同济大学材料研究方法08真题及答案解析

同济大学材料学院材料学专业

——2008年真题及解析

1.试推导布拉格方程，分析物质产生X衍射的充要条件（必考题）。

2.红外光谱与拉曼光谱的比较。

3.电子束轰击到固体样品表面会产生那些主要物理信号？研究材料的表面形貌一般收集

那种物理信号？以及这些信号有那些应用。

4.说明电子探针中波谱的原理和应用，简述波谱和能谱应用方面的异同。

5.简述红外光谱用于分子结构分析的基础，说明其应用。

6.核磁共振中不同质子产生不同化学位移的根本原因是什么？核磁共振光谱在材料分析

中的应用。

7.影响红外光谱谱带频率和强度的因素是什么？举例说明其在材料分析中的应用？

8.请阐述多晶、非晶、纳米晶体材料在透射电子显微镜选区稍微图像中的区别。

9.采用合适的现代技术表征法分析硅酸盐水泥水化进程，

10.请简要叙述布拉格方程在材料微观结构分析和表征领域中的应用。

11.简述X衍射物相分析的过程。

12.试讨论影响差热分析结果的因素，为什么说差热分析只能进行定性或半定量分析，而示

差扫描量热分析则可进行定性分析。

13.如何利用差热分析，热重分析，热膨胀分析来区分无机材料中脱水、分解、氧化、多晶

转变、烧结等现象。

14.举例说明SEM和TEM在材料分析中的应用。

说明：以上是08年材料研究方法的考研试题，总共有18道。由于时间间隔太长，只记得14题。08年试题给我们的感觉是各种研究方法的应用考的很多，几乎每个都考了。还有一点值得注意的是，在08的试题中，第二章光学显微分析考了一题。

以下是试题的参考答案：

1.试推导布拉格方程，分析物质产生X衍射的充要条件。

X-ray作为一电磁波被投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就好像从原子中心出发，每个原子中心发出的散射波就好比一个源球面波。由于原子在晶体中是按周期排列的，这些散射球波之间存在固定的相位关系，他们之间会在空间产生干涉，结果在某些散

射方向上相互加强，某些方向上相互抵消，即衍射。

如图书图3-15所示，1、2、3代表（hkl）的一唯平行网，面网之间间距为d，入射X-rayS0波长为λ，沿与面网成θ角入射，与S1方向散射线满足光学境面反射条件。

此时，各原子的散射波将有相同的位相，干涉结果加强。相临两原子A、B的散射波光程差为零。相邻面网的反射线光程差为入射波长λ的整数倍，即：DB+BF=nλ（2d sinθ=nλ），n 为衍射级数。

物质产生X衍射的充要条件是满足布拉格方程但衍射线强度不为零。

2.红外光谱与拉曼光谱的比较

红外光谱与拉曼光谱既有相同之处，又有不同之处。

相同之处在于：1，两者都属于分子振动光谱。拉曼效应产生于入射光子与分子振动能级的能量交换，在许多情况下，拉曼频率位移的程度正好相当于红外吸收频率。因此，红外测量能够得到的信息同样出现在拉曼光谱中。红外光谱分析中的定性三要素：吸收频率、强度、带移。在拉曼光谱解析中也同样适用。2，两者皆要服从一定的选择定则，即分子振动时，只有伴随分子偶极矩发生变化的振动才能产生红外吸收。同样，在拉曼光谱中，只有伴随分子极化度发生变化的分子振动模式，才能具有拉曼活性，产生拉曼散射。

不同之处在于：1，两者光源不同。红外光谱辐射源是波长大于750nm的多色光，而拉曼光谱则是单色光很强的激光辐射，频率在可见光范围。2，两种光谱分析机理不同，提供信息上也是有差别的。一般来说，分子的对称性越高，红外与拉曼的差别就越大，非极性官能团的拉曼散射光谱较为强烈，极性官能团的红外谱带较为强烈。对于链状聚合物而言，链上的取代基用红外光谱较易检测出来，而碳链的振动用拉曼光谱表征更为方便。此外，拉曼光谱是散射现象，红外光谱属于吸收现象。红外是由于分子振动时引起偶极矩的变化而产生的，而拉曼光谱则是由于分子极化度的变化而产生的。因此红外对分子的极性基团敏感，而拉曼对分子的非极性基团敏感。

3.电子束轰击到固体样品表面会产生那些主要物理信号？研究材料的表面形貌一般收集那种物理信号？以及这些信号有那些应用。

电子束轰击到固体样品表面会产生主要物理信号有背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、特征X射线、俄歇电子。

