《材料現(xiàn)代分析方法》課程教學大綱

《材料現(xiàn)代分析方法》課程實施大綱

目錄

1.教學理念...............................................1

1.1關(guān)注學生的發(fā)展

1.2關(guān)注教學的有效性

1.3關(guān)注教學的策略

1.4關(guān)注教學價值觀

2.課程介紹..............................................3

2.1課程的性質(zhì)

2.2課程在學科專業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位、作用

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢

2.5課程與經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)系

2.6課程內(nèi)容可能涉及到的倫理與道德問題

3.教師簡介..............................................7

3」教師的職稱、學歷

3.2教育背景

3.3研究興趣（方向）

4.先修課程..............................................8

5.課程目標..............................................8

6.課程內(nèi)容..............................................8

6.1課程的內(nèi)容概要

6.2教學重點、難點

6.3學時安排

7.課程實施...................................................10

7.1教學單元一............................................10

7.1.1教學日期........................................10

7.1.2教學目標.......................................10

7.1.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................10

7.1.4教學過程.......................................11

7.1.5教學方法.......................................16

7.1.6作業(yè)安排及課后反思............................16

7.1.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............16

7.1.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............16

7.2教學單元二...........................................16

7.2.1教學日期.......................................16

722教學目標........................................16

723教學內(nèi)容（含重點、難點）.........................17

7.2.4教學過程.......................................17

7.2.5教學方法.......................................21

726作業(yè)安排及課后反思..............................21

727課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................21

728參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................21

7.3教學單元三...........................................21

7.3.1教學日期.......................................21

732教學目標........................................21

7.3.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................21

7.3.4教學過程.......................................22

735教學方法........................................28

7.3.6作業(yè)安排及課后反思............................28

7.3.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............28

738參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................28

7.4教學單元四...........................................28

7.4.1教學日期.......................................28

742教學目標........................................28

7.4.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................28

744教學過程........................................28

7.4.5教學方法........................................32

746作業(yè)安排及課后反思..............................32

747課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................32

748參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................32

7.5教學單元五...........................................32

7.5.1教學日期.......................................32

7.5.2教學目標.......................................33

7.5.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................33

7.5.4教學過程.......................................33

7.5.5教學方法.......................................36

756作業(yè)安排及課后反思..............................36

757課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................36

758參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................36

7.6教學單元六...........................................36

761教學日期........................................36

7.6.2教學目標.......................................36

7.6.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................36

764教學過程........................................36

765教學方法........................................42

7.6.6作業(yè)安排及課后反思............................43

767課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................43

768參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................43

7.7教學單元七...........................................43

7.7.1教學日期.......................................43

7.7.2教學目標.......................................43

7.7.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................43

774教學過程........................................43

7.7.5教學方法.......................................47

7.7.6作業(yè)安排及課后反思............................47

777課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................47

778參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................47

7.8教學單元八...........................................47

7.8.1教學日期.......................................47

782教學目標........................................47

7.8.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................48

7.8.4教學過程.......................................48

7.8.5教學方法.......................................54

7.8.6作業(yè)安排及課后反思............................54

787課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................54

7.8.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）................54

7.9教學單元九...........................................54

7.9.1教學日期.......................................54

792教學目標........................................54

7.9.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................54

794教學過程........................................54

795教學方法........................................60

7.9.6作業(yè)安排及課后反思............................60

797課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.................60

7.9.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............60

7.10教學單元十..........................................60

7.10.1教學日期.......................................60

7.10.2教學目標......................................60

7.10.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................60

7.10.4教學過程......................................60

7.10.5教學方法......................................63

7.10.6作業(yè)安排及課后反思............................63

7.10.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............63

7.10.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............63

7.11教學單元H.................................................................................63

7.11.1教學日期.......................................63

7.11.2教學目標......................................63

7.11.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................63

7.11.4教學過程......................................63

7.11.5教學方法......................................69

7.11.6作業(yè)安排及課后反思............................69

7.117..................課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.69

7.11.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............69

7.12教學單元十二........................................69

7.12.1教學日期.......................................69

7.12.2教學目標......................................69

7.12.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................69

7.12.4教學過程......................................69

7.12.5教學方法.......................................72

7.12.6作業(yè)安排及課后反思............................72

7.12.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............72

7.12.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............72

7.13教學單元十三........................................73

7.13.1教學日期.......................................73

7.13.2教學目標......................................73

7.13.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................73

7.13.4教學過程......................................73

7.13.5教學方法.......................................76

7.13.6作業(yè)安排及課后反思............................76

7.13.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............76

7.13.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............76

7.14教學單元十四........................................76

7.14.1教學日期.......................................76

7.14.2教學目標......................................76

7.14.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................76

7.14.4教學過程......................................76

7.14.5教學方法......................................80

7.14.6作業(yè)安排及課后反思............................80

7.14.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求...............80

7.14.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）...............81

7.15教學單元十五........................................81

7.15.1教學日期.......................................81

7.15.2教學目標......................................81

7.15.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.......................81

