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1、材料分析第一章 X射线衍射分析1、 什么是X射线谱？从X射线管中发出的X射线包括哪几部分？答：X射线谱：从X射线管中发出的X射线是包含许多不同波长的X射线，在比较高的管电压下X射线管，并用X射线分光计实验测量其中各个波长的X射线强度，可得波长与强度的关系曲线，即为X射线谱。X射线管中发出的X射线包含两种不同的波谱：一种是连续X射线谱，另一种是特征X射线谱。连续谱是由波长连续变化的X射线构成；特征X射线谱由有一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成。2、 K射线和K射线是怎样产生的？这两种射线中哪种射线强度大，为什么？X射线衍射用的是哪种射线，这种射线的组成是什么？ 答：A、当K电子被打出K

2、层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。同样当K空位被M层电子填充时，则产生K辐射。B、M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量； 但因LK层跃迁的几率比MK迁附几率大，故K辐射强度比K辐射强度大五倍左右。C、在X射线分析中，我们一般选用K谱线作为X射线源，组成是由两条谱线K1和K2组成的，它们分别是电子从L3和L2子能级跳入K层空位时产生了。3、 什么是光电吸收？伴随光电吸收而产生什么光电信号，这些光电信号是如何产生的，请描述其产生过程，并图示之。答：当X射线的波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来，而它本身被

3、吸收。它的能量就传递给该电子了，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。这个过程称之为光电吸收。伴随光电吸收而产生的有荧光X射线和俄歇电子。因为光电吸收后，原子处于高能激发态，内层出现了空位，这时外层电子往此空位跳，就会产生标识X射线，这种由X射线激发出的X射线我们称为荧光X射线。另一方面当外层电子跃入内层空位时，其多余的能量也可以不以X射线的形式放出，而是传递给其他外层的电子，使之脱离原子，这样的电子称为俄歇电子：首先，外来的激发源与原子发生相互作用，把内层轨道（W）上的一个电子激发出去，形成一个空穴。外层（X）轨道的一个电子填充到内层空穴上，产生一个能量释放，促使次外层（Y

4、）轨道的电子激发发射出来而变成自由的俄歇电子。4、倒易点阵的指导思想及其本质是什么？指导思想：倒易点阵的一个结点对应空间点阵的一个晶面，二维问题一维化处理 。本质：（1）g*矢量的长度等于其对应晶面间距的倒数 ，g*hkl=1/dhkl （2）g*矢量方向与晶面相垂直，g*/N(晶面法线)。5、 写出布拉格方程，说明每个参数代表什么，对布拉格方程进行讨论；说明布拉格方程的应用。布喇格方程：2d sin = n，式中：d晶面间距；-半衍射角；-入射线波长；n-整数，即衍射级数。讨论：（1）干涉面指数： ，如令 ，则 ，干涉指数有公约数n，而晶面指数只能是互质的整数。当干涉指数也互为质数时，它就代

5、表一组真实的晶面，因此，干涉指数为晶面指数的推广，是广义的晶面指数。(2) 衍射条件分析：X射线的波长必须小于参与反射的晶面中最大晶面间距的2倍，即X射线的波长应与晶体的晶面间距相当且晶面间距大于入射X射线波长的一半。因为：Sin=n/ 2d（hkl）1，所以：n2d（hkl）/。但：n1，即:波长一定，一组晶面衍射X射线的方向有限。n = 2d sin，| sin | 1； n / 2d = | sin | 1，当n = 1 时， 2d 即d / 2。当入射X射线的波长一定时，利用这个关系，我们可以判断哪些晶面能产生衍射以及产生衍射晶面的数目。X射线的波长越短，能产生衍射的晶面越多。但波长太

