材料分析测试技术复习题
【第一至第六章】
1.X射线的波粒二象性 波动性表现为：
－以波动的形式传播，具有一定的频率和波长
－波动性特征反映在物质运动的连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射现象
粒子性突出表现为：
－在与物质相互作用和交换能量的时候
－X射线由大量的粒子流(能量E、动量P、质量m)构成，粒子流称为光子 －当X射线与物质相互作用时，光子只能整个被原子或电子吸收或散射
2.连续x射线谱的特点，连续谱的短波限
定义：波长在一定范围连续分布的X射线，I和λ构成连续X射线谱 ? 当管压很低（小于20KV 时），由某一短波限λ0开始直到波长无穷大λ
∞，
波长连续分布
? 随管压增高，X射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长（1.5 λ0处)向短波端移动
? λ0 正比于1/V, 与靶元素无关 ? 强度I：由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数的能量总和决定（粒子性观点描述） ? 单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，与A成正比（波动性观点描述）
短波限:对X射线管施加不同电压时，在X射线的强度I 随波长λ变化的关系曲线中，在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值λ0，称为短波限。
3.连续x射线谱产生机理
【a】.经典电动力学概念解释：
一个高速运动电子到达靶面时，因突然减速产生很大的负加速度，负加速度引起周围电磁场的急剧变化，产生电磁波，且具有不同波长，形成连续X射线谱。
【b】.量子理论解释：
* 电子与靶经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生一系列能量为
2
hυ
i的光子序列，形成连续谱
max
* 存在 ev=hυ ，υ
max
=hc/ λ
0,
λ
0
为短波限，从而推出
λ0＝1.24/ V （nm) （V为电子通过两极时的电压降，与管压有关）。
* 一般 ev≥ h υ,在极限情况下，极少数电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子
4.特征x射线谱的特点
对于一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，管压增高，射线谱曲线只向短波方向移动，总强度增高，本质上无变化。
当管压超过某一临界值后，在连续谱某几个特定波长的地方，强度突然显著增大，峰窄且尖锐，这些峰对应的波长只与靶的原子序数有关，与管压和管电流无关。
<管压超过临界激发电压后才出现特征X射线谱；管压继续增大，各特征X射线的谱线强度增大，但是其波长不变。；特征X射线的波长取决于阳极靶的元素的原子序数；Z越大，临界激发电压越大>
5.特征x射线谱的产生机理
高速运动的粒子（电子或光子）将靶材原子核外电子击出去，或击到原子系统外，或填到未满的高能级上，原子的系统能量升高，处于激发态。为趋于稳定，原子系统自发向低能态转化：较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，这一降低的能量以一个光子的形式辐射出来变成光子能量，且这降低能量为固定值（因原子序数固定），因而λ固定，所以辐射出特征X射线谱。
6.比较K α线与K β线的波长和强度，为什么会产生这种区别 能量差△ε
kL
=hc/λ K α △ε
KM
=hc/ λ K β, △ε
> I K β
kL
<△
ε
KM
, 故 λ K α > λ K β;
跃迁几率L K> 5倍跃迁几率M K，故I K α
7.x射线激发电压-V激？k系辐射的激发限、激发电压、吸收限？(二次特征X射线/荧光X射线) <(1) 产生特征X射线需要的最低电压叫激发电压 (2)产生K系辐射的最小管电压叫K系辐射的激发电压
(3) 产生K系荧光辐射时，入射光子的能量必须大于或等于K层电子的逸出功: h??Wk?eVk
c（Vk 是K系辐射的激发电压） h?eVk ? hc1.24?????k
只有入射X射线的λ≤ λ
eVkVk才能产生K＝1.24/VK(nm)时，K系荧光辐射，在讨
论光电效应产生条件时， λ
K 叫K系辐射激发限。
K 叫吸收限。
【在讨论X射线被物质吸收（光电吸收）时， λ原因：μ
m＝Kλ3 Z3 当波长减小到λ
K
时，质量吸收系数突变（增大），
这是由于入射光子能量hυ 达到了激发该物质K层电子的数值，从而大量被吸收，
同时引起二次特征辐射。】
