材料設(shè)計(jì)研究方法課后習(xí)題答案解析

./材料研究方法課后習(xí)題答案第一章緒論1.材料時(shí)如何分類的？材料的結(jié)構(gòu)層次有哪些？答：材料按化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)分：金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)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(duì)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(duì)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?jī)x器測(cè)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(shí)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(xué)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(duì)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(dòng)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(shí),振動(dòng)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(dòng)規(guī)律如何？有什么作用？答：在兩個(gè)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(xì)線,當(dāng)升降鏡筒時(shí),亮線發(fā)生移動(dòng),這條較亮的細(xì)線稱為貝克線。移動(dòng)規(guī)律：提升鏡筒,貝克線向折射率答的介質(zhì)移動(dòng)。作用：根據(jù)貝克線的移動(dòng)規(guī)律,比較相鄰兩晶體折射率的相對(duì)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(jí)的因素是什么？答：糙面：在單偏光鏡下觀察晶體表面時(shí),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(diǎn)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(shí)會(huì)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(tái),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(jí)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(jí)。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(zhǎng)的單色光組成,由于不同單色光發(fā)生的消光位和最強(qiáng)位因各自波長(zhǎng)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(duì)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；α角影響干涉色的亮度。光的干涉條件：兩束光振動(dòng)頻率相同,均同一平面內(nèi)振動(dòng),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(bǔ)色器,通過確定黑十字所劃分的四個(gè)象限或黑直臂兩側(cè)所對(duì)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(dòng)物臺(tái)45°時(shí),黑彎臂的頂點(diǎn)即光軸出露點(diǎn),此時(shí)與光軸面垂直方向即為Nm,此時(shí)可以利用補(bǔ)色器,通過鑒定兩光軸出露點(diǎn)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,一軸晶和二軸晶晶體的干涉圖像明顯不同,對(duì)于一軸晶來說,轉(zhuǎn)動(dòng)物臺(tái),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(duì)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(xué)顯微分析的分辨能力？答：1選用更短的波長(zhǎng)；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(xué)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(duì)象并滿足研究的特定要求；2鑲嵌：對(duì)形狀特殊或尺寸細(xì)小而不易握持的樣品,需進(jìn)行樣品鑲嵌；3磨光：去除取樣時(shí)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(xì)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(chǎng)光學(xué)顯微分析的原理及與傳統(tǒng)光學(xué)顯微分析的異同。答：原理：在近場(chǎng)探測(cè)中,必須將探測(cè)器位于距物體一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的位置上,在場(chǎng)傳播以前將其俘獲,因此近場(chǎng)探測(cè)器位于距離物體表面納米尺寸的位置上,既能移動(dòng)又不碰到樣品,所以只能使用點(diǎn)狀探測(cè)器逐點(diǎn)成像的方法。這種點(diǎn)狀探測(cè)器首先將納米尺寸的局部光信號(hào)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(dǎo)的方式將其傳播到探測(cè)系統(tǒng),將逐點(diǎn)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(xué)顯微鏡用擴(kuò)展光源在遠(yuǎn)場(chǎng)照明樣品；近場(chǎng)官學(xué)顯微鏡用納米局域光源在納米尺度的近場(chǎng)距離內(nèi)照明樣品；2成像方法：傳統(tǒng)光學(xué)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(chǎng)光學(xué)顯微鏡用掃描技術(shù)使局域光源逐點(diǎn)網(wǎng)格狀照明樣品,然后由光電接收器接受光信號(hào),借助計(jì)算機(jī)將圖像勾畫出來。3近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡用探針來照明樣品和探測(cè)信號(hào)。14.為何近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡可突破光學(xué)顯微鏡分辨率極限？