7.15.4教學過程......................................81

7.15.5教學方法......................................83

7.15.6作業(yè)安排及課后反思...........................83

7.157課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求..............83

7.15.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............83

7.16教學單元十六.......................................83

7.167教學日期......................................84

7.16.2教學目標......................................84

7.16.3教學內(nèi)容（含重點、難點）......................84

7.16.4教學過程.....................................84

7.16.5教學方法......................................88

7.16.6作業(yè)安排及課后反思...........................88

7.16.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............88

7.16.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............88

7.17教學單元十七.......................................89

7.17.1教學日期......................................89

7.17.2教學目標......................................89

7.17.3教學內(nèi)容（含重點、難點）......................89

7.17.4教學過程......................................89

7.17.5教學方法......................................92

7.17.6作業(yè)安排及課后反思...........................92

7.17.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............92

7.17.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............92

7.18教學單元十八.......................................92

7.18.1教學日期......................................92

7.18.2教學目標.....................................92

7.18.3教學內(nèi)容（含重點、難點）......................93

7.18.4教學過程......................................93

7.18.5教學方法......................................96

7.18.6作業(yè)安排及課后反思...........................97

7.18.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............97

7.18.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............97

719教學單元十九.........................................97

7.19.1教學日期......................................97

7.19.2教學目標......................................97

7.19.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.....................97

7.19.4教學過程......................................97

7.19.5教學方法.....................................100

7.19.6作業(yè)安排及課后反思..........................101

7.19.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............101

7.19.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............101

7.20教學單元二十.......................................101

7.20.1教學日期.....................................101

7.20.2教學目標.....................................101

7.20.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.....................101

7.20.4教學過程.....................................101

7.20.5教學方法.....................................105

7.20.6作業(yè)安排及課后反思..........................105

7.20.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............105

7.20.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............105

7.21教學單元二H--.....................................................................106

7.21.1教學日期.....................................106

7.21.2教學目標.....................................106

7.21.4教學過程.....................................106

7.21.5教學方法.....................................111

7.21.6作業(yè)安排及課后反思..........................111

7.21.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............111

7.21.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............111

7.22教學單元二十二.....................................111

7.22.1教學日期.....................................111

7.22.2教學目標.....................................Ill

7.22.3教學內(nèi)容（含重點、難點）.....................111

7.22.4教學過程.....................................112

7.22.5教學方法.....................................114

7.22.6作業(yè)安排及課后反思..........................114

7.22.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求.............114

7.22.8參考資料（具體到哪一章節(jié)或頁碼）.............114

8.課程要求................................................115

8.1學生自學要求

8.2課外閱讀要求

8.3課堂討論要求

8.4課程實踐要求

9.課程考核................................................115

9.1出勤（遲到、早退等）、作業(yè)、報告等的要求

9.2成績的構(gòu)成與評分規(guī)則說明

9.3考試形式及說明

10.學術(shù)誠信...............................................116

10」考試違規(guī)與作弊處理

10.2杜撰數(shù)據(jù)、信息處理等

10.3學術(shù)剽竊處理等

11.課堂規(guī)范...............................................116

11.1課堂紀律

112課堂禮儀

12.課程資源...............................................117

12.1教材與參考書

12.2專業(yè)學術(shù)著作

12.3專業(yè)刊物

12.4網(wǎng)絡(luò)課程資源

13.教學合約...............................................118

13.1閱讀課程實施大綱，理解其內(nèi)容

13.2同意遵守課程實施大綱中闡述的標準和期望

14.其他說明...............................................119

1.教學理念

1.1關(guān)注學生的發(fā)展

在“以學生為本，融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體”的教學理念指引

下，本課程教師一貫重視教學方法的改進和教學手段的完善，努力從“授人以魚”

轉(zhuǎn)向“授人以漁”，既重視發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，又尊重學生在學習活動中的主體地

