材料研究方法复习

材料研究方法复习第一章红外光谱(IR)分子吸收光子能量后，根据能量大小可引起转动、振动和电子能阶的跃迁等。红外光谱就是由于分子的振动和转动引起的，故称为振－转光谱。中红外区：2.5-25μm，即波数4000-400cm-1，

产生红外吸收满足两个条件：

(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。

对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。

如：N2、O2、Cl2等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。

红外光谱产生的条件红外吸收谱带的强度与分子数有关，但也与分子振动时偶极矩变化率有关，变化率越大，吸收强度也越大，因此极性基团如羰基、胺基等。若以波数的形式来表示双原子分子的振动频率，则：K化学键的力常数，与键能和键长有关，

为双原子的折合质量

=m1m2/（m1+m2）化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。（1）X—H伸缩振动区（4000

2500cm-1）（a）—O—H3650

3200cm-1确定醇，酚，酸

在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。基团特征频率（四大区域）（c）不饱和碳原子上的=C—H（

C—H

）

苯环上的C—H3030cm-1

=C—H3010

2260cm-1

C—H3300cm-1

（b）饱和碳原子上的—C—H3000cm-1以上

—CH32960cm-1反对称伸缩振动2870cm-1对称伸缩振动—CH2—2930cm-1反对称伸缩振动2850cm-1对称伸缩振动—C—H2890cm-1弱吸收3000cm-1以下(2)．双键伸缩振动区(1200

1900cm-1)苯衍生物在1650

2000cm-1出现C-H和C=C键的面内变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。（a）RC=CR’1620

1680cm-1

强度弱，

R=R’（对称）时，无红外活性。

（b）单核芳烃的C=C键伸缩振动（16261650cm-1）（c）C=O（1850

1600cm-1）

碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。(3)叁键(C

C)伸缩振动区(2500

1900cm-1)(4)X—Y，X—H变形振动区<1650cm-1

指纹区(1350

650cm-1),较复杂。C-H，N-H的变形振动；C-O，C-X的伸缩振动；C-C骨架振动等。精细结构的区分。（1）RCCH（2100

2140cm-1）RCCR’（2190

2260cm-1）R=R’时，无红外活性（2）RCN（2100

2140cm-1）非共轭2240

2260cm-1共轭2220

2230cm-1（1）电子效应a．诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（蓝移）影响峰位变化的因素ｂ．共轭效应规律：共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，结果使原来的双键（如羰基）上的电子云密度降低，力常数降低，结果振动频率降低。

氢键(分子内氢键；分子间氢键)：对峰位，峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动。（2）.氢键效应红外谱图解析不饱和度U：有机分子中碳原子的不饱和程度如CmHnOqNrXs

通常规定双键和饱和环状结构的不饱和程度为1，叁键的不饱和程度为2，苯环的不饱和程度为4。在谱图解析之前计算化合物的不饱和度，对于推断未知物的结构是非常有帮助的定性分析：红外解谱四要素1.峰位2.峰强3.峰形4.关联峰峰位：各种特征基团的吸收峰位要记清。峰强：不同基团的峰：极性较强的基团(如C=O，C-X)振动，吸收强度较大；极性较弱的基团(如C=C，N-C等)振动，吸收强度较弱。峰形：不同基团在同一频率范围内都可能有红外吸收，如-OH、-NH2的伸缩振动峰都在3400

3200cm-1，但二者峰形状有显著的不同。此时峰形的不同有助于基团的鉴别。如：在3200-3600cm-1存在吸收峰，宽而钝的峰常是-OH，而尖峰可能是氨基。关联峰：指由一个基团引起的一组具有相互依存关系的特征峰。一个有机基团有时具有多个特征吸收峰，反之若谱图中同时有这些吸收峰都指证某一个有机基团，则分析结果更可靠!第三章核磁共振

(NMR)核磁共振（NMR）波谱是吸收光谱的一种。在NMR中，是用频率为兆赫数量级的电磁波，照射置于强磁场下的原子核，使其能级发生分裂。当吸收的能量与原子核能级差相等时，就会发生核能级的跃迁，从而产生一种吸收光谱－核磁共振光谱。 自旋量子数等于零的原子核有16O、12C、32S、28Si等，这些原子核没有自旋现象，因而没有磁矩，不产生共振吸收谱，故不能用核磁共振来研究。核磁共振条件发生共振时射电频率ν0与磁场强度H0之间的关系。讨论：（1）在相同的磁场中，不同原子核发生共振时的频率各不相同，根据这一点可以鉴别各种元素及同位素。（2）对于同一种核，

值一定。当外加磁场一定时，共振频率也一定。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：

H=（1-

）H0

：屏蔽常数。

越大，屏蔽效应越大。在外磁场H0的作用下核的共振频率为：γ为磁旋比屏蔽作用与化学位移化学位移：由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），来抵消屏蔽影响。

在有机化合物中，各种氢核周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。位移的表示方法与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最小，规定

TMS=0，其他种类氢核的位移为正值。注：化学位移无量纲vs为样品吸收峰的频率，vTMS为四甲基硅烷吸收峰的频率

小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧；

大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧；故有：高场低位移，低场高位移影响化学位移的因素

（1）电负性

与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。（2）电子环流效应价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。在低场高位移处出现。苯环上的6个

电子产生较强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。自旋偶合与自旋裂分每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。原因：相邻碳原子上氢核自旋会相互干扰（自旋偶合）自旋核与自旋核的相互作用称为自旋－自旋耦合，简称自旋耦合。自旋耦合作用的结果使得共振峰形发生变化，引起峰的裂分，使谱线增多称为自旋－自旋裂分，简称自旋裂分。分裂峰数是由相邻碳原子上的氢数决定的。分裂峰数：n+1规律；n为邻碳原子上的氢数；峰的相对面积比等于二项展开式系数应用NMR鉴定化学结构时，可采用下列步骤进行：

（1）探询或者用元素分析、分子量测定；或用质谱决定分子式：（2）计算不饱和度U：有机分子中碳原子的不饱和程度

如CmHnOqNrXs

通常规定双键和饱和环状结构的不饱和程度为1，叁键的不饱和程度为2，苯环的不饱和程度为4。谱图解析（3）计算各峰的数目和相对面积，求出不同基团间的H原子数之比；

（4）确定化学位移大约代表什么基团，在氢谱中要特别注意孤立的单峰，然后再解析耦合峰；（5）对于一些较复杂的图谱，仅仅靠核磁共振谱来确定结构会有困难，还要与其他分析手段配合。第五章热分析掌握三种热分析技术的原理，曲线影响因素及在材料研究中有哪些方面的应用。第六章电子显微分析分辨本领

指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。波长是光学透镜分辨率大小的决定因素。

控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差－由于透镜物理条件的限制，所成的像会模糊不清或发生畸变，形成的所有缺陷和偏差统称为像差。

像差分为几何像差和色差两类。

几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。主要指球差和像散。

色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。电磁透镜的像差与分辨本领电磁透镜的分辨本领电磁透镜的分辨本领由衍射效应和球面像差来决定。

衍射效应对分辨本领的影响：Δr0=0.61λ/Nsinα

球差对分辨率的影响：必须确定一个最佳孔径半角，使得衍射效应Airy斑和球差散焦斑尺寸大小相等时，表明两者对透镜分辨本领影响效果一样。目前电镜的最佳分辨本领达到了0.1nm数量级。特征X射线电子束与固体物质的相互