(4) 当入射光量子的能量足够大时，可以从被照射物质的原子内部击出一个电子，同时原子的外层高能态电子要向内层空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线。这种由X射线激发所产生的特征X射线称为二次特征X射线或荧光X射线。 >
8.x射线通过物质时都产生什么现象
a 相干散射 b 非相干散射 c 二次特征辐射 d x射线的衰减
<当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射，一部分被吸收，而其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。 有以下现象发生：相干散射、非相干散射（康普顿效应）、二次特征辐射、光电效应、俄歇效应、X射线的衰减和产生部分热能>
9.相干散射、非相干散射
相干散射：散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光干涉条件，可发生干涉作用，故称为相干散射。
非相干散射：量子散射波散布于空间各方向、频率不相同、位相不存在确定关系，不能发生干涉作用，故称为非相干散射。
<相干散射：物质原子中束缚较紧的内层电子受到光子的撞击，电子绕其平衡位置发生受迫振动，并作为新波源向四周辐射电磁波，散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光干涉条件，可发生干涉作用，故称为相干散射。 非相干散射：物质原子中束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子，接受撞击光子的一部分动能，成为反冲电子，原X射线光子因部分能量损失，波长增加，与原方向偏离2θ 角，量子散射波散布于空间各方向、频率不相同、位相不存在确定关系，不能发生干涉作用，故称为非相干散射。> 10.系统消光，结构因子 系统消光：因原子在晶体中位置不同或原子种类不同而引起的某些方向上的衍射线消失的现象。
由于FHKL=0而使衍射线消失的现象称为系统消光
结构因子：定量表征原子排布以及原子种类对衍射强度影响规律的参数，即晶体结构对衍射强度的影响因子。
11.简述光电子，俄歇电子和荧光x射线的形成过程
光电子：激发二次特征辐射时，入射X射线光量子的能量被激发出的电子吸收，并转变为电子能量，使电子逸出原子外，这种电子称光电子
俄歇电子：入射X射线光子激发物质原子中的电子，产生电子跃迁，同时将释放能量，一种方式是产生荧光辐射；另一种是被邻近电子或较外层电子所吸收，促使该电子受激发逸出原子外，变成二次电子，叫俄歇电子。
荧光x射线：当入射光量子的能量足够大时，可以从被照射物质的原子内部击出一个电子，同时原子的外层高能态电子要向内层空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线。这种由X射线激发所产生的特征X射线称为二次特征X射线或荧光X射线。 12.布拉格方程的物理意义是什么 凡是在满足布拉格方程的方向上的所有晶面上的所有原子散射波的位相完全相同，其振幅互相加强。在与入射线成 2 θ角的方向上就会出现衍射线。在其它方向上散射线振幅互相抵消，x射线的强度减弱或者等于零。
13.倒易点阵的概念以及性质
倒易点阵是在晶体点阵的基础上按一定对应关系和规则建立的空间几何图形，是晶体内部点阵的另一种表达形式。 ? 性质：倒易点和倒易原点
? 晶体点阵中的晶面和相应倒易点的关系
? 整个晶体中各种方位、各种面间距的晶面所对应的倒易点之总和，构成了一个三维的倒易点阵。正空间与倒空间 14.什么是爱瓦尔德作图法 答：a倒易点阵的另一个应用
b爱瓦尔德图解法是布拉格定律的几何表达形式
15.x射线衍射方法有哪些 方法 劳埃照相法 周转晶体法 粉末法 晶体 单晶体 单晶体 多晶体 λ 变化 不变化 不变化 θ 不变化 变化 变化 16.粉末照相法的特点和原理 原理：衍射束均在反射圆锥面上，圆锥的轴为入射束。
各圆锥由特定的晶面（hkl）反射引起
（hkl）满足布拉格方程，在与入射束成2θ 角的方向上产生衍射，衍射线形成一个相应的4θ 顶角的圆锥。
<原理：入射线满足布拉格方程时在2θ角方向上衍射，衍射线形成一个相应的以入射线为轴的4θ顶角圆锥。
特点：照相法则是用底片同时记录可摄角度空间内的全部衍射线，在需观察衍射环的外貌特点时(是否不连续,样品中是否存在择优取向等),用照相法较为方便. > 17.靶材的选择原则及其原理 为避免入射X射线在试样上产生荧光X射线，且被试样吸收最小，若试样的K系吸收限为
λ k，则应选择靶的λ
Kα 略大于
λ k
一般由如下经验公式：
Z靶≤ Z试样＋1
18.为什么采用滤波片？怎样选择滤波片
为了滤掉 K β线 ，得到波长较单一的X射线<因为大多数情况下我们都希望利用接近于“单色”即波长比较单一的X射线，> 质量吸收系数为
μ
m、吸收限为
λ
K的物质，可以强烈地吸收λ ≤
λ
K 这些
波长的入射X射线，对于λ >波片
