材料现代分析测试方法绪论(精)

不同的实验方法和仪器可以获得不同方面的结构和成分信
•化学成分分析
平均化学成分分析方法（常规方法）有:
湿化学法和光谱分析法等。

更先进的分析方法有：
和等，
利用这些方法可以得到元素的和类、浓度、价态和分
布特征。

•晶体结构分析
等方法
•显微结构
要通过显微术来研究，主要包括：
•光谱分析：电磁波强度一波长谱图
•能谱分析:电子（波）强度动能谱图
•衍射分析：电磁波（X）/电子（波）衍射谱图
• TEM分析：电子（波）衍射/衍衬图象
分析电子结构—原子、分子或晶体中的电子分析声子结构—分子或晶体中的声子分析晶体结构
分析缺陷结构
表
6-1
吸收与发射光谱分类
第二节原子、分子结构与光谱
一、原子能态与光谱
（一）原子能态及其表征
1. 原子结构与电子量子数
“电子的运动状态可用四个量子数来描述：
O
“四个量子数也相应表征了电子的能量状态。

/四个量子数的取值是：
^n = 1, 2, •…n ；
^/=0, 1, 2......... （n-T ）与其相应的符号为s, p, d, f,…；
= 0, ±1, ±2, ...» ±/； 丁 m s = ±1/2。

光谱（分类）名称 作用物质
莫斯堡尔谱 原子核 吸收光
谱
原子吸收光谱 原子（外层电子） 紫外.可见吸收光谱 分子（外层电子〉 红外吸收光谱 分子（撮动） 顺磁共振波谱 匣子（未成对电子） 核磁共械波谱 康子核 发射光谱
Y 射线光谱 原子核 X 射线荧光光谱
康子中电子
原子发射光谱 原子荧光光谱 分子荧光光谱 原子（外层电子）
原子（外层电子）
分子
能级跃迁类型
吸收或发射辐射种 类
原子核能级
Y 射线
价电子能级 紫外.可见光 分子电子能级 分子振动能级 电子自旋
能级（磁能级）
紫外.可见光 红外线 微
波
臣子核磁能级
射频
原子核能级
Y 射线
电子舷 二次X 射线（荧光〉
价电子能 紫外.可见光 应用
分析质子的氧化态、化学键、 核周围电子云分布及核有效硝场
元素的定最分析
物质定性.结构分析、定■分析 定性签定、结构分析、定量分析
定性分析.结构分析
结构鉴定.分子的动态效应.
氢键的形成、互变异构反应等
定性.定量分析
元素的定性.定量分析 元素的定性.定量分析 价电子能 分子能级
紫外、可见光 紫外.可见光
定性、定最分析 定性.定量分析
2.原子能态与原子量子数
"湖启可记为：
（S], s2,•••）（厶，12,…）=（S,厶）=J
此式表示将各电子自旋角动量 g 怨，…）与各电子轨道角动量Hi，…）分别加和（矢量和），获得原子的总自旋角动量& 和总轨道角动量乙，然后再由心与乙合成总（自旋-轨道）角动量©
（即々=&+乙）-
搂£-5耦合，得到S、L、J、悄表征原子运动状态的原子量子数。

S称总自旋量子数，表征尸S的大小。

厶称总（轨道）角量子数，表征乙的大小。

丿称内量子数（或总量子数），表征匕的大小，丿为正整数或半整数，取值为：Z+S, £4-5-7, L+ S — 2,…，| L-S \,若则丿有2S+1个值，若£<S,则丿有2Z+1个值。

储总磁量子数，表征巴沿外磁场方向分量的大小，咖值为：0, ±1, 土2,…，±7（当劝整数时）或±1/2, ±3/2,…，±7（当励半整数时）。

用力、S、L、J、他曙量子数表征原子能态，则原子能级由符号』b。

表示，称为光谱项。

符号中，对应厶=0, 1, 2, 3, 4,…，常用字母S、P、D、F、G等表示。

〃表示光谱项多重性，即表示馬厶一定的光谱项可产生妗能量稍有不同的分裂能级（每一分裂能级称为一个光谱支项），此种能级分裂取决于/每一个光谱支项对应于朋一个确定取值，而硕IJ为7W可能取值的个数（即厶工谢，^=25H-1； ZV耐，#=2Z+1）,
当有外磁场存在时，光谱支项将进一步分
裂为能量差异更小的若干能级（此种现象
称
）。

其分裂情况取决于必每一分裂能
级对应于巒的一个取值, 分裂能级的个
图6-2 TP」谱项及其分裂示意图
方式放出，称之为辐射跃迁;
图1-3 Na 原子的能级图
1） 主量子数变化△ m=o 或任意正整数； 2） 总角量子数变化AZ=±1；
3） 内量子数变化△戶0, ±1 （但7=0时，△/=（）的跃迁是禁阻的）； 4） 总自旋量子数的变化AS=0。

2. 共振线与灵敏线
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。

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。

° 电子吸收能量后从基态跃迁至任一激发态所产生
的吸收谱线即为共振吸收线；而由基态跃迁至最低激发态产生的共振吸收 线称为主共振吸收线。

电子由任一激发态跃迁至基态及最低激发态跃迁 至基
态产生的谱线则分别称为共振发射线和主共振发射线。

习惯上常称的共振线仅指主共振线。

125.0 5
20000
5 000
10000
ISOOO
2SC00
30000
35000
40000
Pg Pg G/i, m
Fg SQ /-0
112
3
厂—0
宀4 宀2 厂二0
图1-4分子能级示意图
A 、
B —电子能级；V’、V’ '一振动能级;
J'、J'' 一转动能级
2. 分子轨道与电子能级
按分子轨道理论，原子形成分子后，电子不再定域在个别原子内, 而是在遍及整个分子范围内运动：而且每个电子都可看作是在原子核 和其余电子共同提供的势场作用下在各自的轨道（分子轨道）上运动。

分子轨道可近似用原子轨道的线性组合表示。

分子轨道可分为 与 ，成键分子轨道能量较参与 组合的原子轨道能量低，而反键分子轨道能量则高于参与组合的原子 轨道能量。

3. 分子的振动与振动能级
（1）双原子分子的振动 分子振动是指分子中原子（或原子团）以 平衡位置为
V r —0
J*—0 丿'=4 『=2
V*-4
V B -0-
分子振动与弹簧谐振子相比，不同之处在于其振动能量是量子化的。

按量子理论有：
(2)多原子分子的振动由于组成分子的原子数量增加及原子的组合排布情况的不同，多原子分子振动远较双原子分子复杂。

多原子分子振动可分为与两类。

伸缩振动是指原子沿键轴方向的周期性(往复)运动；振动时键长变化而键角不变(双原子振动即为伸缩振动)。

变形振动又称变角振动或弯曲振动，是指基团键角发生周期性变化而键长不变的振动。

表1-2分子振动类型
分类
符号特点
伸缩振动对称伸缩振动Y S振动时存键同时伸K;或缩加
<Y>
不对称伸缩掠动
7 as
振动时有些键仲长.科些键別缩扳
变形扳动(5)面内变形振
动
剪式振动0
S变形抿动任n个原
枸个原子在同一¥面内彼此相向运动
而内摇
P
f构成的分/平面内进
行农团作为个藍休在平面内左右搖找的拓动
变形拥动面外变
非平面摇
3垂奁于n个廉f所在
平面的变形掾
AW1作为个號休离开原了平面的洲后摇找报动
形振动
扭曲振动1
动垂团中脚脈子病开分子而，但方向相反的來何运动
(-)分析过程
如果考虑到光源等离子体中心部位原子发射的光子通过温度较低的外层时，。