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？

化学成分分析（元素分析）：谱学法：①常规方法（平均成分）：湿化学法 、光谱分析法②先进方法（种类、浓度、价态、分布 ）：电子探针、俄歇电子能谱、光电子能谱、X 射线荧光光谱等 晶体结构分析（物相分析）：衍射法：主要包括X 射线衍射、电子衍射、中子衍射、射线衍射等；

显微结构分析（显微形貌分析）：显微法：主要包括光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、 原子力显微镜、场离子显微镜等； 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研究工作，有哪些实际应用？（说出三种以上分析方法及原理）

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研究工作，有哪些实际应用？（说出四种以上分析方法及原理） 4．什么是（主）共振线、分析线、灵敏线、最后线？

共振线：是指电子在基态与任一激发态之间直接跃迁所产生的谱线。

主共振线：电子在基态与最低激发态之间跃迁所产生的谱线则称为主共振线。 灵敏线：原子光谱中最容易产生的谱线，一般主共振线即为灵敏线

最后线：当样品中某元素的含量逐渐减少时，最后仍能观察到的几条谱线。它也是该元素的最灵敏线。

5．原子发射光谱定性分析基本原理和定量分析的依据及定性、定量分析方法。 定性分析：基本原理：如果样品中有某些元素存在，那么只要在合适的激发条件下，样品就会辐射出这些元素的特征谱线，在感光板的相应位置上就会出现这些谱线。检出某元素是否存在，必须有2条以上不受干扰的最后线与灵敏线。分析方法：常采用摄谱法，通过比较试样光谱与纯物质光谱或铁光谱来确定元素的存在。即标准试样光谱比较法和铁光谱比较法

定量分析：依据： 据此式可以绘制

校准曲线，进行定量分析。分析方法：校正曲线法和标准加入法 6．原子吸收光谱的基本原理与分析方法。

基本原理：当入射辐射的能量等于原子中的电子由基态跃迁到较高能态所需要的能量时，原子就要从辐射场中吸收能量，产生共振吸收，电子由基态跃迁到激发态，同时伴随着原子吸收光谱的产生。由于各元素的原子结构和外层电子的排布不同，元素从基态跃迁至第一激发态时吸收的能量不同，因而各元素的共振吸收线具有不同的特征。原子吸收光谱位于紫外区和可见区。 分析方法：标准曲线法和标准样加入法

7．红外光谱分析的基本原理、方法及应用。

基本原理：分子的振动具有一些特定的分裂的能级。当用红外光照射物质时，该物质结构中的质点会吸收一部分红外光的能量。引起质点振动能量的跃迁，从而使红外光透过物质时发生了吸收而产生红外吸收光谱。被吸收的特征频率取决于物质的化学成分和内部结构。每一种具有确定化学组成和结构特征的物质，都应具有特征的红外吸收谱图（谱带位置、谱带数目、谱带宽度、谱带强度）等。当化学组成和结构特征不同时，其特征吸收谱图也就发生了变化。 方法：根据红外光谱的特征吸收谱图对物质进行分析鉴定工作，按其吸收的强度来测定它们的含量。 应用：1）、有机化学领域，无机化合物、矿物的红外鉴定；2）、利用红外光谱可以测定分子的键长、键角大小，并推断分子的立体构型，或根据所得的力常数，间接得知化学键的强弱，也可以从简正振动频率来计算热力学函数等；3）、主要用途：对物质作定性分析和定量分析。

8．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？

基本原理：按照量子理论，光的散射是光量子与分子碰撞的结果；分为：弹性散射和非弹性散射。

弹性散射：光量子与分子不交换能量，因而光量子的能量和频率保持不变。非弹性散射：光量子与分子之间有能量交换。有两种情况：（1）分子处于基态振动能级，与光子碰撞后，从光子中获取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ν1，那么分子从低能级跃到高能级从入射光中得到的能量为h ν1，而散射光子的能量要降低到h ν0-h ν1，频率降低为ν0-ν1。（2）分子处于振动的激发态上，并且在与光子相碰时可以把h ν1的能量传给光子，形成一条能量为h ν0+h ν1和频率为ν0+ν1的谱线。

通常把低于入射光频的散射线ν0-ν1称为斯托克斯线。高于入射光频的散射线ν0+ν1称为反斯托克斯线。ν1称为拉曼位移，拉曼位移的大小取决于分子振动跃迁能级差。

9．X 射线荧光光谱定性、定量分析的基本原理，什么是基本体吸收效应？如何消除？

定性分析——根据波长或能量确定成分；定量分析——根据强度确定成分含量。 基本体吸收效应：试样的吸收系数与其成分有关，当试样的化学成分变化时，其吸收系数也随之改变。

