2023《材料现代分析测试方法》复习题

《近代材料测试方法》复习题

1.材料微观结构和成分分析可以分为哪几个层次？分别可以用什么

方法分析？

答：化学成分分析、晶体结构分析和显微结构分析

化学成分分析一一常规方法（平均成分）：湿化学法、光谱分析法

一先进方法（种类、浓度、价态、分布）：X射线荧光光谱、电子探针、

光电子能谱、俄歇电子能谱

晶体结构分析：X射线衍射、电子衍射

显微结构分析：光学显微镜、透射电子显微镜、扫面电子显微镜、扫面隧道显微镜、原

子力显微镜、场离子显微镜

2.X射线与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律

可以进行哪些科学探讨工作，有哪些实际应用？

答：除贯穿部分的光束外，射线能量损失在与物质作用过程之中，基本上可以归为两大类:

一部分可能变成次级或更高次的X射线，即所谓荧光X射线，同时，激发出光电子或俄歇电

子。另一部分消耗在X射线的散射之中，包括相干散射和非相干散射。此外，它还能变成热

量逸出。

（1）现象/现象：散射X射线（想干、非相干）、荧光X射线、透射X射线、俄歇效

应、光电子、热能

（2）①光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产

生光电效应。

应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。光电效应

使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是

X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。

②二次特征辐射（X射线荧光辐射）：当高能X射线光子击出被照耀物质原子的

内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。

应用：X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射和非相干散射。相干散射

是X射线衍射分析方法的基础。

3.电子与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可

以进行哪些科学探讨工作，有哪些实际应用？

答：当电子束入射到固体样品时，入射电子和样品物质将发生剧烈的相互作用，发生弹性散

射和非弹性散射。伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信

息。

（1）现象/规律：二次电子、背散射电子、汲取电子、透射电子、俄歇电子、特征X射

线

（2）获得不同的显微图像或有关试样化学成分和电子结构的谱学信息

4.光电效应、荧光辐射、特征辐射、俄歇效应，荧光产率与俄歇电

子产率。特征X射线产朝气理。

光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。

荧光辐射：被打掉了内层电子的受激原子，将发生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出

波长严格肯定的特征X射线。这种利用X射线激发而产生的特征辐射为二次特

征辐射，也称为荧光辐射。

特征辐射：

俄歇效应：原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差被邻近电子或较外层电

子所汲取，使之受激发而成为自由电子。这种过程就是俄歇效应，这个自由电子

就称为俄歇电子。

荧光产率：激发态分子中通过放射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。

俄歇电子产率：

5.拉曼光谱分析的基本原理及应用。什么斯托克斯线和反斯托克斯

线？什么是拉曼位移？（振动能级）

原理：光照耀到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相同

的成分，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分，统称为拉曼效应。

应用：拉曼光谱对探讨物质的骨架特征特殊有效。红外和拉曼分析法结合，可更完整地探讨

分子的振动和转动能级，从而更牢靠地鉴定分子结构。可以进行半导体、陶瓷等无机材料的

分析。是合成高分子、生物大分子分析的重要手段。在燃烧物和大气污染物分析等方面有重

要应用。

有两种状况：

（1）分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，从光子中获得能量达到较高的能级。若与

此相应的跃迁能级有关的频率是V1,那么分子从低能级跃到高能级从入射光中得到的能量为

hvi，而散射光子的能量要降低到hvo-hv”频率降低为V0-V”

（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光子相碰时可以把hv1的能量传给光子，形成

一条能量为hvo+hvi和频率为vo+vi的谱线。

通常把低于入射光频的散射线V0-V1称为斯托克斯线。高于入射光频的散射线vo+vi称为

反斯托克斯线。

6.X射线荧光光谱定性、定量分析的基本原理及应用（适用），什么

是基本体汲取效应？如何消退?

定性分析：在谱仪上配上计算机，可以干脆给出试样内全部元素的名称。

1、确定某元素的存在，除要找到易识别的某一强线外，最好找出另一条强度高的线条，以

免误认。

2、区分哪些射线是从试样内激发的，那哪射线是靶给出的，靶还可能有杂质，也会发出X

射线.

