材料研究方法-复习资料

绪论1、材料研究方法中，研究物相组成的主要有哪些方法？研究结构特征主要有那些方法？物相组成分析：非图像分析-成分谱分析（色谱分析；热普分析；能谱分析；光谱分析）；衍射法（X射线衍射法；电子衍射法；中子衍射法）结构特征分析：图像分析法-显微术（光学显微术；透射电子显微术；场离子显微术；扫描电子显微术；扫描隧道显微术）X射线衍射1、试述X射线的定义、性质，X射线的产生、特点？定义：X射线是一种波长为0.01纳米到10纳米之间的电磁波。

性质：具有波粒二象性。

波动性：以一定的频率和波长在空间传播；粒子性：由大量的不连续粒子流（光子）构成，每个光子具能量。

产生：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子运动受阻失去动能，小部分-X射线，大部分-热能。

特点：1）穿透力强。

2）能使底片感光。

3）能使荧光物质发光。

4）能使气体电离。

5）对生物细胞有杀伤作用。

2、X射线定性相分析的目的和原理是什么？步骤是什么？目的：判定物质中的物相组成。

原理：1）每种结晶物质具有特定的衍射花样。

2）多相试样的衍射花样是由所含各物相的衍射花样机械叠加。

基本步骤：1）通过用粉末衍射法或粉末照相法等获取被测试物质的衍射图像。

2）计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值。

3）利用I值最大的三根强线的对应d 值查找索引，找出基本符合的物相名称及卡片号。

4）将实测的d、I值与卡片上的数据一一对照，若基本符合，就可定为该物相。

3、X射线谱——X射线随波长而变化的关系曲线。

4、连续X射线——波长连续变化的X射线。

5、标识X射线——具有特定波长的X射线。

透射电镜和扫描电镜1、分辨本领——显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。

2、景深——透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。

3、二次电子——被入射电子轰击出来的样品核外电子。

4、背散射电子——被固体样品中院子反射回来的一部分入射电子。

5、衍射衬度——晶体中各部分因满足衍射条件的程度不同而引起的衬度。

6、质厚衬度——样品中各部分因存在厚度差而引起的衬度。

7、表面形貌衬度——利用样品表面形貌比较敏感的物理信号作为显像管的调制信号所得的相衬度。

8、原子序数衬度——利用对样品微区原子序数或化学成分敏感的物理信号作为显像管的调制信号所得的像衬度。

9、透射电镜和扫描电镜分析的特点分别是什么？两者的区别主要体现在哪些方面？透射电镜特点：高分辨率；高放大倍数。

扫描电镜特点：样品制备不方便；景深大；放大倍数连续调节范围大；分辨本领高。

区别：1）在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的；在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。

2）不需要穿过样品。

3）样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。

电子探针1、电子探针波谱仪和能谱仪原理分别是什么？原理不同主要体现在哪个部件，为什么？两者之间的区别是什么？波谱仪：用分光晶体将X射线波长分散开来分别加以检测，每一个检测位置智能检测一种波长的X射线。

能谱仪：按照X射线光子能量展谱。

关键部件在于Si（Li）检测器能将所有波长的X射线光子几乎同时接收进来。

区别：1）能谱仪探测X射线的效率高；2）能谱仪不必聚焦，因此对样品表面没有特殊要求，适合粗糙表面的分析工作；3）能谱仪需要用液氮冷却；4）能谱仪不能测定超轻元素。

2、电子探针分析在宝石学领域的应用主要体现在哪些方面？请举例说明。

1）点分析：对宝石表面或露出宝石表面的晶体包体选定微区做定点的全谱扫描，进行定性、定量或半定量分析。

如：充填处理红宝石，电子探针能谱点分析显示充填物为铅玻璃。

2）线扫描分析：聚焦电子束在宝石的生长环带或色带的扫描区域内，沿一条直线进行慢扫描，同时用计数率计检测某一特征X射线的瞬时强度，可得到特征X射线强度沿试样扫描线的分布特征。