λ
K 的X射线吸收很少。因此选择
λ
K β < 滤
λ
K<
λ
Kα（见图4-2)
滤波片材料是根据靶材元素确定的：表1-2
当Z靶<40时， Z片＝ Z靶－1 当Z靶≥ 40时， Z片＝ Z靶－2
19.简单立方点阵，面心立方点阵，体心立方点阵的消光规律是什么
布拉菲点阵 存在的谱线指数hkl 不存在的谱线指数 hkl 简单 全部 没有 底心 h+k偶数 h+k奇数 面心 h,k,l同性数 h,k,l异性数 体心 (h+k+l)偶数 (h+k+l)奇数 <(1)在简单点阵的情况下，FHKL与HKL无关，，即HKL为任意整数时，都能产生衍射
(2) 在体心点阵中，只有当H+K+L为偶数时才能产生衍射
(3) 在面心立方中，只有当H、K、L全为奇数或全为偶数时才能产生衍射>
20.叙述x射线衍射仪的主要构造，工作原理及其用途 1.X射线发生器； 2.衍射测角仪； 3.辐射探测器； 4.测量电路；
5.控制操作和运行软件的电子计算机系统
用途：利用各种辐射探测器来记录衍射线条，研究X-ray和晶体的交互作用，了解晶体的结构与缺陷 工作原理： 21.叙述多相混合物的x射线定性物相分析原理 原理： 1）结晶物质有自己独特的衍射花样（d 和θ和 I），特定晶体结构与衍射花样一一对应; 2）多种结晶状物质混合或共生的衍射花样也只是简单叠加，互不干扰，相互独立。
22.多相混合物的x射线定性分析方法和步骤
定性物相分析方法：将由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组（PDF卡片）进行对比，以鉴定出试样中存在的物相。
定性相分析一般要经过以下步骤：
? （1）获得衍射花样：衍射仪法。
? （2）计算南间距d值和测定相对强度I/I1值（ I1为最强线的强度）：定性相分析以2 θ <90°的衍射线为主要依据。
? （3）检索PDF卡片：人工检索或计算机检索(三强线)。 ? （4）最后判定：判定唯一准确的PDF卡片。
23.x射线衍射技术定量分析的方法
外标法 内标法 K值法 直接比较法
外标法：将所需物相的纯物质另外单独标定，再与多相混合物中待测相的相应衍射线相比较而进行测定的。
内标法：在被测的粉末样品中加入一种恒定含量的标准物质制成复合试样，再通过复合试样中A相某根衍射线条强度与标准物质某根衍射线条强度相比较，获得A相含量
K值法 ：先测定参比强度K值，再用被测相质量含量W测和衍射强度线性方程计算
直接比较法：以试样中另一个相的某根衍射线条作为标准线条，然后进行比较 24.k值法的定义及其分析原理。利用k值法怎样判断混合物中非晶的存在，并定出其含量 jK（1）测定 （参比强s值。制备Wj∶Ws=1∶1的两相混合样。
度 Ks）
jIj（Ij、Is各选一个最强衍射峰） j
Ks?Is（2）制备待测相的复合样：掺入与 Ksj相同的内标物质，含量Ws可不同。
（3）测量复合样。精确测量
jIj、Is，所选峰及条件与 s同。
Kj（4）通过 求待测相含量。求得 Wj’=Ws *（Ij/Is）sK* 1/Kj (4-24)
（4-24式）公式变形为：
若4-27式的左右相等，则原始试样中全是结晶相；若左<右，有非晶相；若左>右，K值不准确。
25.宏观应力和微观应力的定义，他们使x射线衍射图谱有何变化？
宏观应力：在物体较大范围或许许多多晶粒范围内存在并保持平衡的应力
引起衍射线的位移 微观应力：a在一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的应力或b在若干个原子范围内存在并保持平衡的内应力
a一般能使衍射线条变宽，有时也会引起线条位移 b能使衍射线强度减弱
<分为第二类应力：一个或少数晶粒范围内存在并保持平衡的力，一般能使衍射线条变宽但有时也会引起线条位移。第三类应力：在若干个原子范围内存在并保持平衡的内应力，它能使衍射线强度减弱。> 26.单轴应力的测定原理 答：单轴应力的测定原理看ppt上，书上有错误。看 sin2o法
27.x射线衍射法在材料科学研究中所应用的领域 可以测量材料微观内部结构、固态相变、形变等，也可以测量单轴应力，进行物相分析
【第11、14、15章结构分析部分】
【核磁共振与顺磁共振部分】
一、核磁共振的原理 （11章P7-8） 【1】、定义：处于外磁场中的自旋核接受一定频率的电磁波辐射，当辐射的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差时，处于低能态的自旋核吸收电磁辐射能跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振，简称NMR。 【2】、产生的条件：(11章P15-16) (1) 核有自旋，产生核磁矩(磁性核)； (2) 外磁场，能级裂分;
(3) 照射频率与核磁在外磁场中的进动频率相等
hH0公式的意义： l电2?
