西科大材料现代分析测试方法教学大纲

材料现代分析测试方法教学大纲【课程编号】：11319074【英文译名】：ModernTechniquesofAnalysisandTestforMaterials【适用专业】：材料物理【学分数】：4【总学时】：64【实践学时】：16（独立开课）一、本课程教学目的和课程性质本课程是为材料物理专业本科生开设的专业课。其目的在于使学生系统地了解材料现代主要分析测试方法的基本原理、仪器设备、样品制备及应用，掌握常见分析测试技术所获信息的解释和分析方法，最终使学生能够独立地进行材料的分析和研究工作。二、本课程的基本要求1．掌握电磁辐射、电子束和离子束等探针信号与物质的相互作用所产生的信息及根据这些信息建立的分析测试方法；2．掌握X射线衍射分析、电子衍射分析、透射电子显微分析、扫描电子显微分析、电子探针显微分析、紫外可见吸收光谱分析、红外吸收光谱分析和热分析的基本原理、仪器设备、样品制备、主要功能、测试结果的分析方法和应用；3．熟悉俄歇电子能谱分析、X射线光电子能谱分析、扫描探针显微分析的基本原理、仪器设备、样品制备、主要功能和应用；4．了解紫外光电子能谱分析、原子吸收光谱分析、原子发射光谱分析、原子荧光光谱分析、分子荧光光谱分析、拉曼光谱分析、核磁共振谱分析、穆斯堡尔谱分析、X射线荧光光谱分析、电子自旋共振谱分析、场离子显微分析、原子力显微分析、质谱和二次离子质谱分析等方法的基本原理、主要功能和应用。三、本课程与其他课程的关系前修课程：高等数学、大学物理、无机化学、晶体学、近代物理等。后继课程：材料现代分析测试方法实验（或同时交叉进行），材料物理综合实验、毕业实习、毕业论文等。1．课堂理论教学：多媒体演示、黑板板书与实物谱图相结合，教师讲授与讨论结合。2．理论教学与实验的关系：可交叉进行，当讲授完某分析测试方法后，安排相应的实验。3．“授课计划”应根据“教学内容”要求的知识点、重点和难点进行制定。课程体系与内容的安排、授课顺序，教师可根据自己的习惯采用不同的方式，建议选择下面三种之一：（1）按“教学内容”的要求和顺序进行安排；（2）将“教学内容”的“第一部分材料现代分析测试方法基础”的内容分散在相应分析方法中进行安排；（3）基本按照“教学内容”的要求和顺序进行安排，做适当的调整。比如，将“X射线衍射”分成三章，将“电子衍射”与“透射电子显微分析”合在一章，“扫描电子显微分析”与“电子探针”合在一章，“紫外可见光谱”、“红外光谱”与“拉曼光谱”合在一章等。4．本门课程涉及的分析方法较多，有些分析方法的理论较深，讲授时，应以“够用，兼顾一定的深度，重在实际应用”为原则，要重点突出，不能面面俱到。5．讲授本门课程，应举一些实际应用的例子，将看似不相关的分析测试方法相互联系起来，使学生明白学习这些分析方法的必要性，并构建明晰的知识体系。教学内容第一部分材料现代分析测试方法基础第一章电磁辐射与材料结构基本知识点：第一节电磁辐射与物质波电磁辐射与波粒二象性，电磁波谱，物质波。第二节材料结构基础原子结构与电子量子数，原子能态与原子量子数，原子基态、激发、电离及能级跃迁，分子总能量与能级结构，分子轨道与电子能级，分子的振动与振动能级，原子的磁矩，原子核自旋与核磁矩，固体的能带结构，干涉指数，倒易点阵，晶带。基本要求：1．掌握描述电磁波的波动性与微粒性的物理参数，电磁波的波动性与微粒性的关系和电磁波谱的分区。2．了解各区电磁波的波长范围、能量范围、频率范围及产生机理。3．熟悉物质波的德布罗意关系式，掌握电子波的波长与加速电压之间的关系（公式）。4．掌握表征原子中核外电子运动状态的五个量子数的含义；了解多电子原子中电子与电子相互作用和偶合方式；熟悉L-S偶合和用能级示意图表示光谱项的光谱支项与塞曼能级。5．掌握分子总能量的构成和能级结构；掌握分子轨道的形成与分子轨道的类型。6．熟悉双原子分子的振动模型——弹簧谐振子模型；掌握多原子分子振动的类型（模式）。7．