《材料分析测试方法A》-教学大纲

《材料分析测试方法A》课程教学大纲

课程英文名称：Materials Analysis Techniques (A)

课程编号：113990090

课程类别：专业课

课程性质：必修课

学分：4

学时：64（其中：讲课学时：48 实验学时：16 上机学时: ）

适用专业：材料物理

开课部门：材料科学与工程学院

一、课程教学目的和课程性质

材料分析测试方法（A）是为材料物理本科专业学生开设的专业必修课之一。

材料分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌、缺陷等方面的现代分析测试技术及其有关理论基础的科学。现代分析测试方法在材料生产过程中原材料的检测、产品质量监控以及新材料的研究与开发等方面具有重要的作用，它们既是材料分析测试的手段，也是材料科学研究必不可少的方法，是材料物理专业学生必备的专业知识之一。

通过本课程的教学，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，使学生能够独立（或与专业分析测试人员一起）拟定材料分析测试方案，进行材料分析和研究工作，为学生毕业后从事材料生产、检测、研发以及进一步深造打下良好的基础。

本课程的总体要求是，学生通过本课程的学习，能够：

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、拉曼光谱分析、扫描探针显微分析、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、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。

二、本课程与相关课程的关系

前修课程：高等数学、大学物理、无机及分析化学、物理化学、晶体学、量子力学、固体物理、材料科学基础等。

后继课程：材料物理专业综合实验、毕业论文等。

三、课程的主要内容及基本要求

（一）理论学时部分

前言（1学时）

[知识点] 本课程的性质、主要内容及其与其它课程的关系等。

[重点] 材料分析测试方法的主要内容及相关方法。

[基本要求] 了解本课程的性质、主要内容及其与本专业其它课程的关系。

第一章电磁辐射与材料结构（2学时）

[知识点] 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；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。

[重点] 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。

[基本要求]

1、识记：波数、分子振动、伸缩振动、变形振动（或弯曲振动，或变角振动）、晶带。

2、领会：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，电磁波谱的分区及各区电磁波的波长范围、能量范围、频率范围及产生机理，物质波的德布罗意关系式，多电子原子中电子与电子相互作用和偶合方式，分子轨道的形成与分子轨道的类型，分子总能量的构成和能级结构，双原子分子的振动模型——弹簧谐振子模型，多原子分子振动的类型（模式），核自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系，能带的形成，能带结构的基本类型及相关概念，用能级示意图表示光谱项的光谱支项与塞曼能级。

3、简单应用：电子波波长的计算，干涉指数与晶面指数的关系及其表示方法，晶带轴指数与晶面指数之间的关系。

4、综合应用：倒易矢量的基本性质与立方晶系晶面间距与晶面夹角的计算。

第二章电磁辐射与材料的相互作用（3学时）

[知识点] 概述：辐射的吸收与发射，辐射的散射，光电离；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；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。

[重点] 辐射的吸收与发射，分子光谱和电子能谱基础，X射线与物质的相互作用。

[难点] 辐射的散射，X射线的衰减。

[基本要求]

1、识记：辐射的吸收、吸收光谱、辐射的发射、荧光、磷光、发射光谱、荧光（磷光）光谱、辐射的散射、散射基元、瑞利散射、拉曼散射、X射线相干散射、X射线非相干散射、光电效应、光电子能谱、分子光谱、紫外可见光谱（电子光谱）、红外光谱、红外活性与红外非活性、K系特征辐射、Kα射线、Kβ射线、短波限、吸收限、线吸收系数、质量吸收系数。

2、领会：辐射吸收的本质和条件、辐射发射的前提、辐射激发的方式，拉曼散射的本质，晶体中的电子散射，光电离，光电子发射过程及其能量关系，俄歇电子的产生（俄歇效应），核磁共振现象，连续X射线谱的特征，特征X射线的产生机理和莫塞菜(Moseley)定律，X射线谱系，X射线的衰减，X射线的防护。