位，實行啟發(fā)式教學，激發(fā)學生學習的積極性與主動精神，引導(dǎo)學生積極思維。

1.2關(guān)注教學的有效性

大學課堂教學作為引導(dǎo)大學生探求知識、發(fā)展能力、豐富完善個性品質(zhì)的主要

方式，是大學培養(yǎng)人才的主陣地，其有效性的追求理應(yīng)滿足大學生成長、發(fā)展的需

求。這是一個既包括學生對所學課程理論知識由感性認知到理性內(nèi)化，再到創(chuàng)造性

外化的不同層次，又包括學生情感、態(tài)度、價值觀培養(yǎng)的復(fù)雜過程。其指向不是單

純的某一方面，而是一個多元的綜合體系。因此作為一個合格的大學教師，不僅要

嚴謹治學、善于研究，不斷提升學科專業(yè)理論水平；而且要不斷提高自己的教學學

術(shù)修養(yǎng)，善于用自己的教育智慧給學生以創(chuàng)造性的啟迪和引導(dǎo)。其次，尊重學生、

相信學生，以學生能夠并樂于接受的方式展開課堂教學活動，注重教學方式的多樣

性和實效性。讓學生真正以主體者的角色參與到教學中來，

1.3關(guān)注教學的策略

1.在理論基礎(chǔ)部分的教學過程中,通過多媒體課件和動畫將理論公式的推導(dǎo)思路分

步、形象、啟發(fā)式地進行講述，有效地促進了學生的積極思考，培養(yǎng)了學生思考問

題、解決問題的能力。

2.在有關(guān)儀器設(shè)備內(nèi)容的教學過程中，通過模擬動畫進行解剖和分析，使原來在黑

板上難以講深講透的內(nèi)容形象、生動地展示在學生面前，提高了學生的學習興趣和

學習熱情，加深了學生對所學知識的理解和掌握，同時啟發(fā)學生對現(xiàn)有設(shè)備提出結(jié)

構(gòu)改進意見，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新性思維能力。

3.重點、難點理論部分的教學采用“課前預(yù)習？學生發(fā)問？難點講解?老師質(zhì)疑?小組

報告?學生匯報講演”的“六步教學法”。通過學生自主學習，老師難點講解的辦法,

逐步加深學生對教學重點、難點的理解，最后通過“匯報講演”的形式牢固緊握。

4.設(shè)計“基礎(chǔ)型”、“綜合設(shè)計型”和“研究創(chuàng)新型”實驗，既訓練了學生的基本

技能、基本技術(shù)，又培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實際解決問題能力。

5.將學生參與科研制度化，并計入課程考核成績。鼓勵學生申請學校也設(shè)立了“大

學生創(chuàng)新教育項目”（學校教務(wù)處）、安排優(yōu)秀同學參加教師的科研課題，支持一些

同學自提課題研究。通過“教學、實驗、科研多管齊下，課內(nèi)、課外、理論、實踐

同時并舉”的實踐教學，提升學生的綜合知識水平和實驗技能，為后繼專業(yè)課學習、

開展畢業(yè)論文及科學研究奠定堅實的基礎(chǔ)。

6.以研促教，以教助研，教研相長，結(jié)合教師科研案例開展教學。材料的“制備”

一“組成”一“結(jié)構(gòu)”一“性能”中的“組成”與“結(jié)構(gòu)”都要依靠材料現(xiàn)代分析

方法檢測與表征，“制備”、“性能”與“組成”、“結(jié)構(gòu)”是緊密相關(guān)的，本課程主講

教師都承擔了大量的科研項目，在介紹材料結(jié)構(gòu)分析方法基礎(chǔ)知識后，結(jié)合科研案

例講解材料結(jié)構(gòu)分析方法在材料研究中的具體應(yīng)用，激發(fā)了學生的學習熱情，加深

了學生對所學知識的理解和掌握。

1.4關(guān)注教學價值觀

為了更好的引導(dǎo)大學生往正確的方向發(fā)展，可以在學生的交流中融入社會主義

核心價值觀的相關(guān)內(nèi)容，深化學生對社會主義核心價值觀的認識，幫助其樹立正確

的世界觀、人生觀和價值觀，進而激勵他們“永遠熱愛我們偉大的祖國，永遠熱愛

我們偉大的人民，永遠熱愛我們偉大的中華民族”，積極投身中國特色社會主義偉

大事業(yè)中。

2.課程介紹

2.1課程的性質(zhì)

本課程是為應(yīng)用物理及物理學專業(yè)本科生開設(shè)的專業(yè)課（或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課）。其目

的在于使學生系統(tǒng)地了解材料現(xiàn)代主要分析測試方法的基本原理、儀器設(shè)備、樣品

制備及應(yīng)用，掌握常見分析測試技術(shù)所獲信息的解釋和分析方法，最終使學生能夠

獨立地進行材料的分析和研究工作。

2.2課程在學科專業(yè)結(jié)構(gòu)中的地位、作用

通過本課程的學習，使學生對材料的各種現(xiàn)代分析方法有一個初步的，較為全面

的了解和認識；了解x射線衍射分析，光譜分析，電子顯微分析，色譜分析，質(zhì)譜分

析，電化學分析等方法的基本原理，過程，裝備及應(yīng)用；掌握相應(yīng)的基本知識，基本

技能及必要的理論基礎(chǔ)。使學生通過本課程學習后能夠作到：

1正確選擇材料分析，測試方法。

2看懂或會分析一般（典型，較簡單）的測試結(jié)果（圖譜，圖象等）。

3可以與分析測試專業(yè)人員共同商討有關(guān)材料分析研究的實驗方案和分析較復(fù)雜的

測試結(jié)果。

4具備專業(yè)從事材料分析測試工作的初步基礎(chǔ)，具備通過學習掌握材料分析新方法,

新技術(shù)的自學能力。

2.3課程的歷史與文化傳統(tǒng)

