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材料物理思考题1、表面张力的定义。答:表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功。2、简述影响聚合物表面张力的因素,举例说明减少聚合物表面张力的方法。答:(1)①温度:Guggenheim自低分子出发,提出了可用于聚合物表面张力与温度关系的公式:9/110)/1(CTTγ0—温度为0K时的表面张力TC—临界温度②化学结构:表面张力大小主要取决于聚合物分子中的链节单元结构。通常,非极性聚合物较极性聚合物的表面张力值低。③分子量及其分布:聚合物分子量分布对其表面张力也有一定的影响。聚合物中分子量小的部分会使其表面张力减小,尤其是它们有浓集于聚合物表面的趋势,从而引起表面张力γ值下降。④高分子物态转变的影响:当聚合物从玻璃态转变为橡胶态时,其表面张力出现转折的连续性变化,而结晶-熔融转变过程中的表面张力变化具有非连续性。在两力学状态下的聚合物表面张力随温度变化之系数也有不同数值。⑤共混:共混物的表面张力大小往往受其体系的相容性影响。通常,共混物的表面张力随其相容性的减小而增加。⑥添加剂:低表面能添加剂具有降低聚合物表面张力的作用。(2)3、解释聚合物表面组成、形态与内部不同的原因。答:因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的,而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的因此材料的表面与其内部本体,无论在结构上还是化学组成上都有明显的差别。5、什么是粉体活性。答:粉体的活性是指组成粉体颗粒的各种质点(分子、原子、离子)的活动性。即指质点脱离粉体颗粒中各种结合键的束缚,进入“自由”空间的能力。6、粉体的尺寸是怎样划分的,决定它大小的因素是什么?答:通常将颗粒尺寸为150~500μm的粉体称为粗粉体;40~150μm的称为中等粉体;10~40μm的称细粉体;0.5~10μm的称为极细粉体;0.5μm以下的则是超细粉体。7、粉体具有什么样的聚集态特征。答:似固体,而又具有流动性;似液体,但又能够堆积成堆;似气体,几种不同的粉体可以均匀地混合在一起,但无论怎样混合都不能成为单一的相;粉体有巨大的比表面积和很高的活性。8、怎样判断固体材料的表面润湿性。答:三种润湿发生的条件可归纳如下:(1)粘附润湿:aW0SGSLLG(2)浸湿:0(5-34)iSGSLAW(3)铺展润湿:L/SS0SGSLLG习惯上规定θ=90°为润湿与否的标准,即θ90°为不润湿,θ90°为润湿,θ越小润湿越好。当平衡接触角θ=0°或不存在时为铺展。9、阐述纳米材料的定义和存在状态,说明产生纳米材料独特性的根源。答:纳米微粒一般在1~100nm之间,其粒度介于原子簇和超细微粒之间,处于微观粒子和宏观物体交界的过渡区域。纳米颗粒是一种零维量子材料。即由少量分子或原子堆积而成的,在空间三维方向上的尺度均在纳米量级。这种结构千差万别,目前尚无法找出明确的规律,但这也正是纳米固体的特殊之处,使其具有许多与晶态、非晶态、原子簇等不同的物理、化学性质。10、什么是颗粒表面双电层结构。答:粉体表面的电性是由粉体表面的荷电离子,如H+、OH-等决定的。粉体物料在溶液中的电性还与溶液的pH值及离子类型有关。若颗粒表面带有某一种电荷(如正电荷),其表面就会吸附相反符号的电荷(即负电荷),构成双电层。11、什么是X电位和等电点。答:等电点:两性离子所带电荷因溶液的pH值不同而改变,当两性离子正负电荷数值相等时,溶液的pH值即其等电点.X电位:12、说明增容的涵义以及增容的方法。答:增容作用有两方面涵义:一是使聚合物之间易于相互分散以得到宏观上均匀的共混产物;另一是改善聚合物之间相界面的性能,增加相间的粘合力,从而使共混物具有长期稳定的优良性能。加入增容剂法:混合过程中化学反应所引起的增容作用聚合物组分之间引入相互作用的基团共溶剂法和IPN法13、聚合物相容性是怎样判断的。答:最常用的判据是聚合物溶解度参数和Huggins-Flory相互作用参数。