3、简单应用：光谱法的分类，原子光谱的常用类型，分子光谱的常用类型，红外光谱的光谱选律（选择定则），光电子能谱图的表示方法，俄歇电子的标识，俄歇电子能谱图的表示方法。

4、综合应用：X射线与物质相互作用及据此建立的主要分析方法。

第三章粒子（束）与材料的相互作用（2学时）

[知识点] 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；离子（束）与材料的相互作用：散射，溅射与二次离子。

[重点] 电子的散射，电子与固体作用产生的信号及建立的主要分析方法。

[难点] 离子散射，溅射。

[基本要求]

1、识记：连续X射线，特征X射线，散射角（2θ），电子吸收，二次电子，俄歇电子，背散射电子，吸收电流（电子），透射电子，溅射，二次离子。

2、领会：物质对电子散射的基元、种类及其特征，二次电子的产额与入射角的关系

3、简单应用：入射电子产生的各种信息的深度和广度范围。

4、综合应用：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，离子束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。

第四章材料分析测试方法概述（2学时）

[知识点] 衍射分析方法概述：X射线衍射、电子衍射；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；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；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；色谱、质谱及电化学分析方法概述。

[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。

[基本要求]

1、识记：比较名词、术语：元素定性分析与物相定性分析；元素定量分析与物相定量分析；物相定性分析与化合物结构定性分析；化合物结构定性分析与结构分析；化合物定性分析与定量分析；元素分析与组分分析；晶体结构分析与物相定性分析；表面结构分析、表面结构缺陷分析与表面化学分析；微区结构分析与微区形貌观察。

2、领会：熟悉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；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。

3、简单应用：为材料的某一分析项目选择较合适的分析测试方法。

4、综合应用：为某一材料或某类材料的多个分析项目拟定分析测试方案、选择分析测试方法。

第五章 X射线衍射原理（3学时）

[知识点] 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。

[重点] 布拉格方程、晶胞衍射强度。

[难点] 衍射强度理论。

[基本要求]

1、识记：掠射角（布拉格角）、散射角、衍射角、结构因子、系统消光、点阵消光、结构消光。

2、领会：布拉格方程的导出，衍射矢量方程、厄瓦尔德图解和劳埃方程，X射线衍射强度的处理过程，

3、简单应用：布拉格方程的意义与应用，简单结构的结构因子的计算方法，X射线衍射的充分必要条件。

4、综合应用：影响衍射方向和衍射强度的因素。

第六章 X射线衍射方法（3学时）

[知识点] 多晶体衍射方法：照相法，衍射仪法；单晶体衍射方法概述。

[重点] 照相法，衍射仪法。

[难点] 衍射矢量方程，单晶体衍射。

[基本要求]

1、识记：选靶，滤波，衍射花样的指数化，连续扫描法，步进扫描法。

2、领会：X射线衍射方法的种类，德拜（Debye）法成像原理与衍射花样特征，多晶X射线仪的工作原理、结构组成、各部分的作用，测角仪的聚焦原理，多晶体衍射仪计数测量方法及其适用范围，单晶衍射的方法。

3、简单应用：德拜（Debye）法样品制备方法，靶和滤波片的选择方法，摄照参数的选择，测量参数的选择。

4、综合应用：衍射花样的测量、计算和指数化。

第七章 X射线衍射分析的应用（2学时）

[知识点] 物相分析，点阵常数的精确测定，宏观应力的测定，晶体取向的测定等。

[重点] 物相分析分析、点阵常数的精确测定。

[难点] 物相定量分析宏观应力的测定、晶体取向的测定。

[基本要求]

1、识记：X射线物相分析、X射线物相定性分析（物相鉴定）、X射线物相定量分析

2、领会：X射线物相定性分析（物相鉴定）的基本原理、方法和步骤，X射线物相定量分析的基本原理和方法

3、简单应用：影响点阵常数测量误差的因素及消除或减小的方法，点阵常数精确测定的方法及用途。

4、综合应用：混合物相的鉴定，X射线物相定性分析方法。

第八章透射电子显微分析（6学时）

[知识点] 透射电子显微镜工作原理及构造：工作原理，构造，选区电子衍射；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；透射电镜基本成像操作及像衬度：成像操作，像衬度；电子衍射原理：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；透射电子显微镜的典型应用及其它功能简介。