6、小，掠过角就很小，这对仪器测量来说是困难的。 （3）选择反射Bragg方程反映了X射线在反射方向上产生衍射的条件，借用了光学中的反射概念来描述衍射现象。与可见光的反射比较，X射线衍射有着根本的区别：A、单色射线只能在满足Bragg方程的特殊入射角下有衍射。B、衍射线来自晶体表面以下整个受照区域中所有原子的散射贡献。C、衍射线强度通常比入射强度低。D、衍射强度与晶体结构有关，有系统消光现象。E、只有晶体才能发生衍射，而非晶体也可发生光的反射。应用：(1)已知 ，测角，计算d；（2)已知d 的晶体，测角，得到特征辐射波长 ,确定元素，X射线荧光分析的基础。6、假设底心晶胞的结构因子Fhkl= 请讨

7、论该晶胞产生衍射的条件。(1) 当h,k都为奇数或偶数时，(h+k)为偶数，此时1+(-1)(h+k)=2，则Fhkl=2f，产生最强的衍射。(2) 当h奇k偶或h偶k奇时，(h+k)为奇数，1+(-1)(h+k)=0，则Fhkl=0，衍射强度为零，系统消光。可见，对底心晶胞结构而言，当h奇k偶或h偶k奇时，衍射都将消失，系统消光。当h,k同为奇或同为偶时，衍射强度最大。因此，(110)、(200)、(220)、(310)均有反射，而(100)、(210)、(320)无反射。与这些反射面对应的例易点组成了一个底心的倒易点阵。7、进行物相定性分析的理论依据是什么？物相分析步骤是什么？答:依据：任

8、何一种物相都有其特征的衍射谱；任何两种物相的衍射谱不可能完全相同；多相样品的衍射峰是各物相衍射峰的机械叠加。步骤： 粉末衍射图谱的获得：粒度：10-40m 尽量避免择优取向， d 值的测量： 2d（分析软件之间转换）， 相对强度的测量8、物相定量分析的基本原理。K值法分析物相含量的公式为，请说明公式中各参数代表什么，并阐述用K值法进行物相定量分析的过程。原理：（1）多相混合物中，某一相衍射线的强度随该相含量的增加而增加 “强度”与“含量”一般是曲线关系。（2）获得物相含量与强度的关系曲线，实验测得的强度算出该种物相的含量。参数：表示加入内标物质S后，试样中第j相和内标物质S的选定衍射强度。试样

9、中第j相和内标物质s的质量分数。是一个常数步骤： 确定K值； 选取已知掺量 s的内标物质S与待分析试样配制成混合试样； 测定掺入S后的混合试样的Ij、Is值； 根据基本公式：=或算出。9、写出谢乐公式，说明各参数分别表示什么? 利用该公式计算晶粒大小时应注意哪些问题?公式：Dhkl是垂直于（hkl）面方向的晶粒尺寸（单位为）；为所用X射线波长；是由于晶粒细化引起的衍射峰（hkl）的宽化（单位是Rad）；K为一常数。若为衍射峰的半高宽，则K=0.89，若取衍射峰的积分宽度，则K=1。适用范围：晶粒尺寸为101000 。第二章 电子显微分析1、什么是场深？什么是焦长？答：焦深:在不影响透镜成像分辨

10、率的前提下，像平面可沿透镜轴向移动的距离。场深反映了观察屏或照相底板可在像平面上、下沿镜轴移动的距离。2、二次电子和背散射电子是如何产生的？各自能量有什么特点？随原子序数的变化，哪种电信号的产额有明显的变化，有何应用？答：背散射电子：电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于90，重新从试样表面逸出，称为背散射电子，这个过程称为背散射。背散射电子能量：大于50eV。背散射电子像：扫描电镜和电子探针中应用背散射电子成像，称为背散射电子像。特征：1)弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多2)能量高，例如弹性背散射，能量达数千至数万ev 3)背散射电子束来自样品表