14、试述聚合物溶解参数的定义以及测定方法。答:(1)定义:内聚能密度的开平方。(2)测定方法:①对于低分子化合物,摩尔蒸发热ΔH与内聚能ΔE之间的关系为:RTHER—气体常数;T—绝对温度。聚合物不能蒸发,溶解度参数δ与摩尔吸引常数的关系为:MGdid—密度;M—分子量;Gi—组成分子的化学基团摩尔吸引常数。②另外,也可用浓度测定法,即将聚合物溶于一种溶剂中,然后选择一种与溶剂互溶的该聚合物的沉淀剂进行滴定,直到出现混浊。③采用溶胀法测定其溶解度参数δp。15、说明溶解度参数理论的使用范围。答:溶解度参数理论仅仅考虑到分子之间的色散力,因而仅适用于非极性分子的情况,这时混合焓为正值或为零。16、IPN是怎样分类的。答:IPN从形态学可分为相对地分为理想IPN(CIPN)、部分IPN(PIPN)和相分离IPN(PSIPN)三种;IPN按制备方法可分为分步IPN、同步IPN(SIN)、胶乳IPN(LIPN)等,这种分类是具有实用价值的。分步IPN中还包括泡沫IPN(FIPN),这是将含有微孔的交联聚合物在单体或低聚体中溶胀再使单体或低聚体聚合而制得的IPN。17、什么是IPN的形态结构以及IPN的形态结构是从哪几个方面表述的。答:互穿网络聚合物的形态结构系指相分离程度,相的连续性程度及相互贯穿的程度,相畴(微区)的形状、尺寸以及界面层的结构。20、说出二元聚合物体系相容的稳定条件答:在恒定温度T和压力P下,多元体系热力学平衡的条件是其混合自由焓ΔGm为极小值。21、说明部分相容聚合物体系所表现出的最高临界温度(UCST)和最低临界温度(LCST)答:最高临界温度(UCST):超过此温度,体系完全相容,低于此温度,为部分相容。最低临界温度(LCST):低于次温度,体系完全相容,高于此温度,为部分相容。22、说出决定IPN相畴尺寸的主要因素答:相畴尺寸与界面张力系数γ成正比,与网络交联密度v1成反比。24、简述电子的波粒二象性、测不准原理、薛定谔方程、定态波函数。答:波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。不确定性原理表明,粒子的位置与动量不可同时被确定。如果波函数可以表示为一个空间坐标的函数ψ(x,y,z)与一个时间函数的乘积,并且整个波函数随时间的改变由因子e^(-t*E*i*2π/h)决定,这个波函数就称为“定态波函数”。它可表示为ψ(x,y,z,t)=ψ(x,y,z)e^(-t*E*i*2π/h),其中,E为确定的能量。25、简述薛定谔方程描述电子能量状态的物理意义答:这是一个描述一个粒子在三维势场中的定态薛定谔方程。所谓势场,就是粒子在其中会有势能的场,比如电场就是一个带电粒子的势场;所谓定态,就是假设波函数不随时间变化。26、解释定态波函数以及意义答:粒子在空间某处出现的几率不随时间而改变,这是定态的一个重要性质。27、决定电子能量状态的量子数是怎样得出的答:为了描述原子中电子的运动规律,薛定谔提出了一种波动方程,现在我们称为薛定谔方程.这个偏微分方程的数学解很多,但从物理意义看,这些数学解不一定都是合理的.为了得到原子中电子运动状态合理的解,必须引用只能取某些整数值的三个参数,称它们为量子数。28、说明核外电子运动或能量状态与其四个量子数的对应关系答:主量子数n用来描述电子能态的能量En。角量子数l所表征是电子云的形状。磁量子数m反映了轨道的空间取向,决定了外磁场作用下电子云在空间的伸展方向,是轨道量子数的空间投影。自旋量子数ms:原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外,也还有自旋运动。电子有两种不同方向的自旋,即顺时针方向和逆时针方向的自旋。29、原子的壳层结构是根据什么规则确定的答:泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则。30、解释电子能级、激发与电离、特征辐射、原子光谱、分子光谱和X-射线光谱答:电子能级:电子的能量是由它的运动状态所确定的,相应地,也就有一系列分离的能量状态,称为电子能级。