材料現(xiàn)代分析方法主要是通過對表征材料的物理性質(zhì)或物理化學性質(zhì)參數(shù)及其

變化（稱為測量信號或特征信息、）的檢測實現(xiàn)的，換言之，材料分析的基本原理（或

稱技術(shù)基礎(chǔ)）是指測量信號與材料成分、結(jié)構(gòu)等的特征關(guān)系，采用各種不同的測量信

號（相應(yīng)地具有與材料的不同特征關(guān)系）形成了各種不同的材料分析方法。特別是基

于電磁輻射及運動粒子束與物質(zhì)相互作用的各種性質(zhì)建立的各種分析方法已成為材

料現(xiàn)代分析方法的重要組成部分，大體可分為光譜分析、電子能譜分析、衍射分析

與電子顯微分析等四大類方法。此外，基于其它物理性質(zhì)或電化學性質(zhì)與材料的特

征關(guān)系建立的色譜分析、質(zhì)譜分析、電化學分析及熱分析等方法也是材料現(xiàn)代分析

的重要方法。盡管不同方法的分析原理（檢測信號及其與材料的特征關(guān)系）不同及具

體的檢測操作過程和相應(yīng)的檢測分析儀器不同，但各種方法的分析、檢測過程均可

大體分為信號發(fā)生、信號檢測、信號處理及信號讀出等幾個步驟。相應(yīng)的分析儀器

則由信號發(fā)生器、檢測器、信號處理器與讀出裝置等幾部分組成。依據(jù)檢測信號與

材料的特征關(guān)系，分析、處理讀出信號，即可實現(xiàn)材料分析的目的。

材料結(jié)構(gòu)表征的任務(wù)及其分析儀器的發(fā)展基本上還是圍繞著成分分析、結(jié)構(gòu)測

定和形貌觀察來發(fā)展的。材料的化學成分分析除了傳統(tǒng)的化學分析技術(shù)外，還包括

質(zhì)譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣、液相色譜，核磁共振，電子自旋共振,X射

線熒光光譜，俄歇與X射線光電子譜、二次離子質(zhì)譜，電子探針、原子探針（與場離

子顯微鏡聯(lián)用）、激光探針等。在這些成分分析方法中有一些已經(jīng)有很長的歷史，并

且已經(jīng)成為普及的常規(guī)的分析手段。如質(zhì)譜已是鑒定未知有機化合物的基本手段之

一，其重要貢獻是能夠提供該化合物的分子量和元素組成的信息、；色譜中特別是裂

解氣相色譜（PGC）能較好顯示高分子類材料的組成特征，它和質(zhì)譜、紅外光譜、薄層

色譜、凝膠色譜等的聯(lián)用，大大地擴展了其使用范圍。紅外光譜在高分子材料的表

征上有著特殊重要地位。紅外光譜測試不僅方法簡單，而且也由于積累了大量的已

知化合物的紅外譜圖及各種基團的特征頻率等數(shù)據(jù)資料而使測試結(jié)果的解析更為方

便。核磁共振譜雖然經(jīng)常是作為紅外光譜的補充，但其對聚合物的構(gòu)型及構(gòu)象的分

析，對于立構(gòu)異構(gòu)體的鑒定，對于共聚物的組成定性、定量及序列結(jié)構(gòu)測定有著獨

特的長處，許多信息是其他方法難以提供的。

2.4課程的前沿及發(fā)展趨勢

隨著x射線衍射技術(shù)越來越先進,x射線衍射法的用途也越來越廣泛，除了在無

機晶體材料中的應(yīng)用，已經(jīng)在有機材料、鋼鐵冶金、以及納米材料的研究領(lǐng)域中發(fā)揮

出巨大作用，并且還應(yīng)用于瞬間動態(tài)過程的測量。計算機的普遍使用讓各種測量儀器

的功能變得強大，測試過程變得簡單快捷，雙晶衍射、多重衍射也越來越完善。掃描

電鏡、透射電鏡在材料科學特別是納米科學技術(shù)上的地位日益重要。穩(wěn)定性、操作

性的改善使得電鏡不再是少數(shù)專家使用的高級儀器,而變成普及性的工具;更高分辨

率依舊是電鏡發(fā)展的最主要方向；掃描電鏡和透射電鏡的應(yīng)用已經(jīng)從表征和分析發(fā)

展到原位實驗和納米可視加工;聚焦離子束(FIB)在納米材料科學研究中得到越來越

多的應(yīng)用;FIB/SEM雙束電鏡是目前集納米表征、納米分析、納米加工、納米原型設(shè)