[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，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，透射电子显微镜的典型应用。

[难点] 单晶电子衍射成像原理，单晶电子衍射花样的标定，复杂电子衍射花样。

[基本要求]

1、识记：电子透镜、明场像，暗场像，中心暗场像，复型，质厚衬度，衍射衬度。

2、领会：透射电子显微镜的工作原理、结构与组成，电子衍射基本公式的导出，选区电子衍射的操作程序，透射电镜的成像操作方式，质厚衬度和衍射衬度原理，电子衍射的类型与特点，复杂电子衍射花样的类型及其特征。

3、简单应用：透射电子显微镜对样品的要求及制备方法，多晶电子衍射花样的特征

及标定方法，单晶晶电子衍射花样的特征及标定方法。

4、综合应用：利用多功能透射电镜解决材料成分、物相、结构与组织结构等问题。

第九章扫描电子显微分析与电子探针（3学时）

[知识点] 扫描电子显微镜工作原理及构造：工作原理，构造与主要性能；像衬原理与应用：像衬原理，应用；电子探针X射线显微分析：能谱仪，波谱仪，电子探针的基本工作方式。

[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，波谱仪和能谱仪的应用特点，电子探针的应用。

[难点] 电子探针定量分析。

[基本要求]

1、识记：像衬度，二次电子像，背散射电子像。

2、领会：扫描电子显微镜的工作原理、结构与组成，表征扫描电镜性能的主要技术指标，扫描电子显微镜的样品制备方法，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，其它电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用，波谱仪和能谱仪的工作原理及应用特点

3、简单应用：利用二次电子像、背散射电子像等扫描电子显微像分析断口形貌、颗粒形态与大小、材料组织结构，电子探针的点分析、线分析和面分析的应用。

4、综合应用：综合应用多功能扫描电镜解决材料的化学成分、微观形貌和组织结构问题。

第十章紫外可见（吸收）光谱分析法（3学时）

[知识点] 紫外、可见光谱的基本原理：电子光谱的类型，光吸收定律；紫外、可见分光光度计：工作原理与组成；紫外、可见光谱分析的样品制备；紫外、可见光谱的应用：定性分析、定量分析。

[重点] 有机化合物的电子光谱，无机化合物的电子光谱，光吸收定律。

[难点] 影响电子光谱吸收带（峰）的因素。

[基本要求]

1、识记：σ-σ*跃迁、π-π*跃迁、n-σ*跃迁、n-π*跃迁、d-d跃迁、f-f跃迁、n 电子（或P电子）、生色团、助色团、反助色团、蓝移、红移、浓色效应、浅色效应、电荷转移光谱。

2、领会：有机、无机化合物的电子光谱类型，无机固体的电子光谱类型，光吸收定律，紫外可见吸收光谱仪的工作原理、结构与组成，紫外可见吸收光谱的样品制备方法

3、简单应用：光吸收定律，紫外可见吸收光谱的用途。

4、综合应用：应用紫外可见吸收光谱解决材料的结构问题。

第十一章红外（吸收）光谱分析法（4学时）

[知识点] 红外光谱基本原理：红外光谱的形成和红外区的分类，红外光谱选律，

分子的转动光谱，分子的振动光谱，分子的振-转光谱，红外光谱峰位影响因素，常见基本概念；红外光谱仪：色散型红外分光光度计，干涉型傅里叶变换红外光谱仪；红外光谱分析的样品制备；红外光谱的应用：特征振动频率，红外定性分析，红外定量分析，应用实例。

[重点] 基本原理，干涉型傅里叶变换红外光谱仪，红外光谱峰位影响因素，特征振动频率，红外光谱的应用。

[难点] 影响红外光谱吸收带（峰）位置的因素。

[基本要求]