答：一般近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡分辨率：30-50nm；新型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡分辨率0.8nm,不但突破了λ/2的衍射極限,也使目前近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(diǎn)。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)：1X射線是一種電磁波,具有波粒二象性；2X射線波長(zhǎng)：10-2—102A03X射線的波長(zhǎng)、振動(dòng)頻率和傳播速度符合λ=c/v.4X射線可以看成具有一定能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光流子5X射線具有很高的穿透能力,可以穿過黑紙和許多對(duì)于可見光不透明的物質(zhì)。6X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(shí),使物質(zhì)原子中的外層電子發(fā)生躍遷發(fā)出可見光。7X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織,連續(xù)X射線：強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化,構(gòu)成連續(xù)譜。X譜強(qiáng)度隨X射線管的管電壓增加而增大,最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變小,最短波長(zhǎng)界限減小。特征X射線：波長(zhǎng)一定、強(qiáng)度很大的特征譜只有當(dāng)管電壓超過一定激發(fā)電壓時(shí)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(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)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(xué)鍵,使新鍵形成,促進(jìn)物質(zhì)的合成；引起生物效應(yīng),導(dǎo)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(shí),會(huì)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(gè)原子中心發(fā)出的散射波又好比一個(gè)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(huì)在空間產(chǎn)生干涉,結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在某些散射方向的球面波相互加強(qiáng),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(qiáng)而存在衍射斑點(diǎn),其余方向則無衍射斑點(diǎn)。布拉格方程物理意義：2dsinθ=λ1>表達(dá)了晶面間距d、衍射方向θ和X射線波長(zhǎng)λ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(zhǎng)λ和掠射角θ,可計(jì)算晶面間距d；3已知晶體結(jié)構(gòu),可測(cè)定X射線的波長(zhǎng)λ。勞厄方程的物理意義：從理論上解決了入射線波長(zhǎng)、方向、點(diǎn)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(shí)驗(yàn)方法,粉末衍射儀的工作方式、工作原理。答：實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(dāng)?shù)姆轿痪劢苟纬裳苌鋸?qiáng)峰,被聚焦的那一部分衍射線所對(duì)應(yīng)的同名晶面或等同晶面與光源和接收狹縫處在同一聚焦圓周上。在測(cè)角儀掃描過程中,由光源狹縫、樣品臺(tái)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(qiáng)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(cè)試樣物相的衍射圖樣；2通過對(duì)所獲衍射圖樣的分析和計(jì)算,獲得各衍射線條的2θ、d及相對(duì)強(qiáng)度大?。?使用檢索手冊(cè),查尋物相PDF卡片號(hào)；4若是多物相分析,則在3步完成后,對(duì)剩余的衍射線重新根據(jù)相對(duì)強(qiáng)度排序,重復(fù)3步驟,直至全部衍射線能基本得到解釋。注意問題：1對(duì)試樣分析前,盡可能詳細(xì)了解樣品來源、化學(xué)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一物相后進(jìn)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；4d值處理精度要求高,檢索時(shí)只允許小數(shù)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；6多物相混合實(shí)驗(yàn)時(shí),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(shí)驗(yàn)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(biāo)法、內(nèi)標(biāo)法、基體沖洗法〔K值法過程：1物相鑒定；2選擇標(biāo)樣物相；3進(jìn)行定標(biāo)曲線的測(cè)定；4測(cè)定試樣中標(biāo)準(zhǔn)物相S的強(qiáng)度或測(cè)定按要求制備試樣中的待測(cè)物相及標(biāo)樣S物相制定衍射線強(qiáng)度；5用所測(cè)定的數(shù)據(jù),按各自的方法計(jì)算出待測(cè)物相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。7.比較X射線粉末多晶衍射儀法測(cè)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與單晶衍射法測(cè)定物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。答：多晶法樣品制備、衍射實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單,但只能完成對(duì)晶體晶系的確定、衍射花樣指數(shù)標(biāo)定,點(diǎn)陣參數(shù)測(cè)定等結(jié)構(gòu)測(cè)定中的部分工作,所以,多晶衍射只能進(jìn)行簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定或復(fù)雜結(jié)構(gòu)晶體測(cè)定的部分工作。