材料现代分析测试方法教案

材料科学与工程学院教案教师姓名：课程名称：材料现代分析测试方法课程代码：授课对象：本科专业：材料物理授课总学时：64其中理论：64实验：16（单独开课）教材：左演声等.材料现代分析方法.北京工业大学出版社，2000材料学院教学科研办公室制2章节名称前言教学时数2教学目的及要求了解本课程的性质、主要内容、与本专业其它课程的关系。重点难点重点：课程的主要内容。教学内容提要一、课程性质二、课程的主要内容三、与其它课程的关系四、教材及主要参考书五、学习方法六、考核章节名称第一章电磁辐射与材料结构教学时数4教学目的及要求1．理解概念：电磁辐射（电磁波或光）、原子基态、原子激发、激发态、激发能、激发电位、电子跃迁（能级跃迁）、辐射跃迁、无辐射跃迁、原子电离、电离能、电离电位、一次电离、二次电离、光谱项、光谱支项、塞曼分裂、成键轨道、反键轨道、轨道、电子、键、轨道、电子、键、原子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩、禁带、禁带宽度（能隙）、价带、导带、满带、空带、干涉指数、倒易点阵；掌握概念：波数、分子振动、伸缩振动、变形振动、费米能级、晶带。2．掌握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。3．掌握电磁波谱的分区。4．了解各区电磁波的波长范围、能量范围、频率范围及产生机理。5．熟悉物质波的德布罗意关系式，掌握电子波的波长与加速电压之间的关系（公式）。6．掌握表征原子中核外电子运动状态的五个量子数的含义。7．了解多电子原子中电子与电子相互作用和偶合方式，熟悉L-S偶合和用能级示意图表示光谱项的光谱支项与塞曼能级。8．掌握分子总能量的构成和能级结构，掌握分子轨道的形成与分子轨道的类型。9．熟悉双原子分子的振动模型——弹簧谐振子模型。10．掌握多原子分子振动的类型（模式）。11．了解核自旋量子数与原子的质量数及原子序数的关系。12．掌握能带的形成，能带结构的基本类型及相关概念。13．掌握干涉指数与晶面指数的关系及其表示方法。14．掌握倒易矢量的基本性质。15．了解晶面夹角公式。16．掌握晶带轴指数与晶面指数之间的关系。重点难点重点：电磁波谱，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。3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。教学内容提要第一节电磁辐射与物质波一、电磁辐射与波粒二象性二、电磁波谱三、物质波第二节材料结构基础一、原子能态及其表征二、分子运动与能态三、原子的磁矩和原子核自旋四、固体的能带结构五、晶体结构六、干涉指数七、晶带作业一、教材习题1-1计算下列电磁辐射的有关参数：（1）波数为3030cm-1的芳烃红外吸收峰的波长（m）；（2）5m波长射频辐射的频率（MHz）；（3）588.995nm钠线相应的光子能量（eV）。1-2量子数n、l与m如何表征原子能级？在什么情况下此种表征失去意义？1-3某原子的一个光谱项为45FJ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。1-4辨析原子轨道磁矩、电子自旋磁矩与原子核磁矩的概念。1-5下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？12C6、19F9、31P15、16O8、1H1、14N7。1-8分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001）、（002）和（003）面，并据此回答：干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？1-9已知某点阵a=3Å，b=2Å，=60，c∥a×b，试用图解法求r*110与r*210。1-10下列哪些晶面属于]111[晶带？)331(),011(),101(),211(),231(),132(),111(。二、补充习题1、试求加速电压为1、10、100kV时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多少？章节名称第二章电磁辐射与材料的相互作用教学时数4教学目的及要求1．理解概念：光学分析法、光谱法、分子散射、反斯托克斯线、斯托克斯线、晶体中的电子散射、光电离、共振线、主共振线、共振吸收线、主共振吸收线、共振发射线、主共振发射线、灵敏线、原子线、离子线、多重线系、原子光谱的精细结构、塞曼能级、塞曼效应、原子荧光、共振荧光、非共振荧光、斯托克斯荧光、反斯托克斯荧光、直跃线荧光、阶跃线荧光、热助直跃荧光、热助阶跃荧光、热助激发、单重基态、单重激发态、三重激发态、系间窜跃、内转移、振动弛豫、外转移、熄灭或淬灭、L系特征辐射、K1射线、K2射线；掌握概念：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4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、K射线、K射线、短波限、吸收限、线吸收系数、质量吸收系数。2．区分光谱法与非光谱法概念。3．了解辐射吸收的本质和条件、辐射发射的前提、辐射激发的方式。4．熟悉光谱法的分类。5．理解拉曼散射的本质；了解晶体中的电子散射。6．了解光电离的条件。7．了解原子光谱的常用类型，理解原子光谱的光谱选律（选择定则）。8．了解分子光谱的常用类型，掌握红外光谱的光谱选律（选择定则）。9．了解光电子发射过程及其能量关系，了解光电子能谱图的表示方法。10．了解俄歇电子的产生（俄歇效应），掌握俄歇电子的标识，了解俄歇电子的能量关系，了解俄歇电子能谱图的表示方法。11．了解核磁共振现象。12．了解连续X射线谱的特征。13．熟悉特征X射线的产生机理和莫塞菜(Moseley)定律。14．熟悉X射线谱系。15．掌握X射线与物质相互作用及据此建立的主要分析方法。16．了解X射线的衰减和X射线的防护。重点难点重点：辐射的吸收与发射，原子光谱基础，分子光谱基础，电子能谱基础，X射线的产生与X射线谱，X射线与物质的相互作用。难点：辐射的散射，X射线的衰减。