11、面几百nm深度范围4)其产额随原子序数增大而增多5)用作形貌分析、成分分析（原子序数衬度）以及结构分析（通道花样）。二次电子：在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此，外层的电子较容易和原子脱离，使原子电离。二次电子流用IS表示。二次电子常用作扫描电子显微镜的成像信号。二次电子的特征： 1) 二次电子能量较低。2) 对样品表面化状态十分敏感，能有效地反映样品表面的形貌3)产额与原子序数间没有明显关系，不能进行成分分析。3、磁透镜的像差是怎样产生的?像差的特点是什么？电磁透镜的像差分为哪几类？如何来消除和减少像差? 答:下面分别讨论球差、像散

12、和色差的产生的原因。1.球差：球差即球面像差，是磁透镜中心区和边沿区对电子的折射能力不同引起的，其中离开透镜主轴较远的电子比主轴附近的电子折射程度过大。减小球差可以通过减小CS 和a来实现，用小孔径成像时，可使球差明显减小 2 像散：像散是由于电磁透镜的轴向磁场非旋转对称引起。原 因：极靴内孔不园、上下极靴不同轴、极靴材质磁性不均匀、极靴污染。可以通过引入一强度和方位都可以调节的矫正磁场来进行补偿。在电镜中，这个产生矫正磁场的装置是消像散器。3 色差：色差是由入射电子的波长或能量的非单一性造成的。若入射电子的能量出现一定的差别，能量大的电子在距透镜光心比较远的地方聚焦，而能量低的电子在距光心近

13、的地方聚焦，由此产生焦距差。像平面在远焦点和近焦点间移动时存在一最小散焦斑RC。色差系数和球差系数均随透镜激磁电流的增大而减小减少色差的主要措施：稳定加速电压和透镜电流。制备较薄的待检测样品：减少透射电子的能量损失。4、透射电镜样品一般有哪三种类型？无机非金属块体材料制备成透射电镜样品的常用方法是什么？请阐述其具体做法。答：透射电镜的样品：1、粉末样品2、薄膜样品3、复型样品无机非金属块体材料：离子轰击法。(1)初减薄制备厚度约100-200m的薄片(2)预减薄机械减薄抛光为30-40m的薄片(3)从薄片上切取2.5-3mm的圆片(4)终减薄抛光将圆片装入离子轰击减薄装置进行减薄和抛光。5、扫

14、描电镜的成像信号有哪几种？不同的电信号所形成的扫描电子像分别包含哪些信息？答：成像信号：吸收电子、背散射电子、二次电子背散射电子：（1）背散射电子能量很高，其中相当部分接近入射电子E0,在试样中产生的范围大，像的分辨率低（2）背散射电子发射系数随原子序数增大而增大（3）虽然作用体积随入射束能量增加而增大，但背散射电子发射系数受入射束能量影响不大（4）当试样表面倾角增加时，作用体积变化，将显著增加背散射电子发射系数（5）背散射电子在试样上方有一定的角分布。二次电子：（1）能量小于50ev，主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高；2、二次电子发射系数与入射束的能量有关。在入射束能量大于一

15、定值，随着入射束能量增加，二次电子发射系数减小；二次电子发射系数与试样表面倾角有关。3二次电子在试样上方的角分布，二次电子发射方向不受试样倾斜的影响。吸收电子：吸收电流与背散射电子电流存在着互补关心，因而可以认为吸收电子流与背散射电子流反应式样相同的信息。6、二次电子扫描像为什么可以反映样品表面或断面的形貌信息，并用二次电子的激发过程示意图说明。答：因为：二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强。第三章 差热分析1、右图为理想的DTA曲线，请对此图进行详细解释。答：AB段当试样无热反应时，TS=TR，记录仪将记录一条平行于横轴的直线，为DTA曲线的基线。当试样有热效应时，TSTR，

16、记录笔将发生偏转，偏离基线，曲线将产生峰。 BCD: TSTR T0，形成峰谷，为吸热过程。 EFG: TSTR T0，形成峰，为放热过程。G之后：热反应结束后， TS=TR，记录笔将回到基线处。峰的个数：表示物质发生物理化学变化的次数，峰的方向：代表热效应的正负，峰与基线包围的面积：代表发生热效应的多少，峰的位置：表示物质发生变化的转化温度。2、什么是差热分析？差热分析对样品和参比物有什么求？答：差热分析（DTA）：在程序控温时，把试样和参比物放在同一温度环境下，测量试样和参比物之间的温度差随温度（时间）而变化的方法：TT（或t）。测定和记录失水、分解、相变、氧化还原、升华、熔融、晶格破坏和