單晶衍射法樣品制備、衍射實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜,但可測(cè)定復(fù)雜結(jié)構(gòu)。8.簡(jiǎn)述X射線實(shí)驗(yàn)方法在現(xiàn)代材料研究中有哪些主要應(yīng)用。答：1X射線物相定性分析：用于確定物質(zhì)中的物相組成；2X射線物相定理分析：用于測(cè)定某物相在物質(zhì)中的含量；3X射線晶體結(jié)構(gòu)分析：用于推斷測(cè)定晶體的結(jié)構(gòu)。10.X射線衍射實(shí)驗(yàn)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(xué)研究中應(yīng)用最廣泛,試驗(yàn)方法及試樣制備簡(jiǎn)單,所以在科學(xué)研究和實(shí)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(diǎn)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(xué)透鏡分辨本領(lǐng)d0的公式為d0=0.61λ/nsinα,透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明束波長(zhǎng)λ。要顯著提高顯微鏡的分辨本領(lǐng),必須探索一種波長(zhǎng)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(shí)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(duì)于光學(xué)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(duì)分辨本領(lǐng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于衍射效應(yīng)的影響,但是電子透鏡只有會(huì)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(duì)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(qiáng)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(jìn)一步放大,在熒光屏上得到三級(jí)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(dá)到這個(gè)目的。由于物鏡放大倍數(shù)大,其物平面接近焦點(diǎn),若物鏡光闌的直徑為D,則物鏡孔徑半角α=D/2f,小孔徑成像意味著只允許樣品散射角小于σ的散射電子通過物鏡光闌成像,所有大于α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(gè)電子透鏡聚焦后,在樣品表面按順序逐行進(jìn)行掃描,激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)。這些物理信號(hào)的強(qiáng)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(qiáng)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(hào)同時(shí)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(duì)應(yīng)的。這樣,在熒光屏上就形成一幅與樣品表面特征相對(duì)應(yīng)的畫面。4.相對(duì)光學(xué)顯微鏡,透射電子顯微鏡〔TEM和掃描電鏡〔SEM各有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：TEM優(yōu)點(diǎn)：1>分辨率高,常規(guī)電鏡的分辨率極限是2-3埃,可實(shí)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(xué)顯微鏡只達(dá)到幾千：3景深較大,焦長(zhǎng)較長(zhǎng),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(diǎn)：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(xué)顯微鏡和投射電鏡之間,在某種程度上彌補(bǔ)了光學(xué)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(jiǎn)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(diǎn)是什么？答：工作模式：點(diǎn)線面三種。能譜儀的特點(diǎn)：1所用的Si探測(cè)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(duì)樣品污染??；5能進(jìn)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峰背比小；8Si探測(cè)器必須在液氮溫度下使用,維護(hù)費(fèi)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(hào)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(jìn)行納米尺寸的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的分析。2但電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為10-2-103幾何像差：由透鏡磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的。4色差：由電子波的波長(zhǎng)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(dá)10-3-108.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(diǎn)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,因此又稱結(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(dāng)?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(jìn)行結(jié)構(gòu)像的分析。9.選用電子顯微分析儀時(shí)應(yīng)從哪幾方面考慮？答：樣品、要求、費(fèi)用、時(shí)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λ=K/<Z-σ>2可知X射線特征譜線的波長(zhǎng)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(cè)出特征X射線的波長(zhǎng),就可確定相應(yīng)元素的原子序數(shù)。