材料结构与表征

基本概念集锦
1、材料（materials）：人类能用来制作有用物件的物质。

2、材料的四大家族
A. 金属材料
B. 无机非金属材料
C. 高分子材料
D. 复合材料
3、材料的结构与组成
第一层次：原子结构（电子构型、化学键、原子与电子性缺陷）。

第二层次：原子在空间的排列（单晶、多晶、非晶）。

第三层次：材料的显微组织形貌（各种缺陷）。

4、简正振动：
整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及相位相同、所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置，此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。

将振动形式分成两类：
a. 伸缩振动(νs、νas）
b. 变形振动（又称弯曲振动或变角振动，用符号δ表示）
同一键型：
•反对称伸缩振动的频率大于对称伸缩振动的频率；
•伸缩振动频率远大于弯曲振动的频率；
•面内弯曲振动的频率大于面外弯曲振动的频率。

vas ＞ vs ＞＞δ面内＞δ面外
5、分子吸收红外光谱的条件
（1）振动必须能够引起分子偶极矩的变化
（2）红外辐射光的频率与分子振动的频率相当
6、红外光谱信息区
① 4000～2500 cm-1 X—H伸缩振动区
② 2500～2000 cm-1 叁键、累积双键伸缩振动区
③ 2000～1500 cm-1 双键伸缩振动区
④ 1500～ 670 cm-1 单键振动（X—Y伸缩，X—H变形振动区）及指纹区
7、振动偶合：
当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。

8、Fermi（费米）共振：
当一振动的倍频或组频与另一振动的基频接近时，由于发生相互作用而产生很强的吸收峰或裂分分裂成两个不同频率的峰。

9、
1. ＞3200：O—H（1个峰，强，宽）或N—H（H个峰，中强，锐）
2. 3000左右：C—H
3. Ω≥4：苯环（单取代双峰、邻位单峰、间位三峰、对位单峰兰移）
4. 3050、1600、1500：苯环
5. 1700：C=O
6. -CH3：4个峰（2960、2870、1460、1380）
7. -CH2-：3个峰（ 2930、2850、1460）
8. 异丙基：1385、1375等强双峰
9. C=C：单取代双峰，多取代单峰；顺式（690）、反式（970）
10. -(CH2)n-：n≥4时，720弱峰
10、红外光谱仪类型：
色散型：利用单色器作为色散元件（60年代）
干涉型：傅立叶变换红外光谱仪，利用光的干涉作用测定，没有色散元件（70年代）
11、
12、拉曼光谱：
当用一定频率的激发光照射分子时，一部分散射光的频率和入射光的频率相等，称为瑞利散射。

另外一部分散射光的频率和激发光的频率不等，称为拉曼散射（拉曼散射：光波在被散射后频率发生变化的现象。

）。

拉曼散射所导致的拉曼位移与入射光频率无关，而只取决于分子振动能级的变化，即只与散射分子本身的结构有关。

13、拉曼光谱发展史：
1923年，德国物理学家斯迈克尔（A.Semkal）在理论上预言了光的非弹性散射，指出光通过介质时,其频率和相位都会发生无规律的变化。

1928年，印度物理学家拉曼（C.V.Raman）发现了光的非弹性散射。

14、Raman位移：
Stokes线或反Stokes线的频率与入射光频率之差，称为Raman位移。

①当入射光子(hv0)把处于E0能级的分子激发到E0+hv0能级，因这种能态不稳定而跃回E1能级，其净结果是分子获得了E1与E0的能量差h，而光子就损失了这部分的能量，即使散射光频率小于入射光频率，产生Stokes线。

②当入射光子(hv0)把处于E1能级的分子激发到E1+hv0能级，因这种能态不稳定而跃回E0能级，这时分子就要损失掉E1与E0的能量差h，而光子获得了这部分的能量,结果是散射光频率大于入射光频率，这样就产生了反Stokes线。

15、红外与拉曼法则
（1）互排法则：凡有对称中心的分子，IR和Raman活性是相互排斥的。

（2）互允法则：一般来说，不具备对称中心的分子，其IR和Raman光谱的活性是可以并存的。

（3）互禁法则：少数分子的振动在IR和Raman中都是非活性的。

16、比较
17、拉曼光谱仪（激发光源、滤光器、单色器、检测装置）
激光：提供激发光源
滤光片：消除占优势的Rayleigh散射
单色器：将拉曼散射光分光并减弱杂散光
检测器：检测拉曼散射信号
18、核磁共振：
磁矩不为零的原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