17、重建，物质相互作用等物理化学现象，并借以判定物质的组成及反应机理。样品： 1.粉末试样的粒度均通过100300目筛；聚合物应切成碎块或薄片；纤维状试样应切成小段或制成球粒状；金属试样应加工成小圆片或小块等。2.为使试样的导热性能与参比物相近，常在试样中添加适量的参比物使试样稀释。3.尽可能使试样与参比物有相近的装填密度。参比物：整个测温范围无热反应、比热与导热性与试样相近、粒度与试样相近（100300目筛）常用的参比物：Al2O3（经1270K煅烧的高纯氧化铝粉Al2O3晶型）3、差热分析仪由那几个部分构成？各有什么作用？答：差热分析装置：加热系统、温度控制系统、信号放大系统、差热系统、记录系

18、统等。1、加热炉：炉内有均匀温度区，使试样均匀受热；程序控 温，以一定的精确速率均匀升（降）温；电炉热容量小，便于调节升、降温速度；炉子的线圈无感应现象，避免对热电偶电流干扰；炉子体积小、重量轻。2、温度控制系统：以一定的程序来调节升温或降温的装置，变温速率范围1100K/min，常用的为120K/min。3、信号放大系统：通过直流放大器将差热电偶产生的的微弱的温差电动势放大、增幅、输出，已足够的能量使伺服电动机转动，带动记录笔记录出差热曲线。4、差热系统：核心部分：样品室、热电偶、试样坩埚等组成。（1）热电偶：差热分析的关键元件：能测定较的温度，测温范围宽，长期使用无物理、化学变化，高温下耐

19、氧化、耐腐蚀；足够的机械强度，价格适宜。（2）试样容器：在耐高温条件下选择传导性好的材料。材料：陶瓷材料、石英质、刚玉质和钼、铂、钨等。5、记录系统：双笔记录仪，微机进行自动控制和记录，并可对测试结果进行分析。6、气氛控制系统和压力控制系统：提供气氛条件和压力条件，增大了测试范围4、影响差热分析的因素有哪些，请说明？答：外因：仪器结构、操作及实验条件 升温速率、压力、气氛等内因：样品本身的特性、试样的粒度、参比物的选择、试样的用量和装填。1、升温速率：当升温速率增大时，单位时间产生的热效应增大，峰顶温度通常向高温方向移动，峰形陡，峰的面积也会增加。2、压力和气氛：加热放出气体的试样，其分解温度

20、受产物气相的控制，随着产物气相压力的增高，试样分解温度向高温方向移动。3、试样的用量及装填：试样用量多，热效应大，峰顶温度滞后，容易掩盖邻近小峰谷。以少为原则。 硅酸盐试样用量：0.20.3克 。装填要求：薄而均匀，试样和参比物的装填情况一致。4、试样粒度：试样颗粒越大，峰形趋于扁而宽。反之，颗粒越小，热效应温度偏低，峰形变小。颗粒度要求：100目-300目（0.04-0.15mm）。5、参比物的选择：整个测温范围无热反应比热与导热性与试样相近，粒度与试样相近（100300目筛）6、稀释剂的影响7、走纸速度的选择。5、什么是热重分析？什么是差示扫描量热分析？答：热重分析：在程序温度下，测量物质

21、的质量与温度的关系的技术。差示扫描量热分析法（DSC）通过对试样因热效应而发生的能量变化进行及时补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。灵敏度和精度大有提高，可进行定量分析。6、影响热重曲线的主要因素有哪些？影响热重法测定结果的因素大致有下列几个方面：仪器因素，实验条件和参数的选择，试样的影响因素等。1、升温速度的影响：升温速率越大,热滞后现象越严重，往往导致热重曲线上的起始温度Ti和终止温度Tf偏高。另外，升温速率快往往不利于中间产物的检出，在TG曲线上呈现出的拐点很不明显。2、试样量、粒度及装填方式的影响：试样量要少，一般25mg；粒度越细越好