又因?yàn)槟撤N元素的特征X射線強(qiáng)度與該元素在樣品中的濃度成比例,所有只要測(cè)出這種特征X射線的強(qiáng)度,就可計(jì)算出該元素的相對(duì)含量。X射線衍射儀的工作原理：布拉格方程2dsinθ=λ波譜儀利用某些晶體對(duì)X射線的衍射作用來達(dá)到使不同波長(zhǎng)分散的目的。若有一束包括不同波長(zhǎng)的X射線照射到一個(gè)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θ,則其中只有滿足布拉格方程的那個(gè)波長(zhǎng)的X射線發(fā)生衍射。若再與入射X射線方向成2θ的方向上設(shè)置X射線檢測(cè)器,就可以檢測(cè)到這個(gè)特定波長(zhǎng)的X射線及其強(qiáng)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(diǎn)是什么？答：1透射電鏡常用雙聚光鏡照明系統(tǒng),束斑直徑1-2μm,經(jīng)過雙聚光鏡的照明束相干性較好。2透射電鏡有三級(jí)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(jī)長(zhǎng)度。3可以通過物鏡和中間鏡的密切配合,進(jìn)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(dá)到樣品微區(qū)形貌分析和原位晶體學(xué)性質(zhì)測(cè)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(gè)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(dāng)電鏡以成像方式工作時(shí),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(shí),在物鏡像平面內(nèi)插入一個(gè)孔徑可變的選區(qū)光闌,光闌孔套住想要分析的那個(gè)微區(qū)。因?yàn)樵谖镧R適焦的情況下,物平面上同一物點(diǎn)所散射的電子將會(huì)聚于像平面上一點(diǎn),所有對(duì)應(yīng)于像平面上光闌孔的選擇范圍A‘B‘,只有樣品上AB微區(qū)以內(nèi)物點(diǎn)的散射波可以穿過光闌孔進(jìn)入中間鏡和投射鏡參與成像,選區(qū)以外的物點(diǎn)C產(chǎn)生的衍射波則全被檔掉。當(dāng)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(shí),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(diǎn)散射的電子波可以通過選區(qū)光闌進(jìn)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(shí)現(xiàn)了選區(qū)形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析的微區(qū)對(duì)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(shí)現(xiàn)選區(qū)觀察與衍射的對(duì)應(yīng)。第5章熱分析1.簡(jiǎn)述差熱分析的原理,并畫出DTA裝置示意圖。答：原理：把被測(cè)試樣和一種參比物置放在同樣的熱條件下,進(jìn)行加熱或冷卻。在這個(gè)過程中,試樣在某一特定溫度下會(huì)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)引起熱效應(yīng)變化:即試樣測(cè)的溫度在某一區(qū)間會(huì)變化,不跟隨程序溫度升高,而是有時(shí)高于或低于程度溫度,而參比物一側(cè)在整個(gè)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(gè)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(duì)這曲線進(jìn)行分析研究。2.為何用外延始點(diǎn)作為DTA曲線的反應(yīng)起始溫度？答：外延始點(diǎn)：指峰的起始邊陡峭部分的切線與外延基線的交點(diǎn)。國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)ICTA對(duì)大量的試樣測(cè)定結(jié)構(gòu)表明,外延起始溫度與其它實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)起始溫度最為接近,因此用外延始點(diǎn)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坩堝材料和形狀；3差熱電偶性能；4測(cè)溫?zé)犭娕寂c試樣之間的相對(duì)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(dǎo)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(zhǎng)滯后大2爐內(nèi)壓力和氣氛；=1\*GB3①壓力：減小：分解溫度降低低溫移動(dòng)增大：分解溫度升高高溫移動(dòng)=2\*GB3②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(jìn)行定性和半定量分析？DSC是如何實(shí)現(xiàn)定量分析的？答：在差熱分析中當(dāng)試樣發(fā)生熱效應(yīng)時(shí),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(shí),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(huì)進(jìn)行熱傳遞,降低了熱效應(yīng)測(cè)量的靈敏度和精確度,所有DTA僅能進(jìn)行定性和半定量分析。而DSC克服了這些不足,通過對(duì)試樣因發(fā)生熱效應(yīng)而發(fā)生的能量變化進(jìn)行及時(shí)的應(yīng)有的補(bǔ)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(cè)信號(hào)大,可進(jìn)行實(shí)現(xiàn)定量分析。6.闡述DSC技術(shù)的原理和特點(diǎn)。答：原理：DSC技術(shù)是在程序控制溫度下,測(cè)量輸入到試樣和參比物的能量差隨溫度和時(shí)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(cè)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(duì)試樣因發(fā)生熱效應(yīng)而發(fā)生的能量變化進(jìn)行及時(shí)的應(yīng)有的補(bǔ)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(cè)信號(hào)大,因此在靈敏度和精度方面都大有提高。