有助于探讨宝石中化学元素在空间上的变化规律。

如：探测铍扩散处理橙红色蓝宝石中的Fe、Cr的EPMA能谱线。

3）面扫描分析：聚焦电子束在宝石表面进行光栅式面扫描，X射线谱仪跳到只检测某一元素的特征X射线位置，在荧光屏得到由许多亮点组成的图像。

有助于探讨宝石中化学元素在空间上的配比与分布规律。

如：分析红宝石中Pb的分布。

4）表面微形貌分析：根据二次电子的强度可做形貌分析。

如翡翠中环带交代结构。

热分析1、热分析——在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。

2、差热分析——程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。

3、差示扫描量热法——程序控制温度条件下，测量输给样品与参比物的能量差与温度关系的一种热分析方法。

4、热重法——热重法是在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。

5、DTA、DSC和TG分别代表说什么测试方法？DTA、DSC和TG曲线横、纵坐标分别表示什么含义？其中DTA和DSC最大的区别在哪里？为什么？DTA：差热分析；DSC：差示扫描量热分析；TG：热重分析。

DTA曲线：纵坐标代表△T，横坐标代表时间或温度。

DSC曲线：纵坐标代表dH/dt，横坐标代表时间或温度。

TG曲线：纵坐标代表质量，横坐标代表时间或温度。

DTA和DSC最大的区别：DTA只能定性或半定量，而DSC的结果可用于定量分析。

因为在发生热效应是，试样与参比物及试样周围的环境有较大的温差，他们之间会进行热传递，降低热效应测量的灵敏度和精确度，因此DTA只能进行定性或半定量分析而DSC是通过对试样因发生热效应而产生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递因此可进行定量分析。

红外光谱1、红外光谱——吸收能量引起分子中成键原子震动和转动能级的跃迁而产生的光谱。

2、红外活性——只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱带的振动活性。

3、采用红外光谱鉴别珠宝玉石的依据是什么？在宝石学中主要应用在哪些方面？请举例说明。

依据：红外吸收光谱是保湿分子结构的具体反映。

通常，宝石内分子或官能团在红外吸收光谱中分别具自己特定的红外吸收区域，依据特征的红外吸收谱带的数目、波数位及位移、谱形及谱带强度、谱带分裂状态等项内容，有助于对宝石的红外吸收光谱进行定性表征，以期获得与宝石鉴定相关的重要信息。

应用：1）鉴定宝石种属：如钻石。

I型在1100-1400cm-1范围内有氮的吸收峰而II 型在1100-1400cm-1范围内没有氮的吸收峰。

2）鉴定天然宝石与合成宝石：如区分天然祖母绿和合成祖母绿。

天然祖母绿在3400-3800cm-1有一强吸收峰，无2745、2830、2995、3490cm-1吸收峰；助熔剂合成祖母绿无3400-3800cm-1强吸收峰；水热法合成祖母绿具2745、2830、2995、3490、4052、4357cm-1吸收峰。

3）鉴定优化处理宝石：如翡翠A 货，含少量抛光蜡，具2850、2920cm-1蜡吸收峰；翡翠B货，具2430、2490、2530、2580、3035cm-1。

有机聚合物特征吸收峰。

4、产生红外吸收的条件是什么？是否所有的分子振动都会产生红外光谱？为什么？其中红外中的指纹区有什么特点和用途？条件：1）辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量；2）辐射与物质之间有相互作用。

并非所有的分子振动都会产生红外吸收光谱，具有红外吸收活性，只有发生偶极矩的变化时才会产生红外光谱。

在IR光谱中，频率位于1500-400cm-1的低频区称为指纹区。

指纹区的主要价值在于表示整个分子的特征，因而适用于标准谱图或已知物谱图的对照，以得出未知物与已知物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹区特征都是不相同的。