計的最強大工具。在譜儀的能量分析檢測器方面，也從傳統(tǒng)的單通道電子倍增器檢

測器發(fā)展到位置靈敏檢測器和多通道檢測器，使得檢測靈敏度獲得了大幅度的提高。

計算機系統(tǒng)的廣泛采用，使得采樣速度和譜圖的解析能力也有了很大的提高。

2.5課程與經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)系

材料的檢測評價技術(shù)既涉及了金相、物理、力學性能、失效分析、化學分析、

儀器分析和高速分析技術(shù)領(lǐng)域的理化檢驗技術(shù)，又結(jié)合現(xiàn)代物理學、化學、材料科

學、微電子學、等離子科學等學科的發(fā)展，對傳統(tǒng)理化檢驗技術(shù)和方法進行拓展和

延伸，構(gòu)成了現(xiàn)代材料分析方法。材料檢測評價技術(shù)始終是保證和提高產(chǎn)品的內(nèi)在

質(zhì)量和性能的質(zhì)量保證體系的重要組成部分。無論是過去、現(xiàn)在還是將來，遍及機

械、冶金、航空、宇航、電子、化工、能源、國防等領(lǐng)域，在日常的工業(yè)生產(chǎn)中，從

原材料、輔助材料到毛坯、半成品以至成品，對其質(zhì)量進行檢查和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的監(jiān)控,

對使用中的零部件，考察其運行情況和性能的變化，以至進行失效原因分析，以便

采取預(yù)防和改進措施。更進一步地，引進新的現(xiàn)代測試方法和技術(shù)加強和提高材料

檢測技術(shù)水平，積極采用現(xiàn)代高科技手段，應(yīng)用微電子技術(shù)、計算機技術(shù)，運用統(tǒng)

計學原理，對試驗數(shù)據(jù)進行處理、分析和控制，提高水平和效率。例如采用多種敏

感元件、變換器、檢測器件、計算機、記錄裝置等器材和技術(shù)，它們不僅促使材料

檢驗原有儀器方法的不斷改進和深化，并且還導(dǎo)致發(fā)展了許多簡便、快速、自動、

能在線使用，以及精密復(fù)雜能同時解決多種問題的儀器和相應(yīng)的試驗方法，如能連

續(xù)測定每批幾十個樣品的光譜、色譜等自動分析儀，能研究固體表面深度小于數(shù)十

微米、直徑小于數(shù)十納米范圍的各種表面分析和微區(qū)分析裝置等。值得提到的是，提

高理化檢驗技術(shù)新水平的另一個重要方面是，正如上面所論述的，材料現(xiàn)代分析方

法不僅是以材料成分、結(jié)構(gòu)等分析、測試為唯一目的，而是材料科學的重要研究手

段，廣泛應(yīng)用于研究和解決材料理論和工程實際問題。現(xiàn)代材料分析方法的發(fā)展在

研究和開發(fā)新材料、新技術(shù)、新工藝、新方法的科技實踐中更是不可缺少的重要環(huán)

節(jié)，不僅推動了材料科學的發(fā)展，同時也推動了科技和社會的發(fā)展和進步。

2.6課程內(nèi)容可能涉及到的倫理與道德問題

①通過學習本課程，使學生了解材料科學研究工作者通常關(guān)注的主要顯微結(jié)構(gòu)

分析內(nèi)容；掌握各種常見分析儀器的功能和基本原理，掌握材料結(jié)構(gòu)分析的基本實

驗技術(shù)、樣品制備方法，能與專門從事x射線、電子顯微分析等材料結(jié)構(gòu)分析工作的

實驗人員共同設(shè)計試驗方案，正確分析檢測結(jié)果。

②通過學習本課程，可以培養(yǎng)學生嚴肅認真的學習態(tài)度，掌握科學的求真學習

方法，使學生初步具有獨立獲取知識的能力。

③通過學習本課程，有利于開闊學生的思路，培養(yǎng)學生的思維方式和習慣，激

發(fā)不斷探索和創(chuàng)新的精神。

④通過學習本課程，可以培養(yǎng)學生逐步樹立辯證唯物主義的世界觀，培養(yǎng)學生

樹立為科學獻身的信念。

3.教師簡介

4.先修課程

《原子物理學》，《光電子技術(shù)》，《固體物理》，《量子力學》

5.課程目標

5.1知識與技能方面

通過學習，了解X射線衍射儀及電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)，掌握X-射線衍射及電子顯微

鏡的基本原理和操作方法，了解試樣制備的基本要求及方法，了解材料成分的分析

與表面分析技術(shù)的主要方法及基本技術(shù)，了解光譜分析方法，能夠利用上述相關(guān)儀

器進行材料的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、表面分析研究。學會運用以上技術(shù)的基本方法,

對材料進行測試、計算和分析，得到有關(guān)微觀組織結(jié)構(gòu)、形貌及成分等方面的信息。

5.2過程與方法方面

1）、充分運用現(xiàn)代化教學手段。現(xiàn)在利用多媒體給學生上課，為了形象化的讓

學生更易接受所學理論知識，課堂上還會穿插些圖片、幻燈片、動畫片等。2）、講

課向“精，“實”、“用”的方向去做。給學生提供更多的參考資料，鍛練學生學會自我

學習。3）、建立健全的考核機制，采取良好靈活的考核方式?？己朔绞娇刹扇±碚?/p>

考試、實驗制作、動手能力等，從多角度綜合評判。分數(shù)實行結(jié)構(gòu)評分方式，基本

分反映學生在基礎(chǔ)知識和基本能力的綜合表現(xiàn)，更客觀的反映學生能力，強調(diào)個性

發(fā)展，更好的鼓勵創(chuàng)新。同時，各種電子設(shè)計競賽選拔和該課程的教學考核結(jié)合起

來，進一步激發(fā)學生的學習和創(chuàng)新熱情。

5.3情感、態(tài)度與價值觀方面

培養(yǎng)學生逐步樹立辯證唯物主義的世界觀，培養(yǎng)學生樹立為科學獻身的信念。

6.課程內(nèi)容

6.1課程的內(nèi)容概要

第一篇總序

第一章電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)