3、当X射线照耀到轻元素上时，由于康普顿效应，还会出现非相干散射。可通过相应的试

验将它们识别。

定量分析：假如没有影响射线强度的因素，试样内元素发出的荧光射线的强度与该元素在试

样内的原子分数成正比.但是事实上存在影响荧光X射线强度的因素，这些因素叫做基体

汲取效应和增加效应。

元素A的荧光X射线强度不但与元素A的含量有关，还与试样内其他元素的种类和含量有

关。当A元素的特征x射线能量高于B元素的汲取限（或相反）时，则A元素的特征X射线

也可以激发B元素，于是产生两种影响，其中A元素的特征x荧光照耀量率减弱的为汲取

效应。汲取包括两部分：一次X射线进入试样时所受的汲取和荧光X射线从试样射出时所

受的汲取。

试验校正法：外标法、内标法、散射线标准法，增量法

数学校正法：阅历系数法、基本参数法

7.波谱仪与能谱仪的展谱原理及特点。（特征X射线检测）

波谱仪：利用X射线的波长不同来展谱。

1）能量辨别率高一一突出的优点，辨别率为5eV

2）峰背比高：这使WDS所能检测的元素的最低浓度是EDS的1/10,大约可检测100ppm,

3）采集效率低，分析速度慢。

4）由于经晶体衍射后，X射线强度损失很大，其检测效率低。

5）波谱仪难以在低束流和低激发强度下运用，因此其空间辨别率低且难与高辨别率的电镜

（冷场场放射电镜等）协作运用。

能谱仪：利用X射线的能量不同来展谱。

优点：

1）分析速度快：同时接收和检测全部信号，在几分钟内分析全部元素。

2）灵敏度高：收集立体角大，不用聚焦，探头牢靠近试样，不经衍射，强度没有损失。可

在低束流(10-11A)条件下工作，有利于提高空间辨别率。

3)谱线重复性好：没有运动部件，稳定性好，没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性

好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析。

缺点：

1)能量辨别率低：在130eV左右，比WDS的5eV低得多，谱线的重叠现象严峻。

2)峰背比低：探头干脆对着样品，在强度提高的同时，背底也相应提高。EDS所能检测的

元素的最低浓度是WDS的十倍，最低大约是1000ppm。

3)工作条件要求严格：探头必需保持在液氮冷却的低温状态，即使是在不工作时也不能中

断，否则导致探头功能下降甚至失效。

8.XPS的分析原理是什么？(什么效应)

光电效应：在外界光的作用下，物体(主要指固体)中的原子汲取光子的能量，使其某一层

的电子摆脱其所受的束缚，在物体中运动，直到这些电子到达表面。假如能量足够、方向合

适，便可离开物体的表面而逸出，成为光电子。

光电子动能为：Ec=hv-EB-(-W)