22、；尽可能将试样铺平。3、气氛的影响：气氛对热重曲线的影响与反应类型、分解产物的性质和所通气体的类型有关。4、挥发物的冷凝：失重结果偏低、假失重、TG曲线变形。5、浮力的影响：空气温度越高，浮力越小，将会产生表观增重增重现象。实用校正方法是做空白试验，(空载热重实验)，消除表观增重。第四章 振动光谱1、红外光谱图的坐标是什么？组成要素有哪几个，请阐述。答：谱图的横坐标有两种量纲，一种是波长（um），另一种是波数（cm-1），纵坐标用透过率%表示（或用吸光度表示）。组成要素：谱带数目、吸收带位置、谱带的形状、谱带的强度。2、分子吸收红外光必须满足哪两个条件？答：1、红外光的能量应恰好能满足振动能级

23、跃迁所需要的能量，当红外光的频率与分子中某基团的振动频率相同时，红外光的能量才能被吸收。2、红外光与物质之间有耦合作用。分子必须有偶极矩的变化。3、红外光谱带划分可分为哪两个区？各有什么特征？答：官能团区（特征谱带区）和指纹区（中红外区）1、官能团区4000cm-11333cm-1，确定主要基团2、指纹区1333cm-1667cm-1指纹区可以表示整个分子的特征，用来鉴别烯烃的取代程度、提供化合物的顺反构型信息；确定苯环的取代基类型等。4、红外光谱图中谱带数目由那些因素决定?答：1、谱带的数目与分子振动自由度有关，理想状态下，振动自由度的数目与谱带数目相等，如H2O的振动自由度为3，其红外吸收

24、谱图中会出现3个吸收谱带，这是理想状况。2、谱带的数目也与振动发生简并有关，如果有振动发生简并，则谱带数目减少，如在CO2分子的四个振动形式中，两个扭动振动频率相等，发生简并，在红外光谱图中这两个扭动振动产生一个吸收谱带。3、无瞬间偶极矩变化时，无红外吸收（即振动形式非红外活性的）。如CO2的四个振动形式中，有一个对称伸缩振动，该振动无偶极矩变化，无红外活性，不吸收红光，不产生谱带。4、另外与仪器性能也有关，仪器性能不好，分辨率低，有可能使吸收谱带数减少。5、影响红外光谱谱带位置（位移）的因素有哪些？各起到什么作用？答：内部因素(1)诱导效应：力常数变大时，吸收峰发生紫移。(2)共轭效应：由于

25、分子中形成大键所引起的效应，称为共轭效应。它使电子云密度平均化，造成双键略有伸长，键的力常数变小，吸收峰红移。(3)空间效应：张力大伸缩频率高。例如四元环与五元环上均有碳基存在时，由于四元环的张力比五元环大，因而四元环中碳基的伸缩频率较高。(4)氢键：氢键的形成使基团频率降低。氢键XH.Y形成后，XH的伸缩振动频率降低，峰形变宽，吸收强度增加。外部因素(1)物质的状态：物质处于气态时，分子间相互作用力很弱，IR吸收峰较为尖锐，可以观察到伴随振动光谱的转动精细结构；液体或固体的IR谱，由于分子间的作用力强，不出现转动精细结构，吸收峰的频率有所降低。(2)溶剂效应：在化合物以溶液状态绘制IR谱图时