特點(diǎn)：由于試樣用量少,試樣內(nèi)的溫度梯度較小且氣體的擴(kuò)散阻力下降,對(duì)于功率補(bǔ)償型DSC有熱阻影響小的特點(diǎn)。7.簡(jiǎn)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(dǎo)率和試樣相近的作為參比物；試樣的顆粒度要求：100目—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(huì)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(gè)測(cè)溫范圍無熱反應(yīng),比熱與導(dǎo)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(gè)峰谷出現(xiàn)的原因,從而分析被測(cè)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(xué)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(jìn)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(jì)占據(jù)記錄紙小格數(shù)進(jìn)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(jì)算機(jī)：誤差為0.5%。8.簡(jiǎn)述熱重分析的特點(diǎn)和影響因素.答：特點(diǎn)：熱重分析是在程序控制溫度下測(cè)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(diǎn)是定量性強(qiáng),能準(zhǔn)確的測(cè)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(duì)流的影響；2揮發(fā)物冷凝的影響；3溫度測(cè)定的影響；4升溫速率的影響；5氣氛控制的影響；6坩堝形狀的影響；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(xué)反應(yīng)和過程；2測(cè)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(cè)定晶體生長(zhǎng)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(qiáng)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(huì)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(jiǎn)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(jì)參與反應(yīng)的物質(zhì)的量或測(cè)定熱化學(xué)參數(shù)。尤其是DSC分析不僅可定量地測(cè)定物質(zhì)的熔化熱、轉(zhuǎn)變熱和反應(yīng)熱,還可以用來計(jì)算物質(zhì)的純度和雜質(zhì)量。2熱重分析在無機(jī)材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,可以用于研究無機(jī)和有機(jī)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)或蒸餾、煤或石油及木材的熱解、揮發(fā)灰分的含量測(cè)定、蒸發(fā)和升華速度的測(cè)定、吸水和脫水、聚合物的氧化降解、氣化熱測(cè)定、催化劑和添加劑評(píng)定、化合物組分的定性和定量分析、老化和壽命評(píng)定、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究等領(lǐng)域,其特點(diǎn)是定量性強(qiáng)。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(jī)械分析在高分子材料方面應(yīng)用廣泛,它可以測(cè)定高聚物的Tg溫度、研究高聚物的松弛運(yùn)動(dòng)、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(zhǎng)的電磁波對(duì)原子〔基團(tuán)的作用及其相應(yīng)的光譜分析手段。答：電磁波對(duì)原子基團(tuán)的作用光譜分析手段紫外光波長(zhǎng)較短,能量較高,引起分子中價(jià)電子的躍遷紫外光譜紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng),能量較低,只能引起分子中成鍵原子和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷紅外光譜核磁共振波能量更低,產(chǎn)生原子核自旋能級(jí)的躍遷核磁共振譜光子和分子非彈性振動(dòng)產(chǎn)生的光散射效應(yīng)拉曼光譜原子對(duì)特征波長(zhǎng)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(tuán)和生色團(tuán)？答：助色團(tuán)是指那些本身不會(huì)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(tuán),但這些基團(tuán)與發(fā)色基團(tuán)相連時(shí)卻能使發(fā)色基團(tuán)的吸收帶波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波,同時(shí)使吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。生色團(tuán)是指能導(dǎo)致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)生吸收的基團(tuán),不論是否顯示顏色都稱為發(fā)色基團(tuán)或生色團(tuán)。3.簡(jiǎn)述有機(jī)物在紫外光譜中吸收帶的類型。答：1R吸收帶鹵代烷烴可產(chǎn)生這類譜帶；2K吸收帶共軛烯烴,取代芳香化合物可產(chǎn)生這類譜帶；3B吸收帶芳香化合物及雜芳香化合物的特征譜帶；4E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(dòng)的形式和紅外光譜振動(dòng)吸收帶的類型.答：1輻射具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時(shí)所需的能量,分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)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(dòng)。