19、能级分裂：
顺磁场，能量低；逆磁场，能量高。

两者的能级差随H０增大而增大，这种现象称为能级分裂，或称塞曼分裂。

20、进动：
在静磁场中原子核绕其自旋轴旋转，而自旋轴又与静磁场保持某一夹角θ作旋进运动，使磁矩有趋向于外磁场方向的趋势。

这种运动方式就是进动（又称Lamor进动）。

21、共振吸收条件：
（1）ν0＝ν：照射频率必须等于原子核进动频率。

（2）△m=±1：根据量子选律，跃迁只能发生在两个相邻能级间。

22、饱和：
当低能级的核吸收了射频辐射后，被激发至高能态，同时给出共振吸收信号。

但随实验进行，只占微弱多数的低能级核越来越少，最后高、低能级上的核数目相等，此时从低到高与从高到低能级的跃迁的数目相同，体系净吸收为0，共振信号消失！
23、弛豫：
由于受到核外电子云的屏蔽作用，无法通过碰撞释放能量。

处于高能态的核通过非辐射途径释放能量而及时返回到低能态的过程。

由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。

24、纵向弛豫T1:
受激态高能级磁核将能量传递给周围的介质粒子，自身回复到低能磁核的过程。

25、横向弛豫T2:
受激态高能级磁核将能量传递给同种低能级磁核，自身回到低能级磁核的过程。

26、弛豫时间：
驰豫过程所需的时间用半衰期T表示。

T越大，高能态寿命越长，驰豫效率越低。

27、自旋偶合：
核磁共振中，除了外磁场H0引起的核的能级裂分外，还存在由于相邻两个(组)磁性核自旋产生的次生场相互干扰引起的能级的进一步裂分，也称自旋裂分。

28、简单偶合的特征：
①服从n+1规律；
②遵守（a+b)n规则；
③符合“向心法则”
【解释】：
1、n+1规律：某类质子分裂的峰数目取决于邻近磁核所能给出不同磁矩的自
旋方式结合的数目，即某氢核与n个相邻氢偶合时将被分裂为n+1重峰，而与该基团本身的氢数无关。

2、（a+b)n规则：裂分峰的强度比符合(a+b)n展开式各项系数之比。

3、向心法则：相互偶合的两组峰为内高外低彼此相靠。

29、化学等价质子、磁等价质子、磁不等价质子
1、化学等价质子：
具有相同化学位移的质子
2、磁等价质子：
分子中若有一组自旋核，其化学位移相同，并且它们各个自旋核对组外任何一个磁核的偶合常数彼此也相同，那么这组核称为磁等价质子。

3、磁不等价质子：
化学等价但对组外质子的偶合作用不同的一组质子。

30、1H-NMR谱提供的信息
①峰的数目：分子中有多少种不同类型的氢。

②峰的位置：分子中氢的类别。

③峰的强度（积分高度）：每种氢的数目。

④峰的裂分数目：邻近碳上氢原子的个数
31、13C-NMR谱的特点
①信号强度低。

②化学位移范围宽。

③偶合常数大。

④弛豫时间长。

32、13C-NMR谱的类型
1、质子非去偶谱
2、宽带去偶谱(全去偶谱)
3、偏共振去偶谱
4、选择氢去偶谱
33、质谱基本原理：
使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。

在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

34、质谱仪的结构
进样系统、离子源、质量分析器、检测器、数据系统
常用离子源：电子电离源（EI）、化学电离源（CI）、场致电离源（FI）、场解吸电离源（FD）、快原子轰击电离源（FAB）、电喷雾电离源（ESI）、大气压化学电离源(APC)等。

作用：将不同碎片按质荷比m/e分开
35、γH重排条件：
①含有C=O， C=N，C=S等碳碳双键；
②与双键相连的链上有γ碳，并在γ碳有H原子（γ氢）；
③六元环过渡，γH转移到杂原子上，同时β键发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子。