了解核自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系。8．掌握能带的形成，能带结构的基本类型及相关概念。9．掌握干涉指数与晶面指数的关系及其表示方法。10．掌握倒易矢量的基本性质；了解晶面夹角公式。11．掌握晶带轴指数与晶面指数之间的关系。重点：电磁波谱，物质波，分子总能量与能级结构，分子轨道与电子能级，分子的振动与振动能级，干涉指数，倒易点阵，晶带。难点：原子能态与原子量子数、原子的磁矩，原子核自旋与核磁矩，干涉指数，倒易点阵，晶带。第二章电磁辐射与材料的相互作用基本知识点：第一节概述辐射的吸收与发射，辐射的散射，光电离。第二节各类特征谱基础原子光谱，分子光谱，光电子能谱，俄歇电子能谱，核磁共振谱等。第三节X射线的产生及其与物质的相互作用X射线的产生与X射线谱，X射线与物质的相互作用，X射线的衰减，X射线的防护。基本要求：1．区分光谱法与非光谱法概念。2．了解辐射吸收的本质和条件、辐射发射的前提、辐射激发的方式。3．熟悉光谱法的分类。4．理解拉曼散射的本质；了解晶体中的电子散射。5．了解光电离的条件。6．了解原子光谱的常用类型，理解原子光谱的光谱选律（选择定则）。7．了解分子光谱的常用类型，掌握红外光谱的光谱选律（选择定则）。8．了解光电子发射过程及其能量关系，了解光电子能谱图的表示方法。9．了解俄歇电子的产生（俄歇效应），掌握俄歇电子的标识，了解俄歇电子的能量关系，了解俄歇电子能谱图的表示方法。10．了解核磁共振现象。11．了解连续X射线谱的特征。12．理解特征X射线的产生机理和莫塞菜(Moseley)定律。13．熟悉X射线谱系。14．掌握X射线与物质相互作用及据此建立的主要分析方法15．了解X射线的衰减和X射线的防护。重点：辐射的吸收与发射，原子光谱、分子光谱和电子能谱基础，X射线的产生与X射线谱，X射线与物质的相互作用。难点：辐射的散射，X射线的衰减。第三章粒子（束）与材料的相互作用基本知识点：第一节电子（束）与材料的相互作用散射，电子与固体作用产生的信号，电子激发产生的其它现象。第二节离子（束）与材料的相互作用散射，溅射与二次离子。基本要求：1．了解物质对电子散射的基元、种类及其特征。2．掌握电子与物质相互作用产生的主要信号及据此建立的主要分析方法。3．掌握二次电子的产额与入射角的关系。4．掌握入射电子产生的各种信息的深度和广度范围。5．了解离子束与材料的相互作用及据此建立的主要分析方法。重点：电子的散射，电子与固体作用产生的信号。难点：电子与固体的相互作用，离子散射，溅射。第四章材料现代分析测试方法概述第一节衍射分析方法概述X射线衍射、电子衍射。第二节光谱分析方法概述原子发射光谱，原子吸收光谱，原子荧光光谱，紫外可见吸收光谱，红外吸收光谱，分子荧光光谱，分子磷光光谱，X射线荧光光谱，核磁共振谱，拉曼光谱等。第三节电子能谱分析方法概述X射线光电子能谱，紫外光电子能谱，俄歇电子能谱。第四节电子显微分析方法概述透射电子显微镜，扫描电子显微镜，电子探针X射线显微分析。第五节色谱、质谱及电化学分析方法概述色谱分析法，质谱分析法，电化学分析法。基本要求：1．掌握X射线衍射、电子衍射、紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针X射线显微分析的用途。2．了解原子发射光谱、原子吸收光谱、原子荧光光谱、核磁共振谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、俄歇电子能谱、色谱、质谱及电化学分析方法的用途。重点：X射线衍射、电子衍射、紫外可见吸收光谱、红外吸收光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针X射线显微分析的用途。第二部分衍射分析第五章X射线衍射分析基本知识点：第一节X射线衍射原理衍射方向：布拉格方程，衍射矢量方程，厄瓦尔德图解，劳埃方程；衍射强度：一个电子的散射强度，原子散射强度，晶胞衍射强度，小晶体散射与衍射积分强度，多晶体衍射积分强度，影响衍射强度的其它因素；第二节X射线衍射方法多晶体衍射方法：照相法，衍射仪法；单晶体衍射方法：概述，成像原理与衍射花样特征。