激发与电离:在外来能量的作用下,原子中的电子一旦获得足够的能量就可以从较低的能级跃迁到较高的能级,结果使第能级上出现了电子空位,原子系统的能量也因此而升高,这个过程称为电子的受激过程,原子受激后将处于激发态。如果原子获得了较大的能量而进入了真空能级,这一过程实际上是电子脱离了束缚态,成为自由电子,我们将这个过程称为电离。特征辐射:原子或离子收到激发时,受激的原子或离子回到基态时,多出的能量就会以辐射的形式释放出去。由于原子能级间的变化是不连续的,因此辐射产生的光谱是线状光谱。又因为线状光谱是与原子结构相对应的,可以反映该原子的结构特征,故线状谱也称原子的特征光谱,相应的辐射称为特征辐射。原子光谱:是原子价电子能级发生变化而产生的,原子能级的本质是价电子能级。分子光谱:包括了电子能级跃迁、原子振动能级和分子转动能级变化所产生的光谱。X-射线光谱:内层电子的激发能比较高,如果内层电子跃迁复位过程中以光子的形式释放能量,则会产生具有特征能量的X射线。31、指出电子能级跃迁、原子振动能级和分子转动能级与紫外、红外和微波光谱的对应关系答:电子光谱对应的是紫外光和可见光区域;振动光谱对应的是近红外和中红外区域;转动光谱则对应红外区域以及微波区域。32、什么是俄歇电子或俄歇效应答:由一个电子充填内壳层的空位,在此过程中放出的能量再次使原子电离,从使另外一个电子脱离原子成为二次电子,这种二次电子就成为俄歇效应。33、解释名词:能带、满带、空带和禁带能级答:当很多原子聚集成固体时,原子能级分裂成很多亚能级,并导致系统能量下降,由于这些亚能级彼此非常接近,故称它们为能带。满带:在能带结构中,如果一个能带中的各能级都被电子填满,这样的能带被称为满带。空带:同各个原子的激发能级相对应的能带,在未被激发的情况下没有电子填入,这样的能带就称为空带。禁带:有些固体在价带与空带之间存在着这一段能量间隔,在这个区域永远不可能有电子,这个能量区域称为禁带或带隙。34、画出Na、Mg、Al金属的电子能带结构示意图(a)Na(b)Mg(c)Al3s3p3s3p3s3p35、对比画出绝缘体和半导体的电子能带结构示意图36、金属电阻主要受什么因素影响,为什么它随温度升高而增大。答:(1)温度的影响:温度升高会使离子振动加剧,热振动振幅加大,原子的无序度增加,周期势场的涨落也加大。这些因素都使电子运动的自由程减小,散射概率增加而导致电阻率增大。(2)冷加工变形的影响(3)杂质的影响38、什么是经典自由电子理论以及假设条件。答:假设:价电子可以在整个金属中完全自由运动,并设想自由电子体系是一种电子间毫无相互作用的理想气体,其行为符合经典的麦克斯韦-玻尔兹曼统计规律。经典自由电子理论:39、说出理论推导欧姆定律和焦耳一楞次定律的假设条件答:导出欧姆定律的假设:假设道题单位体积内自由电子数目为n,单位时间内通过与电场E垂直的单位面积的电量δ=neυ。导出焦耳一楞次定律的假设:设单位体积金属导体中的自由电子数目为n,单位时间内电子与离子实碰撞1/τ次。40、说出自由电子量子理论及其假设条件,写出费半—狄拉克分布函数金属中价电子责成自由电子的气体是理想气体,电子之间无相互作用,各自独立地在离子的平均势场中运动。假设条件:电子彼此不能区分;一个能带每一个能级只能被两个自旋相反的电子占据。费半—狄拉克分布函数1e1f/)(TkBF)(41、什么是费米能级和自由电子费米气体。答:(1)费米能级:在0K时,电子所占据的最高能级称为费米能级。(2)自由电子费米气体:指电子公有化后无相互作用,自由电子中速度小的电子位于低能态,速度大的电子位于高能态,从低到高依次填充直至费米能级并且遵从泡利不相容原理的电子气。42、说出点阵周期场中的能带理论及其假设条件答:假设固体中的原子核固定不懂并设想每个电子是固定在原子核的势场及其他电子的平均势场中运动,这样就把问题简化成单电子问题,这种方法成为单电子近似。用这种方法近似处理晶体中电子能谱的理论称为能带理论。假设:把电子运动看作基本上独立的,它们的运动遵守量
本文标题:材料物理思考题
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