1、识记：运动自由度，振动自由度，简并与分裂，倍频峰（或称泛音峰），组频峰，振动耦合，费米共振，特征振动频率，特征振动吸收带，内振动，外振动（晶格振动），红外活性与非活性。

2、领会：影响红外吸收带位置（频率）的因素，红外光谱仪的类型、工作原理、结构与组成，红外光谱的样品制备方法及适用范围，红外光谱定性分析的原理和方法，红外光谱定量分析原理、方法和步骤

3、简单应用：红外光谱的选择定则，特征振动吸收带与频率，红外光谱定性与定量分析。

4、综合应用：应用红外光谱解决材料的结构问题。

第十二章电子能谱分析法（4学时）

[知识点] 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；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；紫外光电子能谱分析简介。

[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。

[基本要求]

1、识记：电子能谱的化学位移，伴峰，谱峰分裂。

2、领会：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，俄歇电子能谱仪的工作原理、结构与组成，俄歇电子能谱的分析方法及其应用范围，X射线光电子能谱的表示方法，X射线光电子能谱仪的工作原理、结构与组成，X射线光电子能谱的分析方法及其应用范围，紫外光电子能谱的特点及其应用范围。

3、简单应用：俄歇电子能谱、X射线光电子能谱和紫外光电子能谱的应用特点对比。

4、综合应用：在解决材料表面成分与结构问题时选择合适的电子能谱方法。

第十三章热分析法（4学时）

[知识点] 差热分析：基本原理，差热分析仪，影响差热曲线的主要因素，差热分析的应用；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的主要因素，差示扫描量热法的应用；热重法：基本原理，热天平，影响热重曲线的主要因素，热重

法的应用

[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。

[重点] 差示扫描量热法。

[基本要求]

1、识记：热分析，热重法，差热分析，差示扫描量热法，参比物（或基准物，中性体），程序控制温度，外推始点。

2、领会：热分析方法的分类；差热分析的基本原理；差热分析仪的工作原理、结构与组成；影响差热曲线的因素；差热曲线的分析方法及应用；热重法的基本原理；差示扫描量热法的基本原理；差示扫描量热仪、热天平的工作原理、结构与组成；影响差示扫描量热曲线和热重曲线的因素

3、简单应用：应用差热分析曲线、差示扫描量热曲线和热重曲线分析材料的热效应及产生原因。

4、综合应用：应用多种热分析方法对材料的热性质与参数进行综合分析。

第十四章其它分析方法简介（4学时）

[知识点] 核磁共振谱法、穆斯堡尔谱法、激光拉曼光谱法、扫描隧道显微镜与原子力显微镜、场发射、场离子显微镜与原子探针等方法原理及应用简介。

[重点] 基本概念和分析方法的主要功能与用途。

[难点] 基本原理。

[基本要求]

1、识记：核磁共振，穆斯堡尔效应，隧道效应等基本概念。

2、领会：了解核磁共振谱、穆斯堡尔谱、拉曼光谱、扫描隧道显微镜、原子力显微、场发射、场离子显微镜与原子探针的基本原理、仪器及应用。

3、简单应用：在解决相关材料成分与结构问题时，能够选择合适的方法。

4、综合应用：在解决比较复杂的材料问题时，能够选择多种合适的方法。

（二）实验学时部分

[实验教学环节作用及目的]

材料分析测试方法实验是材料物理本科专业重要的实践教学环节之一。通过实验教学，引导学生进一步了解现代主要分析测试方法的基本原理，熟悉仪器设备的结构、组成、功能和用途，运用所学原理对实验结果进行分析；培养学生观察实验现象、理论联系实际、解决实际问题等实践动手能力；提高学生专业综合素质。

[实验教学环节培养学生能力标准]