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。

吸收包括两部分：一次X 射线进入试样时所受的吸收和荧光X 射线从试样射出时所受的吸收。

吸收的多少与X 射线的波长和试样中各元素的含量、吸收系数及其吸收限有关。 采用实验校正法、数学校正法消除

10． 波谱仪与能谱仪的展谱原理及特点。

11． XPS 的分析原理是什么？

XPS 的测量原理是建立在Einstein 光电效应方程基础上的，光电子动能为：E c =hv- E B -(-w ) 式中hv 和-w 是已知的，E c 可以用能量分析器测出，于是E B 就知道了。同种元素的原子，不同能级上的电子E B 不同，所以在相同的hv 和-w 下，同一元素会有不同能量的光电子，在能谱图上，就表现为不止一个谱峰。其中最强而又最易识别的就是主峰，主要用主峰来进行分析。不同元素，元素各支壳层的E B 具有特定值，所以用能量分析器分析光电子的E c ，便可得出E B ，对材料进行表面分析。

12． XPS 的应用及特点，XPS 中的化学位移有什么用？

X 射线光电子能谱主要应用：分析表面化学元素的组成、化学态及其分布，特别是原子的价态、表面原子的电子密度、能级结构。即元素定性分析（元素以及该元素原子所处的化学状态）、定量分析、化合物结构鉴定、表面分析、深度分布分析

特点：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轻微的，定量也是最好的。

(1)可以分析除H 和He 以外的所有元素，可以直接得到电子能级结构的信息。 (2) 它提供有关化学键方面的信息，即直接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，互相干扰少，元素定性的标志性强。(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10-8

g 即可，绝对灵敏

度高达10-18

g ，样品分析深度约2 nm 。

它的缺点是由于X 射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。

XPS 中的化学位移作用：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。原子核附近的电子受核的引力和外层价电子的斥力，当失去价电子而氧化态升高时，电子与原子核的结合能增加，射出的光电子动能减小。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。这种化学位移与氧化态有关的现象，在其他化合物中也是存在的，利用这一信息可研究化合物的组成。

13． 俄歇电子能谱分析的原理、应用及特点。 原理：原子K 层电子被击出，L 层电子（L2）向K 层跃迁，其能量差ΔE=EK-EL2可能不是以产生一个K 系X 射线光量子的形式释放，而是被邻近的电子（L2）所吸收，使这个电子受激发而成为自由电子，这就是俄歇效应，这个自由电子就称为俄歇电子。，俄歇电子的能量与参与俄歇过程的三个能级能量有关。ΔE =E K -E L2-E L2 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：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、复合材料等界面研究；

3）薄膜、多层膜生长机理的研究；4）表面的力学性质 （如摩擦、磨损、粘着、断裂等）研究；

5）表面化学过程（如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等）研究；6）集成电路掺杂的三维微区分析；7）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 ，深度分辨率约为l nm ，横向分辨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 、O 、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。

14． 扫描隧道显微镜基本原理及特点、工作方式。

基本原理：量子力学认为：电子波函数ψ向表面传播，遇到边界，一部分被反射（ψR ），而另一部分则可透过边界（ψT ），从而形成金属表面上的电子云。粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。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。

特点：1）STM 结构简单。2）其实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 范围内变化。这是目前任何一种显微技术都不能同时做到的。4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分辨率可以分别达到0.1nm 和0.01nm 。因此可直接观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 ），从而可以研究材料表面化学结构和电子状态。6）不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。 工作方式：恒电流模式：扫描时，在偏压不变的情况下，始终保持隧道电流恒定；

恒高模式：始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫描，随样品表面高低起伏，隧道电流不断变化。

15． 原子力显微镜工作原理及应用。

工作原理：原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术，它的仪器构成（机械结构和控制系统）在很大程度上与扫描隧道显微镜相同。如用三维压电扫描器，反馈控制器等。它们的主要不同点是扫描隧道显微镜检测的是针尖和样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是针尖和样品间的力。

应用：原子力显微镜对所分析样品的导电性无要求，已成为表面科学研究的重要手段，在金属、无机、半导体、电子、高分子等材料中得到了广泛应用。（一）几十到几百纳米尺度的结构特征研究 （二）原子分辨率下的结构特征研究（三）在液体环境下成像对材料进行研究（四）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)（五）实现对样品表面纳米加工与改性

16． 什么是离子探针？离子探针的特点。

离子探针微区分析仪，简称离子探针。在功能方面离子探针与电子探针类似，只是以离子束代替电子束，以质谱仪代替X 射线分析器。利用细小的高能（能量为1~20keV ）离子束照射在样品表面，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，特别是可分析氢。 17． 场离子显微镜的成像原理。

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附近，在极高的电位梯度作用下气体原子发生极化，即使中性原子的正、负电荷中心分离而成为一个电偶极子。

极化原子被电场加速撞击样品表面，气体原子在针尖表面作连续的非弹性跳动。 尽管样品的尖端表面呈半球形，可是由于原子的不可分性使得这一表面实质上是由许多原子平面的台阶所组成，处于台阶边缘的原子总是突出于平均的半球形表面而具有更小的曲率半径，在其附近的场强亦更高。

当弹跳中的极化原子陷入突出原子上方某一距离（约0.4nm ）的高场区域时，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 。

