材料结构分析.doc

考试地点：A204 考试时间； 3月13日上午9点到11点1 简述X射线衍射分析的特点和应用答：1）X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。2）X射线衍射分析的应用 物相分析点阵常数的精确测定应力的测定晶粒尺寸和点阵畸变的测定单晶取向和多晶织构测定2 简述X射线衍射仪的结构和工作原理答：1）X射线衍射仪由X射线发生器、测角仪和探测记录系统等 3部分组成2）其工作原理是：粉末样品经一束平行的单色 X射线垂直照射后，产生一组以入射线为轴的同轴反射圆锥面族，计数管绕样品旋转,依次测量各反射圆锥面2角（即衍射角，又称布喇格角）位置的衍射线强度，即可获得表征物相的各种衍射数据，从而进行物相鉴定和晶体结构的研究。1 Lambert-Beer定律的物理意义是什么？浓度C与吸光度A线性关系发生偏离的主要因素有哪些？物质的摩尔吸光系数与那些因素有关？答：1）物理意义：当一束平行单色光垂直照射某一均匀的非散射吸光物质溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c和液层厚度b的乘积成正比，此即朗伯比尔（LambertBeer）定律，其数学表达式为：吸光系数的物理意义：吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度。是定性和定量的依据。2）在光度法中有一条标准曲线，应该是直线，但是在实际绘制中却常常出现弯曲情况。如果标准曲线弯曲，测定数据必带来很大的误差，故应努力找出原因设法解决之。一般来说引起标准曲线弯曲的主要原因有如下几种：（一）比尔定律的局限性 比尔定律为：A=KC即AC 这是在溶液很稀的情况下，即各溶质质点互不干扰时才成立。溶液较浓时，溶液中的有色配合物会互相吸引、排斥，光线在质点之间发生反射，使出射光线发生改变，从而使比尔定律失效。一般来说，C 越大，偏离也越大。所以比尔定律只在浓度小于0.01mol/L稀溶液中成立，适用。（二）非单色光所引起的偏离 在朗伯-比尔定律中A=bc ，是一个与波长有关的常数，对于同一个有色吸光物质来说，不同波长的光其吸收大小不同的，即是不同的。 如果在分光光度计中使用的光不是单一波长的光，而是由许多波长的光组成的，那么就会引起A的数值发生变化，而且波长相差越大、波长范围越宽误差越大。 故在仪器制造厂里总是尽可能使分光光度计的波长宽度小一点，目前普通仪器是6 nm, 较好一点为2 nm。（三） 化学因素引起的偏离(1)有色物质的离解、缔合、互变异构所引起的偏离。 由于大多数的有色物质都是弱酸、弱碱或者是配合物。当浓度 C 改变时，它们的电离度也会发生改变，从而当 C 增大时，电离度变小，使有色质点增大过多，从而使吸光度A也偏大，结果使之偏离比尔定律。(2) 介质不均匀性引起的偏离 朗伯-比尔定律在均匀、非散射时可成立，当介质不均匀，或有胶体、乳浊、悬浮体存在时，入射光除了被吸收外，还有反射、折射损失，故所测A值比实际吸收要大许多，导致偏离比尔定律。 引起工作曲线弯曲的原因还有一些，如：溶质的性质变化、操作不当等等。3）值取决于入射光的波长和吸光物质的吸光特性，亦受溶剂和温度的影响。2 产生红外吸收的条件是什么？红外吸收光谱与紫外可见吸收光谱在谱图的描述及应用方面有何不同? 答：A产生红外吸收需要满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。B 谱图描述上：红外用波长，更常用波数表征。可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述其吸收特征。紫外用波长来表征，用峰形来描述其跃迁类型。应用上：紫外：定性分析（通过emax计算吸收峰波长，确定共轭体系；各种异构体的判别、有机物分子量的测定）、 结构分析、 定量分析、 测定化学物理参数。 红外：主要用于定性分析（官能团定性分析、有机化合物结构分析、跟踪化学反应、在化学动力学研究中的应用），定量分析较少用。3 红外光谱仪与紫外可见分光光度计在主要部件上有何不同？特征区与指纹区是如何划分的？在光谱解析时有何作用？答：A光源：红外分光光度计中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度连续红外辐射。常用的有能斯特灯、硅碳棒和电热丝等。紫外可见分光光度计中的光源可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3502200 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。样品池：紫外用在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。红外用NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI 58%，TlBr42%）等材料制成窗片做样品池。检测器：红外常用的有三种：真空热电偶、高莱池(Golay cell)和电阻测辐射热计。紫外利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。另外，红外光谱仪的样品是放在光源和单色器之间；而紫外-可见分光光度计是放在单色器之后。B 官能团区(或称特征频率区，40001330cm-1)，羟基、胺基、甲基、亚甲基、羰基、羧酸盐基等官能团的特征吸收峰都出现在此区域。该区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。指纹区(1330667cm-1)，能反映分子结构的细微变化。这个区域出现的谱带是属于各种单键的伸缩振动和多数基团的弯曲振动(例如CC,CN,CO键等)。这个区域的振动类型复杂而且重叠,特征性差,但对分子结构的变化高度敏感,只要分子结构上有微小的变化,都会引起这部分光谱的明显改变。由此,每一个化合物在这个区域的震动都不同。1如何提高显微镜分辨本领，电子显微镜的分辨本领受哪些条件的限制？答：所谓分辨本领，是指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。