的圖譜。

3.何謂化學位移？它有什么重要性？影響化學位移的因素有哪些？

答：由于有機分子中各種質(zhì)子受到不同程度的屏蔽效應(yīng)，因此在核磁共振譜的不

同位置上出現(xiàn)吸收峰，某物質(zhì)吸收峰出的位置與標準物質(zhì)質(zhì)子吸收峰出現(xiàn)的位

置之間的差異稱為該物質(zhì)的化學位移。

重要性：由于化學位移的大小與氫核所處的化學環(huán)境密切相關(guān)，因此有可能

根據(jù)化學位移的大小來考慮氫核所處的化學環(huán)境，即有機物的分子結(jié)構(gòu)特征。

影響因素：誘導效應(yīng)、共瓶效應(yīng)、立體效應(yīng)、氫鍵的生產(chǎn)、磁各向異性效應(yīng)

和溶劑效應(yīng)。

4.何謂自旋偶合？何謂自旋分裂？它們在NMR分析中有何重要作用？

答：有機化合物分子中由于相鄰質(zhì)子之間的相互作用而引起核磁共振譜峰的裂

分，稱為自旋-軌道偶合，簡稱自旋偶合。

由自旋偶合所引起的譜線增多的現(xiàn)象稱為自旋-自旋裂分，簡稱自旋裂分。

作用：偶合表示質(zhì)子間的相互作用，裂分則表示由此而引起的譜線增多的現(xiàn)

象，由于偶合裂分現(xiàn)象的存在，可以從核磁共振譜圖上獲得更多的信息，對有機

物結(jié)構(gòu)解析非常有利。

5.振蕩器的射頻為56.4MHz時，欲使'H,I3C.19F發(fā)生共振信號，外加磁場強

度各需多少？

答：Bo（'H）=2nVo/Y=2X3.14159X56.4/2.68=132.2MHz

B（）（19F）=2X3.14159X56.4/2.52=139.52MHz

6.已知氫核5磁矩為2.79,璘核31P磁矩為1.13,在相同強度的外加磁場條件下，

發(fā)生核躍遷時何者需要較低的能量？

答：設(shè)外加磁場為H,則必發(fā)生躍遷需要吸收的電磁波頻率為

27346

Vo（'H）=2X2.79X5.05X10-XH/6.63X10-=46.29X10HS=46.29HMHz

3,