教学内容提要第一节概述一、辐射的吸收与发射二、辐射的散射三、光电离第二节各类特征谱基础一、原子光谱二、分子光谱三、光电子能谱四、俄歇电子能谱五、核磁共振第三节X射线的产生及其与物质的相互作用历史上著名的科学家一、X射线的产生与X射线谱二、X射线与物质的相互作用三、X射线的衰减四、X射线的防护作业一、教材习题2-2下列各光子能量（eV）各在何种电磁波谱域内？各与何种跃迁所需能量相适应？1.2×106~1.2×102、6.2~1.7、0.5~0.02、2×10-2~4×10-7。2-3下列哪种跃迁不能产生?31S0—31P1、31S0—31D2、33P2—33D3、43S1—43P1。2-5分子能级跃迁有哪些类型？紫外、可见光谱与红外光谱相比，各有何特点？2-6以MgK（=9.89Å）辐射为激发源，由谱仪（功函数4eV）测得某元素（固体样品）5X射线光电子动能为981.5eV，求此元素的电子结合能。2-7用能级示意图比较X射线光电子、特征X射线与俄歇电子的概念。二、补充习题1、俄歇电子能谱图与光电子能谱图的表示方法有何不同？为什么？2、简述X射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。章节名称第三章粒子（束）与材料的相互作用教学时数2教学目的及要求1．理解概念：（电子的）最大穿入深度、连续X射线、特征X射线、溅射；掌握概念：散射角（2）、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、二次离子。2．了解物质对电子散射的基元、种类及其特征。3．掌握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。4．掌握二次电子的产额与入射角的关系。5．掌握入射电子产生的各种信息的深度和广度范围。6．了解离子束与材料的相互作用及据此建立的主要分析方法。重点难点重点：电子的散射，电子与固体作用产生的信号。难点：电子与固体的相互作用，离子散射，溅射。教学内容提要第一节电子束与材料的相互作用一、散射二、电子与固体作用产生的信号三、电子激发产生的其它现象第二节离子束与材料的相互作用一、散射二、二次离子作业一、教材习题3-1电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图3-3），哪些对应入射电子？哪些是由电子激发产生的？图3-3入射电子束与固体作用产生的发射现象3-2电子“吸收”与光子吸收有何不同？3-3入射X射线比同样能量的入射电子在固体中穿入深度大得多，而俄歇电子与X光电子的逸出深度相当，这是为什么？3-8配合表面分析方法用离子溅射实行纵深剖析是确定样品表面层成分和化学状态的重要方法。试分析纵深剖析应注意哪些问题。二、补充习题61、简述电子与固体作用产生的信号及据此建立的主要分析方法。章节名称第四章材料现代分析测试方法概述教学时数4教学目的及要求1．掌握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。2．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。重点难点重点：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。教学内容提要第一节衍射分析方法概述X射线衍射、电子衍射。第二节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。第三节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。第四节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。第五节色谱、质谱及电化学分析方法概述色谱分析法，质谱分析法，电化学分析法。小测验1：1-4章相关方面内容（1学时左右）。作业一、教材习题4-1一般地讲，材料现代分析各种方法的检测过程大体可分为哪几个步骤？各种不同分析方法的根本区别是什么？4-2试举例说明X射线衍射分析与各类电子衍射分析方法的应用。4-3试列举各种光谱分析方法所用之仪器，并据各仪器之组成简述各方法的基本分析过程。4-4试比较X射线光电子能谱分析、紫外光电子能谱分析及俄歇电子能谱分析的应用特点。4-5什么是电子显微分析？简述TEM、SEM、EPMA和AES分析方法各自的特点及用途。4-11试为下述分析工作选择你认为恰当的（一种或几种）分析方法（1）钢液中Mn、S、P等元素的快速定量分析；（2）区别FeO、Fe2O3和Fe3O4；（3）测定Ag的点阵常数；（4）测定高纯Y2O3中稀土杂质元素质量分数；（5）砂金中合金量的检测：（6）黄金制品中含金量的无损检测；（7）几种高聚物组成之混合物的定性分析与定量分析；（8）推断分子式为C8H10O的化合物之结构；（9）某薄膜(样品)中极小弥散颗粒（直径远小于1m）的物相鉴定；（10）验证奥氏体（）转变为马氏体（）的取向关系（即西山关系）：)111//()011(，7]110//[]001[。（11）淬火钢中残留奥氏体质量分数的测定；（12）镍-铬合金钢回火脆断口晶界上微量元素锑的分布（偏聚）的研究；（13）淬火钢中孪晶马氏体与位错马氏体的形貌观察；（14）固体表面元素定性分析及定量分析；（15）某聚合物的价带结构分析；（16）某半导体的表面能带结构测定。二、补充习题1、假若你采用高温固相法合成一种新的尖晶石，最后你得到了一种白色固体。如果它是一种新的尖晶石，你将如何测定它的结构、组成和纯度。2、假若你采用水热法制备TiO2纳米管，最后你得到了一种白色固体，你将如何观察它的形貌？如何测定它的颗粒尺寸、大小、结构、组成和纯度。3、假若你采用溶液插层等方法制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料，最后你得到了一种块体材料，你将如何表征它的结构？（即采用些什么分析测试方法研究：聚合物是否插入到层状硅酸盐矿物层间，层状硅酸盐矿物在聚合物基体中的分散状态，层状硅酸盐矿物与聚合物基体间的结构状态，层状硅酸盐矿物对聚合物热学性质的影响等）章节名称第五章X射线衍射分析原理教学时