26、，由于溶剂的种类、溶液的浓度不同，所得到的吸收光谱不同的现象。最常见的溶剂效应：极性基团的伸缩振动频率随溶剂极性的增大而向低波数方向位移红移，吸收峰往往增强，原因：极性基团和极性溶剂分子之间形成氢键。消除溶剂效应方法：采用非极性溶剂，如CCl4,CS2等，并以稀溶液来获得红外吸收光谱。6、红外测试样品中固体样品的制样方法有哪些？请说明。答：1 .气体样品 气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入2 .液体和溶液试样（1）液体池法：沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.011mm（2）液膜法：较高的试样，

27、直接直接滴在两片盐片之间，形成液膜。3 . 固体试样（1）压片法：将12mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（510） 107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用语测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。（2）石蜡糊法：将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。（3）薄膜法主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。当样品量特别少或样品面积特别小时，采用光束聚光器，并配有微量液体池、微量固体池和微量气体池，采用全反射系

28、统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量。7、拉曼光谱与红外光谱分析方法的异同点有哪些答：1使用光源不同2都能提供分子振动频率的信息，但物理过程却不同。Raman为发射光谱，IR是吸收光谱。3、Raman散射过程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率变化，是拉曼活性的；红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极矩的变化，故通常是红外活性的。 第五章 光电子能谱分析1、什么叫做弛豫过程？处于高能量状态的原子有哪两种去激方式？答：驰豫：原子受激后，处于高能状态。此时原子有向低能态转变的趋势。原子从受激态跃迁

29、至低能态的过程称为驰豫过程。去激方式：2、光电子能谱仪（XPS）由哪几部分组成？各有什么作用？答：X射线激发源、能量分析器、电子检测器、计算机系统、真空系统。1、真空系统：保持样品表面的清洁、保证光电子不与真空中的残余气体分子发生碰撞作用而损失能量2、激发光源：X射线光电子能谱仪的激发光源是特征X-ray，目前常用的特征X射线有Al和Mg的K射线。3、光电子能量分析器：光电子能量分析器是XPS的中心部件，功能是测量从样品表面激发出的光电子的能量分布4、检测器：常用电子倍增管作为探测器，目标是测量电子的数目5、计算机系统：控制谱仪、采集数据、谱图的计算机处理。3、光电子能谱分析的主要功能是什么？

30、答：1、探测表面的元素组成：不同元素其内层电子的能量具有高度特征性的，因此能谱图中各个能级特征峰就反映了样品表面元素的种类(H、He除外) 。2、确定各元素化学态：原子所处化学环境的变化引起的谱峰位移。3、进行半定量分析：谱峰强度，包括峰高和峰面积第七章 色谱法1、色谱分离的原理是什么？根据分离机制可将色谱法分为哪几类？答：按分离机制分：1、分配色谱：利用分配系数的不同2、吸附色谱：利用物理吸附性能的差异3、离子交换色谱：利用离子交换原理4、空间排阻色谱：利用排阻作用力的不同色谱分离原理 ：色谱分离基于各组分在两相之间平衡分配的差异，平衡分配可以用分配系数和分配比来衡量。2、色谱法具有的优点和

31、缺点有哪些？答：优点：“三高”、“一快”、“一广”高选择性可将性质相似的组分分开。高效能反复多次利用组分性质的差异，产生很好分离效果。高灵敏度10-1110-13g，适于痕量分析。分析速度快几几十分钟完成分离 一次 可以测多种样品。应用范围广气体，液体、固体物质，化学衍生化再色谱分离、分析。 缺点： 对未知物分析的定性专属性差，需要与其他分析方法联用。3、三甲基硅烷化技术的基本原理是什么？答：1、基本反应用硅烷化试剂与载体表面硅醇基反应，使生成硅烷醚，以除去表面氢键作用力。如2、硅酸盐的三甲基硅烷化反应硅酸盐在一定条件下与含-Si（CH3)3的试剂如三甲基氯硅烷、六甲基二硅醚等作用，其中不同聚合形态的硅酸根将发生各自的硅烷化反应，生成三甲基硅烷化衍生物。以二硅酸盐为例其反应式如下：综合：假设一种未知矿物，请问如何采用现代分析测试方法对其化学组成、性质及结构基团进行分析。