第三节X射线衍射分析的应用物相分析，点阵常数的精确测定，宏观应力的测定，晶体取向的测定。基本要求：1．掌握布拉格方法的导出及应用。2．理解衍射矢量方程，厄瓦尔德图解和劳埃方程。3．了解衍射强度的处理过程。4．掌握系统消光（点阵消光和结构消光）概念和结构因子的计算。5．掌握衍射产生的充分必要条件。6．理解影响衍射强度的因素。7．掌握多晶体衍射的方法和衍射花样的指标化方法。8．了解单晶衍射的成像原理与衍射花样特征。9．掌握X射线衍射物相定性分析的原理与方法。10．了解X射线衍射物相定量分析、的原理与方法。11．理解点阵常数的精确测定方法。12．了解X射线衍射对宏观应力和晶体取向的测定原理与方法。重点：布拉格方程、晶胞衍射强度、衍射仪法、物相分析难点：衍射矢量方程，厄瓦尔德图解、衍射强度、单晶体衍射方法、点阵常数的精确测定。第六章电子衍射基本知识点：第一节透射电镜中的电子衍射电子衍射基本公式，多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征，多晶电子衍射花样的标定，单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征，单晶电子衍射花样的标定。第二节低能电子衍射基本原理，低能电子衍射仪，应用。基本要求：1．理解电子衍射基本公式。2．掌握电子衍射图的成像原理和电子衍射花样的标定方法。3．掌握电子衍射图的应用。4．了解低能电子衍射的基本原理、仪器及应用。重点：电子衍射基本公式，多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征，多晶电子衍射花样的标定，单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征，单晶电子衍射花样的标定。难点：单晶电子衍射成像原理，单晶电子衍射花样的标定，低能电子衍射的基本原理。第三部分电子显微分析第七章透射电子显微分析基本知识点：第一节透射电子显微镜工作原理与组成，选区电子衍射，复杂电子衍射花样。第二节样品制备间接样品（复型）的制备，直接样品（粉末、晶体薄膜）的制备。第三节透射电子显微镜基本成像操作及像衬度成像操作，像衬度。第四节电子衍射运动学理论第五节透射电子显微镜的典型应用及其它功能简介。基本要求：1．理解透射电子显微镜的工作原理、结构与组成。2．掌握选区电子衍射的操作程序。3．了解复杂电子衍射花样的形成原理和表现形式。4．掌握透射电子显微镜对样品的要求及制备方法。5．掌握透射电子显微镜的基本成像操作方法及像衬度原理。6．了解电子衍射运动学理论。7．掌握透射电子显微镜的典型应用，了解其它功能。重点：工作原理与组成，选区电子衍射，样品制备，成像操作像衬度，透射电子显微镜的典型应用难点：选区电子衍射复杂电子衍射花样，电子衍射运动学理论。第八章扫描电子显微分析基本知识点：第一节扫描电子显微镜工作原理与组成，主要性能指标。第二节样品制备第三节像衬原理二次电子像衬原理及特点，背散射电子像衬原理及特点，其它像衬原理第四节扫描电子显微镜的应用基本要求：1．理解扫描电子显微镜的工作原理、结构与组成，掌握表征仪器性能的主要技术指标。2．熟悉扫描电子显微镜的样品制备方法。3．掌握二次电子像、背散射电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用；了解其它电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用。重点：工作原理与组成，主要性能指标，二次电子像衬原理及特点，背散射电子像衬原理及特点，扫描电子显微镜的应用难点：像衬原理。