5、红外光谱定性分析的基本依据是什么？简要叙述红外光谱定性分析带的过程。

基本依据：红外有机化合物的定性具有鲜明的特征性，因为每一化合物都有特征的红外光谱，光谱带的数目、位置、形状、强度均随化合物及其聚集态的不同而不同。

定性分析的过程如下：1）式样的分离和精制；2）了解试样有关的资料；3）谱图解析；4）与标准谱图对照；5）联机检索。

紫外光谱1、紫外光谱——吸收的能量引起能量加电子跃迁而产生的吸收光谱。

2、发色基团——凡是能导致化合物在紫外及可见光区产生吸收带的基团，不论显出颜色都称为发色基团。

3、助色基团——那些本身不会是化合物分子产生颜色或者在紫外及可见光区不产生吸收的一些基团。

4、紫外可见光光度计与可见分光光度计比较，有什么不同之处？为什么？首先光源不同，紫外用氢灯或氘灯，而可见用钨灯，因为二者发出的光的波长范围不同。

从单色器来说，如果用棱镜做单色器，则紫外必须使用石英棱镜，可见则石英棱镜或玻璃棱镜均可使用，而光栅则二者均可使用，这主要是由于玻璃能吸收紫外光的缘故。

从吸收池来看，紫外只能使用石英吸收池，可见则玻璃、石英均可使用，原因同上。

从检测器来看，可见区一般使用氧化铯光电管，它适用的波长范围为625-1000nm，紫外用锑铯光电管，其波长范围为200-625nm。

5、紫外一可见分光光度计主要测试方法有哪些？在宝石学中的应用有哪些方面？请举例说明。

方法：1）直接透射法——适用于透明宝石如：钻石、红宝石、蓝宝石等。

2）反射法——适用于不透明宝石或底部包镶的宝石饰品（需配反射附件）如：珍珠、翡翠等。

应用：1）检测人工优化处理宝石：区分天然与人工染色处理的绿松石，前者由Fe、Cu水合离子致色，在可见吸收光谱中显示宽缓的吸收谱带。

2）探讨宝石呈色机理：山东黄色蓝宝石在其紫外-可见吸收光谱中，O2-→Fe3+电荷转移带尾部明显位移至可见光紫区内，并与Fe3+晶体场谱带部分叠加。

据此认为，山东黄色蓝宝石的颜色，主要归因于O2-→Fe3+电荷转移与Fe3+的d-d电子跃迁联合作用所致。

拉曼光谱1、极化度——分子改变其电子云分布的难易程度。

2、瑞利散射——光子和分子之间没有能量交换，仅改变光子的运动方向。

3、拉曼散射——不仅改变光子的运动方向，而且光子和分子之间有能量交换。

4、试述拉曼光谱技术在宝石学中的应用及其局限性应用：1）鉴定宝石种属；2）鉴定天然与合成宝石；3）鉴定人工优化处理宝石；4）宝石中包体的成分及成因类型。

局限性：1）拉曼光谱易受荧光的影响，因此对发荧光宝石的检测会产生一定的影响。

2）对于不透明或透明度差的宝石，利用拉曼光谱技术进行检测可能会在宝石表面留下痕迹而成为有损检测。

3）应用拉曼光谱鉴定宝石，是一种类比法，优势会受到标准拉曼图谱库的限制，尤其是对一些罕见宝石更是如此。

此外对于某些颗粒细小的多晶集合体类玉石，很难得到有效的拉曼图谱。

5、试比较拉曼光谱和红外光谱的异同点。

拉曼光谱是分子对激发光的散射，而红外光谱则是分子对红外光的吸收，但两者均是研究分子振动的重要手段，同属分子光谱。

分子的非对称性振动和极性基因的振动，都会引起分子偶极矩的变化，因而这类振动是红外活性的；而分子对称性振动和非极性基团振动，会使分子变形，极化率随之变化，具有拉曼活性。