通常，我们以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。电子透镜的分辨本领随加速电压的提高而提高。透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。对于光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响，但是电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。像差分球差、像散、畸变等，其中，球差是限制电子透镜分辨本领最主要的因素。2 透射电子显微镜的成像原理答：透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。 透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。 透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如图4-3所示。为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。由于物镜放大倍数较大，其物平面接近焦点，若物镜光阑的直径为D，则物镜孔径半角 可用下式来表示：小孔径角成像意味着只允许样品散射角小于 的散射电子通过物镜光阑成像，所有大于 的都被物镜光阑挡掉，不参与成像(图4.18)。在这里，我们利用散射截面这一概念，且定义其为散射角大于 的散射区。显然，若使n=e=，则表示，凡落入散射截面以内的入射电子不参与成像，而只有落在散射截面以外的才参与成像。3 扫描电子显微镜的工作原理是什么？SEM的工作原理是利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，经三个电磁透镜聚焦后，成直径为几个纳米的电子束。末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。设在试样附近的探测器把激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显像管的亮度。由于显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显像管上各点的亮度是由试样上各点激发出的电子信号强度来调制的，即由试样表面上任一点所收集来的信号强度与显像管屏上相应点亮度之间是一一对应的。因此，试样各点状态不同，显像管各点相应的亮度也必不同，由此得到的像一定是试样状态的反映。4 相对光学显微镜，透射电子显微镜和扫描电子显微镜各有哪些特点？答：扫描电镜：（1）目前大多数商品扫描电镜放大倍数为2020000 倍，并且连续可调。介于光学显微镜和透射电镜之间。这就使扫描电镜在某种程度上弥补了光学显微镜和透射电镜的不足。（2）扫描电镜以景深大而著名。（3）样品制备简单。5电子探针X射线显微分析仪有哪些工作模式？能谱仪和波谱仪的特点是什么？答：(1)定点元素全分析(定性或定量)(2)线扫描分析(3)面扫描分析能谱仪和波谱仪的特点1)能谱仪所用的Si(Li)探测器尺寸小，可以装在靠近样品的区域。2)分析速度快，可在23min 内完成元素定性全分析。3)能谱仪工作时，不需要象波谱仪那样聚焦，因而不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏23mm，适用于粗糙表面成分分析。4)工作束流小，对样品的污染作用小。5)能进行低倍X 射线扫描成象，得到大视域的元素分布图。6)分辨本领比较低(图4.81)，只有150eV(波谱仪可达10eV)。7)峰背比小，一般为100，而波谱仪为1000(图4.81)。8)Si(Li)探测器必须在液氮温度(77K)下使用，维护费用高，用超纯锗探测器虽无此缺点，但其分辨本领低。6 为什么透射电镜的要求非常薄，而扫描电镜无此要求？答：在透射电镜中，电子束是透过样品成像的，而电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很薄的薄膜样品。而扫描电镜是收集的电子束与样品作用后从表面溢出的各种信息。7 环境扫描电镜中，“环境”指什么？答：环境扫描电镜(缩写为ESEM)是低真空扫描电镜的一种。低真空扫描电镜是指其样品室外于低真空状态下，气压可接近3kPa。它的成像原理基本上与普通扫描电镜一样，只不过普通扫描电镜样品上的电子由导电层引走；而低真空扫描电镜样品上的电子被样品室内的残余气体离子中和，因而即使样品不导电也不会出现充电现象。“环境”指的就是样品室内的气体或液体。8 高分辨电镜是否指分辨率高的电镜？请简单讲述高分辨电镜的原理和优点。答：高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高分辨像。这种高分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的投影，因此又称为结构像。原理：加速电压为100kV或高于100kV的透射电镜(或扫描透射电镜)，只要其分辨本领足够的高，在适当的条件下，就可以得到结构像或单原子像。从用100kV、500kV和1000kV电镜所观察到的原子排列很接近理论预言的情况，也和X射线、电子衍射分析结果相近。优点：在大分子中有意识地引进重原子，用高分辨电镜直接观察和拍摄照片，根据重原子所占据的位置就可以得到大分子的结构信息；另外，观察晶体的原子结构像及其缺陷，就能把材料的宏观性质与其微观结构直接联系起来，从而使人们的视野扩展到分子和原子的水平。9 选用电子显微镜分析仪时应从哪几方面考虑？10 与X射线衍射相比，（尤其在透射电镜中）电子衍射的特点是什么？答：晶体对电子波的衍射现象，与 X 射线衍射一样，一般简单地用布喇格定律加以描述。当波长为 的单色平面电子波以掠射角 照射到晶面间距为dhkl 的平行晶面组(hkl)时(图4.21)，若满足布喇格(Bragg)方程2dhklsin=n (4.31)则在与入射方向成2 角的方向上，相邻平行晶面反射波之间的波程差为波长的整数倍，各层晶面的原子的散射在2 方向上具有相同位相，它们因相互加强而产生该晶面组的衍射束。由于入射束S0、衍射束S与衍射