第二章電磁輻射與材料的相互作用第三章粒子（束）與材料的相互作用

第四章材料現(xiàn)代分析方法概述

第二篇衍射分析

第五章X射線衍射原理

第六章X射線衍射方法

第七章X射線衍射分析的應(yīng)用

第八章電子衍射

第三篇電子顯微分析

第九章透射電子顯微分析

第十章掃描電子顯微分析與電子探針

第四篇光譜、電子能譜分析

第十一章原子光譜分析法

第十二章分子光譜分析法

第十三章電子能譜分析法

第五篇其它分析方法

第十四章質(zhì)譜分析法與二次離子質(zhì)譜分析法

第十五章色譜分析法

第十六章電化學分析法

第十七章熱分析法

第十八章部分分析方法簡介

6.2教學重點、難點

重點：材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，各類特征譜基礎(chǔ)，電子束與材料的相互作用，X射線衍射

原理，多晶體衍射方法，物相分析；宏觀應(yīng)力分析，電子衍射原理，透射電子顯微鏡

工作原理及構(gòu)造，掃描電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造，原子光譜分析法，分子光譜分析

法，電子光譜分析法，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。

難點：倒易點陣，核磁共振、散射截面、衍射強度，物相定量分析，電子衍射運

動學理論，俄歇電子能譜。

6.3學時安排

序

教學內(nèi)容課時分配

號

1第1章電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)4

2第2章電磁輻射與材料的相互作用4

3第3章粒子與材料的相互作用2

4第4章材料現(xiàn)代分析方法概述2

5第5章X射線衍射原理4

6第6章X射線衍射方法4

7第7章X射線衍射分析的應(yīng)用2

8第8章電子衍射4

9第9章透射電子顯微鏡4

10第10章掃描電子顯微分析與電子探針4

11第11章原子光譜分析法4

12第12章分子光譜分析法2

13第13章電子能譜分析法2

14第14章其它分析方法簡介2

15習題與復(fù)習4

合48

計

7.課程實施

7.1教學單元一

7.1.1教學日期

2017年3月28日

7.1.2教學目標

理解波粒二象性的含義和原子能態(tài)的表示

7.1.3教學內(nèi)容（含重點、難點）

1.1電磁輻射與物質(zhì)波，1.2材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（一）

重點:原子能態(tài)的表征

7.1.4教學過程

引言

材料：直接進入產(chǎn)品充當產(chǎn)品成分的物質(zhì)。特點是物理上不耗損，化學上不反應(yīng)。

一般為固態(tài)。

現(xiàn)代：以現(xiàn)代理論為基礎(chǔ)（量子力學，相對論）；以現(xiàn)代技術(shù)為依托（微電子技術(shù)，信

息處理技術(shù)，系統(tǒng)工程技術(shù)）。

與傳統(tǒng)分析方法比較，有以下特點：操作簡潔；過程快速；結(jié)論可靠；一機多用；

資源共享。

第一篇總論（材料現(xiàn)代分析方法基礎(chǔ)與概述）

第一章電磁輻射與材料結(jié)構(gòu)

第一節(jié)電磁輻射與物質(zhì)波

一.電磁輻射（光的波動性）：在空間傳播的交變電磁場（電磁波）。

特點：不依賴物質(zhì)存在；橫波；同一介質(zhì)中波速不變；真空光速極限3X10'm/s）

主要物理量：振幅；頻率；波長；相位。

光的粒子性：

光電效應(yīng)表明電磁輻射具有粒子性。

愛因斯坦的光電理論（1905年，1916年由密立根實驗證實）：

Ek=hv-W

式中：Ek為電子的動能；W為電極材料的功函數(shù)。

電磁輻射的波粒二象性：

E=hv（1-2）

p=h/X（1-3）

普朗克常數(shù)h=6.626X10"J.s

二電磁波譜

將電磁波按波長（或頻率）順序排列即構(gòu)成電磁波譜。分為三部分：

（1）長波部分：射頻波及微波，常稱波譜。

（2）中間部分：紫外線，可見光及紅外線，常稱光譜。

（3）短波部分：X射線及射線（及宇宙射線），常稱射線譜。

三物質(zhì)波

實物粒子：靜止質(zhì)量m0不為0的物質(zhì)顆粒。

德布羅意假設(shè)：運動的物體也具有波粒二象性

第二節(jié)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（一）

材料一般指固態(tài)物質(zhì)（固體）。

由于固體中原子的鍵合方式不同，形成三種形態(tài)：

（1）分子態(tài)：以獨立的分子形態(tài)存在（如高分子材料）。

（2）晶態(tài)（晶體）：結(jié)構(gòu)基元在三維空間有規(guī)則排列（如NaCl,單晶硅等）。

（3）非晶態(tài)：結(jié)構(gòu)基元的排列沒有明確的規(guī)則（如玻璃）。

一原子能態(tài)極其表征

1原子結(jié)構(gòu)與電子量子數(shù)