1) 对于不同的原子核，由于磁旋比?不同，发生共振的条件不同。
2) 对于同一种原子核来说， ?值一定，共振频率?随外磁场H0而改变。 【3】、饱和与弛豫(11章P18)
1）饱和现象：NMR信号是依靠稍多的低能级原子核产生的。低能级的核在强磁场作用下吸收能量可跃迁到高能级，使低能级的核数目的减少，最终使高低能级的核数目相同，体系无能量变化，吸收信号消失，导致饱和现象的发生。 2）弛豫过程
高能态的核以非辐射的形式放出能量回到低能态重建Boltzmann分布的过程。 两种驰豫方式（11章P19-20） ? 自旋晶格弛豫（纵向弛豫）
处于高能态的核通过交替磁场将能量转移给周围的分子，即体系往环境释放能量，本身返回低能态，磁核的总体能量降低，此过程即自旋晶格弛豫。 ? 自旋-自旋弛豫（横向弛豫） 两个处在一定距离内，进动频率相同、进动取向不同的核互相作用，交换能量，改变进动方向的过程称为自旋-自旋弛豫。此过程未降低磁核的总体能量。
二、化学位移 【1】、化学位移的定义(11章P22)
????? 分子内或分子间的同类核，因化学环境不同引起的共振频率不同的现象。 【2】、表示方法：
1）用赫兹表示化学位移(11章P28)
2）位移常数?表示化学位移(11章P29)
?样??参?参??样6???10＝?106?(?参??样)?106?参1??参H参?H样?参??样6???10??106?(?参??样)?106H参1??样 【3】、影响化学位移的因素（11章P31） a.诱导效应
b.化学键的各向异性 c.共轭效应
d.浓度、温度、溶剂对δ值的影响 e.溶剂对δ值的影响
三、自旋偶合与自旋裂分 【1】、自旋偶合（11章P43）
分子内部邻近磁不等性原子核的自旋相互作用或干扰。这种原子核的相互作用叫自旋偶合。 【2】、自旋裂分（11章P43）
由自旋偶合引起的谱线增多的现象，叫自旋裂分。 【3】、（n+1）规律（11章P46？？） 【4】、偶合常数（11章P47）
自旋偶合等间距裂分峰之间的距离成为偶合常数(J )，反映了核之间的偶合作用的强弱。 【5】、化学等价与磁等价（11章P49）
化学等价：具有相同位移值的核称为化学等价核，具有相同的化学环境。 磁 等 价：具有相同位移值、并且对组外的其他核的偶合常数也相同。磁等价的核不产生裂分。
四、谱图解释（11章P52-83？？？） 谱图所反映的信息：
化学位移、偶合常数、吸收峰面积
五、电子顺磁共振波谱 【1】、基本原理（11章P84） 【2】、ESR(EPR)与NMR方法的对比（11章P95和卷子）
【3】、电子顺磁共振波谱的应用（11章P92-94）
【红外吸收光谱与激光拉曼光谱部分】 一、产生红外吸收光谱（15章P18）、拉曼散射光谱（15章P82？？）的条件 二、影响红外吸收谱带强度及吸收峰位移的因素 （15章P21-22、P23-28） 强度影响：偶极矩和跃迁概率； 三、IR主要官能团区、指纹区的振动频率，主要红外谱图集（15章P44-48和P56）
-1 (1)4000 ? 2500 cm X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S）
-1
(2)2500 ? 1900 cm 三键，累积双键伸缩振动区 (3)1900 ? 1200 cm-1 双键伸缩振动区
(4)1200 ? 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区 四、了解红外光谱仪（15章P29-34\\P38-41）、激光拉曼光谱仪（15章P92/P93-95）的结构及试样制备方法 五、多原子分子的振动自由度与振动形式：伸缩振动和弯曲（变形）振动。
六、重要概念 【1】、基团的特征吸收频率；（15章P43） 【2】、基频、倍频、组合频；（15章P19） 【3】、拉曼散射与瑞利散射；（15章P81） 【4】、拉曼位移与退偏比；（15章P86、P90） 【5】、振动偶合与费米共振（15章P26、P27）
【热分析部分】 1、TG、DTA、DSC的基本原理。（14章P26、P9、P22-23？？） 2、为什么DSC比DTA更方便用于定量的热分析？（14章P25？？？） 3、结合所学专业知识，简述热分析在材料研究中的作用。（14章P35-结尾？？）
例1、请根据已知化合物的IR图，试指出A、B、C、D、E、F各峰所代表的基团。
例2、请根据已知化合物的IR图，试指出A、B、C、 D、E、F、G各峰所代表的基团。
例3、根据一已知化合物的结构和测定出IR图谱，标出指定峰所对应的基团。
4、化合物，在谱图上，
有几组峰？从高场到低场各组峰的面积比为多少？
5、在下列化合物中，用字母标出的4种质子，它们的化学位移(δ)从大到小的顺序如何？
6、乙烯质子的化学位移值(δ)比乙炔质子的化学位移值大还是小？其原因是什么？
7、图16.27所示为化学式C4H8O2的化合物1H-NMR，试分析其结构。
8、某化合物的化学式为C9H13N，其1H NMR谱为图所示，试推断其结构。
9、
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