1、了解所实验的分析测试仪器的基本结构、组成、工作原理和主要操作方法；

2、熟悉所实验的分析测试仪器对样品的要求及注意事项，掌握一般的制样方法，了解特殊的制样方法；

3、初步学会实验结果的数据处理与分析方法；

4、学会1~2种分析测试方法的计算机检索方法；

5、掌握常用分析测试方法的主要用途；

6、初步学会分析测试方案的拟定和综合应用多种现代分析测试技术解决实际材料的分析与研究方法。

[实验项目、内容、学时分配及实验类型]

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3、主要仪器设备

日本理学D/Max-RB型X射线衍射仪、德国蔡司Libra200FE透射电子显微镜、日本日立TM-1000扫描电子显微镜、美国热电Nicolet-380型傅立叶变换红外分光光谱仪、梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司TGA/SDTA851型同步热分析仪、德国耐驰STA449C综合热分析仪等仪器及相关附件。

四、教学方法与手段

1、课堂理论教学：以讲授法为主，并辅以课堂讨论。本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，建议以“够用，兼顾一定的深度，重在实际应用”为原则，突出重点，不要面面俱到。教学手段以多媒体演示、黑板板书与实物谱图相结合。

2、实验教学安排：实验应尽量安排在相关理论讲授之后。

五、考核要求、方式与成绩评定

考核要求：应覆盖大纲70-80%章节教学内容，以及实验环节。

考核形式：考查与考试相结合。

成绩评定：结构评分，百分制记分，建议成绩评定方式如下：

课程考核成绩=考查成绩?10%+期末考试成绩?50%+实验成绩?40%

其中：

考查：百分制记分。以出勤、回答问题、作业、小测验等情况为依据进行考查，考查合格者方能参加考试。考查不合格者，需阅读授课教师指定的参考书，并提交5000~6000字的读书报告，教师审阅合格后方能参加考试。

期末考试：百分制记分。闭卷笔试，主要考查基本概念、基本原理、基本技能及实际应用的能力。

实验：百分制记分。所有实验成绩的算术平均值，主要考查实验纪律与态度、实验过程、实验报告。学生应做所有实验，如有缺席，必须补做。

授课教师也可采用其它考核方式和成绩评定方法：如面试、开卷笔试、专题报告、课程论文等。

六、选用教材、讲义和主要参考书

1. 教材

理论课教材推荐：

《材料现代分析方法》，左演声等，北京：北京工业大学出版社，2000。应尽量选用最新版本。

实验教材：自编讲义

《材料分析测试方法实验指导书》，材料科学与工程学院材料实验中心编，2014

2. 主要参考书

1.《材料分析测试技术——材料X射线衍射与电子显微分析》（第二版），周玉等，哈尔

滨：哈尔滨工业大学出版社，2007

2.《材料分析方法》（第三版），周玉等，北京：机械工业出版社，2013

3.《材料近代分析测试方法》（第二版），常铁军等，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005

4.《材料现代分析测试方法》，王富耻等，北京：北京理工大学出版社，2006

5.《非金属矿产物相及性能测试与研究》，万朴等．武汉：武汉工业大学出版社，1992

6.《材料研究方法》，黄新民，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008

7.《无机非金属材料测试方法》，杨南如．武汉：武汉工业大学出版社，2003

8.《现代材料分析测试方法》，郭立伟等，北京：兵器工业出版社，2008

9.《现代分析测试方法》，王斌等，北京：石油工业出版社，2008

10.《材料近代分析测试方法实验指导》，邱平善等，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001

11.Transmission electron microscopy. 2nd ed. Williams D B, Carter C B. New York: Plenum,

2009

七、大纲说明

本大纲制定的主要依据是2009版材料物理专业本科人才培养方案、材料现代分析测试方法的发展现状和学校现有的教学条件。

本大纲起草者：张宝述

本大纲首次制定时间是2012年2月。本版本为第一次修订版，修订时间是2014年5月。

八、审核意见

课程负责人签字：张宝述专业负责人签字：曾敏

教研室主任签字：刘敬松分管院长签字：廖其龙

执行日期：2014年07月