此时，成像气体的离子由于受到电场的加速而径向地射出，当它们撞击观察荧光屏时，即可激发光信号。

18． 什么是穆斯堡尔效应？穆斯堡尔谱的应用。 无反冲核γ射线发射和共振吸收现象称为穆斯堡尔效应。

lg lg lg I b c A =+lg lg I c -

原子核（发射体）从激发态跃迁到基态，发射出具有能量为E（能级差）的γ 光子.这一γ光子在通过同种元素处于基态的原子核（吸收体）时，将被原子核吸收。吸收体中的原子核吸收了γ光子的能量便可跃迁到激发态，这就是原子核的共振吸收。

应用：（一）分析化学的工具。可用于测定矿石、合金和废物中的总含铁量和总含锡量。（二）在金属材料研究中的应用。穆斯堡尔核作为试探原子，能获得原子尺度内微观结构的信息，是研究钢的淬火、回火，有序-无序转变、时效析出、固溶体分解等过程的动力学，晶体学和相结构等问题的有效工具。（三）磁性材料研究。可用于判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，研究磁性材料中的非磁性相。（四）生物学和生物化学的应用。可用于研究包括红血蛋白、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研究。（五）地质、考古方面，穆斯堡尔谱学也是一种有用的“指纹”工具。

19．核磁共振的基本原理及共振条件。

20．DTA的基本原理，DTA在材料研究中有什么用处？

原理：在程序控制温度下，测量物质与参比物（基准物）的温度差随时间或温度变化。当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收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。

用处：1、凡是在加热（或冷却）过程中，因物理-化学变化而产生热效应的物质，均可利用差热分析法加以研究。合金相图的建立、玻璃及陶瓷相态结构的变化、非晶晶化动力学的研究、凝胶材料烧结进程研究2、可用于部分化合物的鉴定3、依据差热分析曲线特征，如各种吸热与放热峰的个数、形状及位置等，可定性分析物质的物理或化学变化过程，还可依据峰面积半定量地测定反应热。21．影响差热曲线形态的因素主要有哪些？

（一）实验条件的影响1．升温速率的影响。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．气氛的影响3．参比物的影响（二）仪器因素的影响。仪器因素是指与热分析仪有关的影响因素，主要包括：加热炉的结构与尺寸、坩埚材料与形状、热电偶性能及位置等。（三）样品的影响1．样品用量的影响。通常用量不宜过多，因为过多会使样品内部传热慢、温度梯度大，导致峰形扩大和分辨率下降。2．样品形状及装填的影响。样品形状不同所得热效应的峰的面积不同，以采用小颗粒样品为好，通常样品应磨细过筛并在坩埚中装填均匀。3．样品的热历史的影响。许多材料往往由于热历史的不同面产生不同的晶型或相态，以致对DTA 曲线有较大的影响

22．DSC的基本原理及应用。

DSC（差示扫描量热法）是在程序控制温度下，测量输入给样品和参比物的功率差与温度之间关系的一种热分析方法。

应用：差示扫描量热法与差热分析法的应用功能有许多相同之处，但由于DSC 克服了DTA以ΔT间接表达物质热效应的缺陷，分辨率高、灵敏度高等优点，因而能定量测定多种热力学和动力学参数，且可进行晶体微细结构分析等工作。样品焓变的测定、样品比热的测定、研究合金的有序—无序转变、

23．相干散射与非相干散射及对衍射的贡献。

24．光电效应、荧光辐射、俄歇效应，荧光产率与俄歇电子产率。

光电效应：在外界光的作用下，物体（主要指固体）中的原子吸收光子的能量，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。如果能量足够、方向合适，便可离开物体的表面而逸出，成为光电子。

荧光辐射：处于激发态的原子，要通过电子跃迁向较低的能态转化，同时辐射出被照物质的特征x射线，这种由入射x射线激发出的特征x射线，称为二次特征x射线（荧光x射线）此种辐射又称为荧光辐射

俄歇效应：原子K层电子被击出，L层电子（L2）向K层跃迁，其能量差ΔE=EK-EL2可能不是以产生一个K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近的电子（L2）所吸收，使这个电子受激发而成为自由电子，这就是俄歇效应

荧光产率与俄歇电子产率：在激发原子的去激发过程中，存在两种不同的退激发方式：一种是俄歇跃迁过程；另一种是荧光过程。俄歇跃迁几率（P A）与荧光产生几率P X之和为1：P A+P X=1 当元素的原子序数小于19时（即轻元素），俄歇跃迁几率（PA）在90以上。直到原子序数增加到33时，荧光几率才与俄歇几率相等。

25．产生衍射的必要条件（布拉格方程）及充分条件。

26．晶粒大小与X射线衍射线条宽度的关系。

27．物相定性分析、定量分析的原理。

28．扫描电镜二次电子像与背散射电子像。

29．扫描电镜图像衬度（形貌衬度、原子序数衬度）。

30．什么是电子探针？电子探针的原理及工作方式。