9.XPS的应用及特点，XPS中的化学位移有什么用？

分析表面化学元素的组成、化学态及其分布，特殊是原子的价态、表面原子的电子密度、

能级结构。

最大特点是可以获得丰富的化学信息，它对样品的损伤是最稍微的，定量也是最好的。

它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照耀面积大，不适于微区分析。

(1)可以分析除H和He以外的全部元素，可以干脆得到电子能级结构的信息。

(2)它供应有关化学键方面的信息，即干脆测量价层电子及内层电子轨道能级，而相邻

元素的同种能级的谱线相隔较远，相互干扰少，元素定性的标记性强。

(3)是一种无损分析。

(4)是一种高灵敏超微量表面分析技术。分析所需试样约10-8g即可，肯定灵敏度高达

10-18g,样品分析深度约2nm«

由于原子处于不同的化学环境里而引起的结合能位移称为化学位移。化学位移的量值与

价电子所处氧化态的程度和数目有关。氧化态愈高，则化学位移愈大。

10.紫外光电子能谱原理及应用。（激发什么电子？）

紫外光电子能谱仪与X射线光电子能谱仪特别相像，只需把激发源变换一下即可。真

空紫外光源只能激发样品中原子、分子的外层价电子或固体的价带电子。测量固体表面价电

子和价带分布、气体分子与固体表面的吸附、以及化合物的化学键、探讨振动结构。

11.俄歇电子能谱分析的原理、应用及特点。（俄歇电子与什么有

关？）

原理：俄歇效应。俄歇电子的能量与参与俄歇过程的三个能级能量有关。能量是特定的，与

入射X射线波长无关，仅与产生俄歇效应的物质的元素种类有关。

应用：可以做物体表面的化学分析、表面吸附分析、断面的成分分析。

1）材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析；

2）金属、半导体、复合材料等界面探讨；

3）薄膜、多层膜生长机理的探讨：

4）表面化学过程（如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等）探讨；

5）集成电路掺杂的三维微区分析；

6）固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。

特点：

1）作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度（电子平均自由程）。对于能

量为50eV-2keV范围内的俄歇电子，逸出深度为0.4-2nm,深度辨别率约为1nm,,横向辨

别率取决于入射束斑大小。

2）可分析除H、He以外的各种元素。

3）对于轻元素C、0、N、S、P等有较高的分析灵敏度。

4）可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。

12.扫描隧道显微镜基本原理及特点、工作模式。（量子隧道效应,

如何扫描？恒高、恒电流工作模式，隧道谱应用）

基本原理：尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起

隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。金属探针

安置在三个相互垂直的压电陶瓷（Px、Py、Pz）架上，当在压电陶瓷器件上施加肯定电压

时，由于压电陶瓷器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；

隧道谱应用：可对样品表面显微图像作逐点分析，以获得表面原子的电子结构（电子态）等

信息。在样品表面选肯定点，并固定针尖与样品间的距离，连续变更偏压值从负儿v~正几

V,同时测量隧道电流，便可获得隧道电流随偏压的变更曲线，即扫描隧道谱。

特点：

1）STM结构简洁。

2）其试验可在多种环境中进行：如大气、超高真空或液体（包括在绝缘液体和电解液中）。

3）工作温度范围较宽，可在mK到1100K范围内变更。这是目前任何一种显微技术都不能

同时做到的。

4）辨别率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直辨别率可以分别达到O.lnm和O.Olnm。因此可