4.电子探针的原理和应用，简述波谱和能谱应用方面的异同。

由莫塞莱(Moseley)定律，我们知道X 射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数Z有一确定的关系。只要测出特征X 射线的波长，就可确定相应元素的原子序数。又因为某种元素的特征X射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，所以只要测出这种特征X射线的强度，就可计算出该元素的相对含量。这就是利用电子探针仪作定性、定量分析的理论根据。

能谱仪和波谱仪应用方面的异同：

1)能谱仪所用的Si(Li)探测器尺寸小，可以装在靠近样品的区域。这样，X射线出射角φ大，接收X 射线的立体角大，X 射线利用率高，在低束流情况下工作，仍能达到适当的计数率；电子束流小，束斑尺寸小、采样的体积也较小，最少可达0.1μm3，而波谱仪大于1μm3。

2)分析速度快，可在2～3min 内完成元素定性全分析。

3)能谱仪工作时，不需要象波谱仪那样聚焦，因而不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏2～

3mm，适用于粗糙表面成分分析。

4)工作束流小，对样品的污染作用小。

5)能进行低倍X 射线扫描成象，得到大视域的元素分布图。

6)分辨本领比较低(图4.81)，只有150eV(波谱仪可达10eV)。

7)峰背比小，一般为100，而波谱仪为1000。

8)Si(Li)探测器必须在液氮温度(77K)下使用，维护费用高，用超纯锗探测器虽无此缺点，但其分辨本领低。

6.核磁共振中不同质子产生不同化学位移的根本原因是什么？核磁共振光谱在材料分析中的应用。

在分子中，磁性核外有电子包围，电子在外部磁场垂直的平面上环流，会产生与外部磁场方向相反的感应磁场。因此使氢核实际“感受”到的磁场强度要比外加磁场的强度稍弱。为了发生核磁共振，必须提高外加磁场强度，去抵消电子远动产生的对抗磁场的作用，结果吸收峰就出现在在磁场强度较高的位置。把核周围的电子对抗外加磁场强度所起的作用，叫做屏蔽作用。同类核在分子内或分子间所处化学环境不同，核外电子云的分布也不同，因而屏蔽作用也不同。质子周围的电子云密度越高，屏蔽效应越大，即在较高的磁场强度处发生核磁共振，反之，屏蔽效应越小，即在较低的磁场强度处发生核磁共振。由于化合物分子中各种质子受到的不同程度的屏蔽效应，因而在NMR谱的不同位置上出现吸收峰。

影响质子化学位移的影响因素：

1.取代基的诱导效应和共轭效应：取代基的电负性直接影响与它相连的碳原子上质子的化学位移，并通过诱导方式传递非相邻的碳上的质子。这主要是电负性较高的基团或原子，使质子周围的电子云密度减低（去屏蔽），导致该质子的共振信号向低场移动。取代基的电负性越大，质子化学位移值就越大。

2.各向异性效应：在分子中，质子与某一官能团的空间关系，有时会影响质子的化学位移。这种效应称各向异性效应。各向异性效应是通过空间而起作用的，它与通过化学键而起作用的效应(例如上述电负性对C-H键及O-H键的作用)是不一样的。

3.氢键和溶剂效应：除了以上讨论的影响质子位移的主要因素之外，由于NMR试验样品配成溶液或采用纯液体，因此溶质和溶剂分子之间的相互作用（溶剂效应）和氢键的形成，对化学位移的影响有时也很明显。采用不同的溶剂，化学位移也会发生变化，强极性溶剂的作用更加明显。此外，温度、pH值、同位素效应等因素也会影响化学位移的改变。

NMR谱在材料研究中的应用：

核磁共振与红外光谱一样，单独一种方法不足以鉴定一种化合物，但如果与其他测试手段，如元素分析、紫外、红外等相互配合，NMR谱则是鉴定化合物的一种重要工具。一张NMR 谱从三个方面给人们提供了化合物结构的信息，即化学位移、峰的裂分和偶合常数、各峰的相对面积。

1. 材料的定性鉴别

未知化合物的定性鉴别,可利用标准谱图。例如，高分子NMR标准谱图主要由Sadler标准谱图集。使用时，必须注意测定条件，主要有溶剂、共振频率等。

2. 化合物数均分子量的测定

基于端基分析的化合物数均分子量的NMR测定，往往无需标准校正，而且快速，尤其适用于线形分子的数均分子量的测定。

3. 共聚物组成的测定