原子結(jié)構(gòu)：由原子核和繞核運動的電子組成；每一個核外電子都具有確定的運動

狀態(tài)（原子軌道），相應(yīng)地具有確定的能量；電子的運動狀態(tài)改變時，能量值發(fā)生跳

變（量子化）。

能級圖：按一定比例以一定高度的水平線代表一定的能量（能級），并把電子各個

運動狀態(tài)的能量按大小順序由下往上排列而構(gòu)成的梯級圖形。

弗蘭克-赫茲實驗儀器：1914年弗蘭克和赫茲用低速電子去轟擊原子，觀察測量到

汞的激發(fā)電位和電離電位，即著名的Franck-Hertz實驗，從而證明原子內(nèi)部量子化

能級的存在。

量子力學指出：核外電子的運動狀態(tài)和能量狀態(tài)由主量子數(shù)n,角量子數(shù)1,磁量子

數(shù)m,自旋量子數(shù)s和自旋磁量子數(shù)n表征。

主量子數(shù)n

（1）取值：1,2,3,4,5,…常用K,L,M,N,0,…表示。

（2）表征電子離核的平均距離，n值相同的原子軌道處于同一電子層，該層電子的

主要能量（主能級能量）：

En=-Z2R/n（1-8）

式中：Z一原子序數(shù);R—里德伯常數(shù)，無限大質(zhì)子質(zhì)量的氫的非相對論電離勢。

R.e72K22X10l8J=13.6eV。

角量子數(shù)1

（1）取值n個：0,1,2,3,-??n-lo分別用s,p,d,f,-??表示，表明在n

級電子層上有n個電子亞層。

（2）表征原子軌道的形狀和電子軌道運動角動量大小

磁量子數(shù)m

（1）取值：0,±1,±2,±3,…士1。表明在1亞層上有21+1個空間伸展方向不

同的原子軌道。

（2）表征電子軌道角動量在外磁場方向分量的大?。?/p>

n,1,m共同表征電子的軌道運動，而s,ms表征電子的自旋運動

ms取值±1/2,它表明電子自旋只有兩個方向：正自旋和反自旋（順時針或反時針

方向）。

2原子能態(tài)與原子量子數(shù)

在多電子原子中，除電子與核的相互作用外，還存在電子之間的相互作用。

量子理論將其分解為軌道-軌道相互作用（各電子軌道角動量之間的作用），自旋-自

旋相互作用（電子自旋角動量之間的作用）及自旋-軌道相互作用（電子自旋角動量與

其軌道角動量之間的作用）并將軌道-軌道及自旋-自旋相互作用合稱為剩余相互作

用。將這些角動量加和組合（稱偶合）便能得到表征原子運動狀態(tài)和能態(tài)的原子量子

數(shù)。

量子理論將偶合過程分為J-J偶合與L-S偶合兩種方式

J-J偶合是指剩余相互作用小于自旋-軌道相互作用時，先求出每一個電子的自旋-

軌道角動量，再加和組合成總（自旋-軌道）角動量PJo此種偶合方式適用于重元

素原子。

L-S偶合是指剩余相互作用大于自旋-軌道相互作用時，先求出總自旋角動量PS和

總軌道角動量PL,再加和組合為總（自旋-軌道）角動量Pj：

3原子基態(tài)，激發(fā)，電離及能級躍遷

無外部能量輸入時，原子核外電子遵從能量最低原理，包利不相容原理（和洪特規(guī)則）

分布于各個能級上，此時原子處于能量最低狀態(tài)，稱為基態(tài)。

有電子由基態(tài)跳變到較高能級上后的原子狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)，由基態(tài)跳變到激發(fā)態(tài)的過

程叫激發(fā)。

激發(fā)所需要的能量叫激發(fā)能，常用電子伏特（eV）表示,稱激發(fā)電位。

電子在能級之間的跳變叫躍遷，電子由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（退激發(fā)）有兩種方式：

輻射躍遷：躍遷前后的能量差以電磁輻射的形式釋放。

無輻射躍遷：躍遷前后的能量差以其他形式釋放。

原子中的電子脫離核的約束的現(xiàn)象叫電離，電離所需能量叫電離能，常以電子伏特

（eV）表示，稱電離電位。

二分子運動與能態(tài)