干脆视察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三维结构图像。

5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表面的扫描隧道谱（STS）,从而可以探讨材料

表面化学结构和电子状态。

6）不能探测深层信息，无法干脆视察绝缘体。

工作模式：

恒电流模式：扫描时，在偏压不变的状况下，始终保持隧道电流恒定。适于视察表面起

伏较大的样品。

恒高模式：始终限制针尖在样品表面某一水平高度上扫描，随样品表面凹凸起伏，隧道

电流不断变更。适于视察表面起伏不大的样品。

13.原子力显微镜工作原理、成像模式及应用。（微小力测量如何

实现？纳米量级力学性能测量）

原理：利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。

成像模式：

应用：已成为表面科学探讨的重要手段。

（1）几十到几百纳米尺度的结构特征探讨

（2）原子辨别率下的结构特征探讨

（3）在液体环境下成像对材料进行探讨

（4）测量、分析表面纳米级力学性能（吸附力、弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等）：

通过测量微悬臂自由端在针尖接近和离开样品过程中的变形（偏转），对应一系列针尖不同

位置和微悬臂形变量作图而得到力曲线。当针尖被压入表面时，那点曲线斜率可以确定材料

的弹性模量，从力曲线上也能很好的反映出所测样品的弹性、塑性等性质。

（5）实现对样品表面纳米加工与改性

14.什么是离子探针？离子探针的特点及应用。

离子探针微区分析仪，简称离子探针。

离子探针的原理是利用细小的高能（能量为l~20keV）离子束照耀在样品表面，激发出正、

负离子（二次离子）；利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比（m/e）和强度，

确定固体表面所含元素的种类及其含量。

特点：

1）可作同位素分析。

2）可对几个原子层深度的极薄表层进行成分分析。利用离子束溅射逐层剥离，得到三维的

成分信息。

3）一次离子束斑直径缩小至微米量级时，可拍摄特定二次离子的扫描图像。并可探测极微

量元素（50ppm）。

4）可高灵敏度地分析包括氢、锂在内的轻元素，特殊是可分析氢。

15.场离子显微镜的成像原理（台阶边缘的原子）。

1）隧道效应：若气体原子的外层电子能态符合样品中原子的空能级能态，该电子将有较高

的几率通过“隧道效应”而穿过表面位垒进入样品，从而使成像气体原子变为正离子——场

致电离。

2）导体表面电场与其曲率成正比：E^U/5r,相同的电压加上相同的导体，曲率越大，也就

是越尖，导体上的电荷越密集，产生的电场越强。

3）场离化原理：当成像气体进入容器后，受到自身动能的驱使会有一部分达到阳极旁边，

在极高的电位梯度作用下气体原子发生极化，使中性原子的正、负电荷中心分别而成为一个

电偶极子。

16.DTA的基本原理，DTA在材料探讨中有什么用处？（定量？

比热？）

基本原理：当试样发生任何物理或化学变更时，所释放或汲取的热量使样品温度高于或低于

参比物的温度，从而相应地在差热曲线上得到放热或吸热峰；

应用：

1）假如试样在升温过程中热容有变更，则基线ATa就要移动，因此从DTA曲线便可知比

热发生急剧变更的温度，这个方法被用于测定玻璃化转变温度；

2）合金状态变更的临界点及固态相变点都可用差热分析法测定；

3）可以定量分析玻璃和陶瓷相态结构的变更；

4）被广泛地用于包括非晶在内的固体相变动力学探讨；

5）可以用于探讨凝胶材料烧结进程；

17.DSC的基本原理及应用。（纵坐标是什么？）

差示扫描量热法（DSC）基本原理：依据测量方法的不同，有两种DSC法，即功率补偿式

差示量热法和热流式差示量热法。

功率补偿式差示量热法：

1）试样和参比物具有独立的加热器和传感器，仪器由两条限制电路进行监控，一条限制温

度，使样品和参比物在预定的速率下升温或降温；另一条用于补偿样品和参比物之间所产生

的温差，通过功率补偿电路使样品与参比物的温度保持相同；

2）功率补偿放大器自动调整补偿加热丝的电流，使试样与参比物的温度始终维持相同；

3）只要记录试样放热速度随T（或t）的变更，就可获得DSC曲线。纵坐标代表试样放热

或吸热的速度，横坐标是温度T（或时间t）。

应用：1）样品焙变的测定；2）样品比热的测定；3）探讨合金的有序-无序转变

18.影响DTA和DSC曲线形态的因素主要有哪些？（加热速度，

样品比热，气氛）

影响DTA（差热分析）曲线形态的因素：试验条件、仪器因素、试样因素等；

试验条件：

①升温速率：程序升温速率主要影响DTA曲线的峰位和峰形，升温速率越大，峰位越向高