第九章电子探针X射线显微分析基本知识点：第一节波谱仪工作原理与结构，应用特点第二节能谱仪工作原理与结构，应用特点第三节电子探针的应用点分析，线分析，面分析。基本要求：1．了解波谱仪和能谱仪的工作原理，掌握它们的应用特点。2．电子探针的点分析、线分析和面分析的应用。重点：波谱仪和能谱仪的应用特点，电子探针的应用。难点：波谱仪和能谱仪的工作原理、电子探针定量分析。第四部分光谱分析第十章紫外可见（吸收）光谱分析基本知识点：第一节紫外可见分光光度计工作原理与组成。第二节紫外可见光谱的基本原理基本概念，电子光谱吸收带类型：有机化合物的电子光谱，无机化合物的电子光谱，无机固体的电子光谱。第三节样品制备液体样品的制备，固体样品的制备第四节紫外可见光谱的应用定性分析，定量分析，其它应用。基本要求：1．掌握紫外可见吸收光谱常见的概念。2．掌握有机化合物的电子光谱、无机化合物的电子光谱类型，了解无机固体的电子光谱类型。3．掌握光吸收定律。4．了解紫外可见吸收光谱仪的工作原理、结构与组成。5．了解紫外可见吸收光谱的样品制备方法。6．掌握紫外可见吸收光谱的分析方法与应用。重点：基本概念，电子光谱吸收带类型：有机化合物的电子光谱，无机化合物的电子光谱。难点：紫外可见光谱的基本原理。第十一章红外（吸收）光谱分析基本知识点：第一节红外光谱的基本原理基本概念，影响红外吸收带频率和强度的因素，典型化合物（基团）的红外光谱特征。第二节红外光谱仪分类，工作原理与组成。第三节样品制备气体样品的制备，液体样品的制备，固体样品的制备第四节红外光谱的应用定性分析，定量分析，其它应用。基本要求：1．掌握红外光谱常见的概念。2．掌握影响红外吸收带频率和强度的因素。3．熟悉典型化合物（基团）的红外光谱特征。4．了解红外光谱仪的分类、工作原理、结构与组成。5．掌握红外光谱的固体制样方法。6．掌握红外光谱的分析方法和典型应用。重点：基本概念，影响红外吸收带频率和强度的因素，典型化合物（基团）的红外光谱特征，固体样品的制备，红外光谱的应用。难点：红外光谱的基本原理。第五部分电子能谱分析第十二章电子能谱分析基本知识点：第一节俄歇电子能谱分析基本原理，俄歇电子能谱仪，分析方法与应用。第二节X射线光电子能谱分析基本原理，X射线光电子能谱仪，分析方法与应用。第三节紫外光电子能谱分析基本原理，紫外光电子能谱仪，分析方法与应用。基本要求：1．掌握俄歇电子产额与原子序数的关系，俄歇电子能谱的表示方法，化学位移概念2．了解俄歇电子能谱仪的工作原理、结构与组成。3．了解俄歇电子能谱的分析方法，掌握其应用范围。4．掌握X射线光电子能谱的表示方法，化学位移、伴峰与谱峰分裂概念。5．了解X射线光电子能谱仪的工作原理、结构与组成。6．了解X射线光电子能谱的分析方法，掌握其应用范围。7．理解紫外光电子能谱的特点，掌握其应用范围。重点：电子能谱的基本原理、分析方法与应用。难点：电子能谱的基本原理。第六部分热分析第十三章热分析法基本知识点：第一节差热分析基本原理，差热分析仪。第二节差示扫描量热法基本原理，差示扫描量热仪，影响差示扫描量热曲线及差热曲线的因素，差示扫描量热法和差热分析的应用。第三节热重法基本原理，热天平，微分热重法，影响热重曲线的因素，热重法的应用。基本要求：1．了解热分析方法的分类。2．掌握差热分析和热重法的基本原理，理解差示扫描量热法的基本原理。3．了解热分析仪的工作原理、结构与组成。4．掌握影响差热曲线、差示扫描量热曲线和热重曲线的因素。5．掌握差热曲线、差示扫描量热曲线和热重曲线的分析方法及应用重点：差热分析、差示扫描量热法和热重法的基本原理及应用。难点：影响差热曲线、差示扫描量热曲线、热重曲线的因素。第七部分其它分析方法第十四章其它分析方法简介基本知识点：质谱分析，二次离子质谱分析，穆斯堡尔谱分析，X射线荧光光谱分析，拉曼光谱分析，电子顺磁共振谱分析，核磁共振谱分析，扫描探针显微分析，场发射、场离子显微镜与原子探针等。基本要求：了解以上分析方法的基本原理、仪器及应用。重点：拉曼光谱分析和扫描探针显微分析的应用。难点：各分析方法的基本原