分子由原子組成，能以單分子形態(tài)存在的固體中，原子間的結(jié)合鍵為共價鍵；原子

間以離子鍵結(jié)合的固體一般都以晶態(tài)存在。我們只討論共價鍵分子。

1分子總能能量與能級結(jié)構(gòu)：

一般近似認為分子總能量E由分子中各原子的核外電子軌道運動能量Ee,原子相對

振動能量Ev及整個分子繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動的能量Er組成：

E=Ee+Ev+Er

由于Ee（電子運動能），Ev（分子振動能）和Er（分子轉(zhuǎn)動能）都是量子化的，因此分

子能級由電子能級，振動能級和轉(zhuǎn)動能級構(gòu)成。

同一電子能級因振動能量不同而分為若干振動能級；而同一振動能級又因轉(zhuǎn)動能量

不同而分為若干轉(zhuǎn)動能級。

2分子軌道與電子能級

分子軌道理論認為：原子形成分子后，價電子不再定域在個別原子內(nèi)，而是在遍及

整個分子范圍內(nèi)運動；而且每一個電子都可以看成是在原子核和其余電子共同提供

的勢場作用下在各自的軌道（分子軌道）上運動。

分子軌道可以近似看成原子軌道的線性組合;分成鍵軌道（能量較參與組合的原子軌

道能量低）和反鍵軌道（能量較參與組合的原子軌道能量高）。

按價鍵理論，具有未成對電子的原子相互靠近時，可因未成對電子配對而使原子軌

道部分重疊形成分子軌道，自旋反向的未成對電子配對形成成鍵軌道，自旋同向的

未成對電子配對形成反鍵軌道。

3分子的振動與振動能級

(1)雙原子分子的振動：分子中原子于平衡位置為中心的相對(往復(fù))運動。可近似

用彈簧諧振子模擬。

分子振動與彈簧諧振子相比，不同之處在于其振動能量是量子化的。

按量子理論推導(dǎo)，有：

Ev=(V+l/2)h(1-13)

式中：Ev一分子振動能；

V一振動量子數(shù)，取值：0,1,2,…

h-普朗克常數(shù)。

⑵多原子分子的振動

多原子分子的振動比雙原子分子的振動要復(fù)雜得多，可分為伸縮振動和變形振動兩

大類：

伸縮振動：原子沿鍵軸方向的周期性(往復(fù))運動；鍵長變化而鍵角不變。

變形振動：也稱變角振動或彎曲振動；基團的鍵角變動而鍵長不變。

三原子的磁矩和原子核磁矩

1原子的磁矩

⑴原子的軌道磁矩：原子中的電子繞核作軌道運動相當于一個電流回路，因此會產(chǎn)

一個軌道磁矩

(2)核磁矩：核自旋產(chǎn)生核磁矩用，它與核自旋角動量PI的關(guān)系為：

HI=YIPI式中：

。叫核磁旋比。

四固體的能帶結(jié)構(gòu)

(1)能帶的形成：原子的核外電子在原子軌道上運動并處于不同的分立能級上，當

許多原子相互靠近形成晶體時，由于原子的相互影響會發(fā)生原子軌道的交疊并出現(xiàn)

能級分裂現(xiàn)象。量子理論指出：在由N個原子構(gòu)成的晶體中，發(fā)生交疊的原子軌道

的每一個能級將分裂為N個能量值稍有差別的能級。他們的差值極小，以至可以看

成是連續(xù)分布的，即形成有一定寬度的能帶。

2能帶結(jié)構(gòu)的基本類型及相關(guān)概念

(1)能帶沿用能級分裂前的原子能級名稱命名，如：2P能帶，3s能帶，…

(2)原子不同能級分裂形成的能帶之間可能存在間隙，稱為禁帶；禁帶寬度叫能隙。

能帶與能帶之間也可能發(fā)生重疊。

(3)與原子基態(tài)價電子能級相應(yīng)的能帶叫價帶，高于價帶的能帶叫導(dǎo)帶。

(4)由于原子核的強烈吸引和外層電子的屏蔽作用，原子的內(nèi)層電子軌道幾乎不交

疊，故內(nèi)層能級(芯能級)保持孤立原子特征。

(5)能帶中所有能級都被電子填滿則稱為滿帶。

(6)能帶中各能級均無電子則稱為空帶。

絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶特征：

(1)絕緣體：價帶為滿帶，價帶與最底空帶(導(dǎo)帶)之間的禁帶寬度較寬(>3~6eV)。

(2)半導(dǎo)體：與絕緣體相似，只是禁帶寬度較窄(0.l~2eV)。

(3)導(dǎo)體：價帶未被電子填滿，或雖被電子填滿但與另一相鄰空帶緊密相接(或重

疊)。

7.1.5教學方法

結(jié)合多媒體講授

7.1.6作業(yè)安排及課后反思

作業(yè)：P22,1-2,1-4,1-6

7.1.7課前準備情況及其他相關(guān)特殊要求

對這一部分內(nèi)容,學生比較熟悉,可泛泛而講

7.1.8參考資料(具體到哪一章節(jié)或頁碼)

1.《材料現(xiàn)代分析方法》，左演聲