温方向迁移以及峰形越陡；

②不同性质的气氛如氧化性、还原性和惰性气氛对DTA曲线的影响很大，有些场合可能会

得到迥然不同的结果；

③参比物：参比物与样品在用量、装填、密度、粒度、比热及热传导等方面应尽可能相近,

否则可能出现基线偏移、弯曲，甚至造成缓慢变更的假峰。

影响DSC（量热分析）曲线形态的因素：试验条件、仪器因素、试样因素等；

试验条件：

①升温速率：一般升温速率越大，峰温越高、峰形越大和越尖锐，而基线漂移大，因而一

般采纳10℃/min；

②气氛对DSC定量分析中峰温柔热焰值的影响是很大的。

③参比物：参比物的影响与DTA相同。

19.热重分析应用？

1）主要探讨在空气中或惰性气体中材料的热稳定性、热分解作用和氧化降解等化学变更；

2）还广泛用于探讨涉及质量变更的全部物理过程，如测定水分、挥发物和残渣，吸附、汲

取和解吸，气化速度和气化热，升华速度和升华热；

3）可以探讨固相反应，缩聚聚合物的固化程度，有填料的聚合物或共混物的组成；

4）以及利用特征热谱图作鉴定等。

20.什么是穆斯堡尔效应？穆斯堡尔谱的应用。（横坐标？低温？）

无反冲核Y射线放射和共振汲取现象称为穆斯堡尔效应：若要产生穆斯堡尔效应，反冲能量

ER最好趋向于零；大多数核只有在低温下才能有明显的穆斯堡尔效应；

应用：

1）可用于测定矿石、合金和废物中的总含铁量和总含锡量；

2）可用于探讨碳钢淬火组织、淬火钢的回火、固溶体分解；

3）可以用于推断各种磁性化合物结构的有效手段（可用于测定反铁磁性的奈尔点、居里点

和其它各种类型的磁转变临界点；也可用于测定易磁化轴，探讨磁性材料中的非磁性相）；4）

可用于探讨包括红血蛋白、肌红蛋白、氧化酶、过氧化酶、铁氧还原蛋白和细胞色素等范围

极广的含铁蛋白质的结构和反应机理探讨。

21.产生衍射的必要条件（布拉格方程）及充分条件。（衍射角由

什么确定？几何关系）

必要条件：

1）满意布拉格方程2dsin£=n2

2）能够被晶体衍射的x射线的波长必需小于或等于参与反射的衍射面中最大面间距的二倍;

A<2d

充分条件：

万rx

1）衍射角：由晶胞形态和大小确定sin2^=—（―^+£•+：）

4Q'VC'

22.影响衍射强度的因素。

1）晶胞中原子的种类、数量和位置；

2）晶体结构、晶粒大小、晶粒数目；

3）试样对X射线的汲取；

4）衍射晶面的数目；

5）衍射线的位置；

6）温度因子；

23.物相定性分析、定量分析的原理。（强度与什么有关？正比含

量吗？如何校正基体汲取系数变更对强度的影响？）

物相定性分析：每种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、单胞大小、单胞中原

子（离子或分子）的数目及其位置等等，而这些参数在X射线衍射花样中均有所反映；某

种物质的多晶体衍射线条的数目、位置以及强度，是该种物质的特征，因而可以成为鉴别物

相的标记。

物相定量分析原理：各相衍射线的强度，随该相含量的增加而提高；由于试样对X射线的

汲取，使得“强度”并不正比于“含量”，而须加以修正。

1）采纳单线条法（外标法）：混合样中j相某线与纯j相同一根线强度之比，等于j相的重

量百分数；

2）采纳内标法：将一种标准物掺入待测样中作为内标，并事先绘制定标曲线。

3）采纳K值法及参比强度法：它与传统的内标法相比，不用绘制定标曲线；

4）采纳干脆对比法：不向样品中加入任何物质而干脆利用样品中各相的强度比值实现物相

定量的方法。

24.晶粒大小与X射线衍射线条宽度的关系。

德拜-谢乐公式：。=—忆

Bcosd

D为晶粒垂直于晶面方向的平均厚度、B为实测样品衍射峰半高宽度、。为衍射角、Y为X

射线波长

晶粒的细化能够引起X射线衍射线条的宽化；

25.内应力的分类及在衍射图谱上的反映。

第一类：在物体较大范围（宏观体积）内存在并平衡的内应力，此类应力的释放，会使物体

的宏观体积或形态发生变更。第一类内应力又称“宏观应力”或“残余应力”。宏观应力使

衍射线条位移。

其次类：在数个晶粒范围内存在并平衡的内应力，一般能使衍射线条变宽，但有时亦会引起

线条位移。

第三类：在若干个原子范围内存在并平衡的内应力，如各种晶体缺陷（空位、间隙原子、位

错等）四周的应力场、点阵畸变等，此类应力的存在使衍射强度降低。

26.扫描电镜二次电子像与背散射电子像。（应用及特点）

1.二次电子像（SEI）：

1）特点：图像辨别率比较高；二次电子信号强度与原子序数没有明确的关系，仅对微区刻

面相对于入射电子束的角度特别敏感；二次电子能量较低，其运动轨迹极易受电场和磁场的

作用从而发生变更，不易形成阴影：二次电子信号特殊适用于显示形貌衬度，用于断口检测

和各种材料表面形貌特征视察；SE本身对原子序数不敏感，但其产