分子振動(dòng)的形式：1伸縮振動(dòng)a對(duì)稱伸縮振動(dòng)；b反對(duì)稱伸縮振動(dòng)2變形和彎曲伸縮振動(dòng)a面內(nèi)變形剪式振動(dòng)、面內(nèi)搖擺振動(dòng)；b面外變形面外搖擺振動(dòng)、扭曲變形振動(dòng)紅外光譜振動(dòng)吸收帶類型：1X-H伸縮振動(dòng)區(qū)；2叁鍵和累積雙鍵區(qū)；3雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)；4X-Y伸縮振動(dòng)區(qū)和X-H變形振動(dòng)區(qū)。5.闡述紅外光譜吸收帶強(qiáng)度及其位置的影響因素。答：影響吸收帶強(qiáng)度因素：1振動(dòng)吸收帶強(qiáng)度與分子振動(dòng)偶極矩變化的平方成正比；2同一類型化學(xué)鍵,偶極矩變化與結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)；3氫鍵導(dǎo)致原子間距增大,偶極矩變化增大；4與振動(dòng)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(cè)定條件、溶劑極性等有關(guān)。2內(nèi)部因素a電效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、偶極場(chǎng)效應(yīng)b氫鍵氫鍵使電子云密度平均化,振動(dòng)頻率下降c振動(dòng)的偶合如果兩個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率相近,其相互作用會(huì)使譜帶裂分成兩個(gè),一個(gè)低于正常頻率,一個(gè)高于正常頻率,稱振動(dòng)偶合。d費(fèi)米共振當(dāng)一振動(dòng)的倍頻與另一振動(dòng)的基頻接近時(shí),其相互作用而產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收峰或發(fā)生裂分,稱為費(fèi)米共振現(xiàn)象。e其它因素如立體障礙、環(huán)的張力等。6.簡(jiǎn)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(cè)量前盡量進(jìn)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(diǎn)較高的試樣,直接滴在兩塊鹽片之間形成液膜；沸點(diǎn)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(diǎn)：1紅外光譜和拉曼光譜都屬于分子振動(dòng)光譜,都是研究分子結(jié)構(gòu)的有力手段。2對(duì)于分子中的同一個(gè)基團(tuán),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(diǎn)：1紅外光譜測(cè)定的是樣品的透射光譜,拉曼光譜測(cè)定的是樣品的發(fā)射光譜；2在紅外光譜圖中,橫坐標(biāo)的單位可以用波數(shù)表示。在拉曼光譜圖中,雖然橫坐標(biāo)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(bǔ)的。有些基團(tuán)振動(dòng)時(shí)偶極矩變化非常大,紅外吸收峰很強(qiáng),是紅外活性的。有些基團(tuán)振動(dòng)時(shí)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(dòng)拉曼峰會(huì)非常強(qiáng),也是拉曼活性的。

一個(gè)基團(tuán)存在幾種振動(dòng)模式時(shí),偶極矩變化大的振動(dòng),紅外吸收峰強(qiáng)；偶極矩變化小的振動(dòng),紅外吸收峰弱。拉曼光譜與之相反,偶極矩變化大的振動(dòng),拉曼峰弱;偶極矩變化小的振動(dòng),拉曼峰強(qiáng);偶極矩沒有變化的振動(dòng),拉曼峰最強(qiáng)。這就是紅外和拉曼的互補(bǔ)性。第7章核磁共振分析1.根據(jù)V0=γH0/2π,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(duì)于不同的原子核,由于磁旋比γ的不同,發(fā)生共振的條件不同；即發(fā)生共振時(shí)V0和H0的相對(duì)值不同；2對(duì)于同一種核,當(dāng)外加磁場(chǎng)一頂時(shí),共振頻率也一定,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度改變時(shí),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(shí)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(fù)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(xué)位移？它有什么重要性？影響化學(xué)位移的因素有哪些？答：由于有機(jī)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,某一物質(zhì)吸收峰出的位置與標(biāo)準(zhǔn)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(xué)位移。重要性：由于化學(xué)位移的大小與氫核所處的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān),因此有可能根據(jù)化學(xué)位移的大小來考慮氫核所處的化學(xué)環(huán)境,即有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)特征。影響因素：誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(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?cè)贜MR分析中有何重要作用？答：有機(jī)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)解析非常有利。5.振蕩器的射頻為56.4MHz時(shí),欲使1H、13C、19F發(fā)生共振信號(hào),外加磁場(chǎng)強(qiáng)度各需多少？答：B0〔1H=2πV0/γ=2×3.14159×56.4/2.68=132.2MHzB0〔19F=2×3.14159×56.4/2.52=139.52MHz6.已知?dú)浜?H磁矩為2.79,磷核31P磁矩為1.13,在相同強(qiáng)度的外加磁場(chǎng)條件下,發(fā)生核躍遷時(shí)何者需要較低的能量？答：設(shè)外加磁場(chǎng)為H,則1H發(fā)生躍遷需要吸收的電磁波頻率為V0〔1H=2×2.79×5.05×10-27×H/6.63×10-34=46.29×106HS-1=46.29HMHzV0〔31P=2×1.13×5.05×10-27×H/6.63×10-34=17.21×106HS-1=17.21HMHz7.下列化合物中OH的