高等结构分析.ppt

1 1 1结构分析的意义 结构 复杂物体的下一层的组织状况 包括成份及相互关系两方面 分析 是将复杂的物体分解为简单物体的过程 综合 是将简单物体合并为复杂物体的过程 分析和综合是对立的 但又是互补的 可通过分析来认识综合体 也可通过综合来达到分析的目的化学研究的主要内容是合成和表征 表征就是弄清物质结构及其和性能的关系 即结构分析 物质结构决定物质性质 材料性能和应用 在物质结构和性能关系清楚的基础上才能设计出需要性能的新结构 合成出新物质 获得新材料 结构及结构和性能的关系的研究已成为化学研究之主要内容之一 结构的知识是化学工作者必备的知识 利用各种结构分析的方法来熟练的进行结构分析也已成为化学工作者必须掌握的技能 2 1 2结构分析的内容 化学是一门研究分子的形成 变化和性能的科学 分子可以单个分子或聚集态被应用 最终目的是获得具有人类需要性能的新物质 新材料 化学结构主要包括分子结构和聚集态结构两个层次 它包括聚集态结构 分子几何结构 原子 基团的三维空间排列 及电子结构 原子间或分子间的相互作用 三个方面 聚集态结构分子与晶体结构电子结构 3 1 2 1聚集态结构 物相结构显微结构空间分布 1 2 2分子与晶体结构基团和模块结构 有机基团 无机多面体 生物模块分子与晶体结构构型与构象 1 2 3电子结构原子间或分子间的相互作用 即各种电子态 4 5 6 7 1 3结构分析的方法 1 3 1化学结构分析的方法 X射线衍射 可以直接和精确测定分子和晶体结构的方法 各种光谱技术 可以在液体中测定分子结构 分子模拟 量子力学计算 8 1 3 2波与物质的相互作用 结构分析的实验方法有一个相似的过程 用某一种波 或说某种粒子 使与被测定对象发生作用 改变被测定对象中的原子或分子的核或电子的某种能态 甚至解离 造成入射波 粒子 的散射 衍射及吸收 入射波的强度会减弱 还会产生不同波长的波或粒子 记录各种波或粒子的强度与波长的关系 或强度与位置的关系 得到各种共振谱 光谱 衍射谱或像 依据已知的这些谱或像与结构的关系 对谱或像进行分析 即可得出各种结构数据 9 表1 1电磁波各光谱区的一些参数及相应的结构分析方法 10 1 3 3射频波 微波与物质的相互作用 射频波与微波是属于波长较长 能量较低的波 射频波与核自旋磁矩能级的变化相当 可改变自旋磁矩在外磁场中的取向 叫做发生核磁共振 微波可改变电子自旋在外磁场中的取向 称为电子顺磁共振 11 1 3 4红外 可见 紫外光与物质的相互作用 分子的能量由3个方面构成 电子的能量 核的振动能量 分子的转动能量 与它们相当的电磁波的波长分别为数百nm 几十个 m及数百 m 相应的波段分别属可见紫外区 近 中红外区 远红外及微波区 12 1 3 5X射线与物质的相互作用 1 X射线照射到物质上产生的一些现象 相干散射 空间连续 有高强度点不相干散射 空间连续 能量连续 某些方向 某些能量有高强度电子散射 空间连续 能量连续 某些方向 某些能量有高强度产生热 13 14 2 现象的解释及可能的应用 1 频率不变的X射线1 透射线 透过强度与入射X线波长的关系 就是物质的吸收光谱 其上存在着的精细结构 称X射线吸收精细结构 XAFS 用来测定吸收原子的电子结构及配位结构 2 相干散射 由弹性碰撞产生的 可以相互干涉 晶体的相干散射只有少数方向相互加强有强光 为衍射线 X射线衍射 XRD 是用来测定晶体结构 多晶材料的相结构 晶粒大小 晶粒取向及微结构的 15 2 频率改变的X射线 1 不相干散射 这是因非弹性碰撞产生的 可用来测定原子中的动量分布及研究化学键等 2 荧光辐射 外层高能级上的电子跃入内层填补空位 放出多余能量造成的 称荧光光谱 可用来鉴别元素 也可研究化学结构 16 3 电子 反冲电子 非弹性碰撞时造成的 光电子 电子吸收了入射X光子逸出原子造成的 产生光电子能谱 俄歇电子 外层电子跃入内层空位时产生荧得到物质的表面信息 二次电子 X射线与物质相互作用产生的各种带能粒子在原子中穿行时 与其它电子相碰而激发的电子 可以用来得到XAFS谱或成像 17 1 3 6电子与物质的相互作用 电子的能量范围在几个eV 数百eV 与X射线相似 可用来成像 甚至可获得原子像 可得到X射线光谱 作元素和结构分析 可产生俄歇电子 作表面分析 发生电子衍射 用于研究样品结构