(整理)热分析习题).12.10)

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1、精品文档热分析习题热分析习题一、填空一、填空（10 分，共 10 题，每题 1 分） 。1、差热分析是在程序控温条件下，测量样品坩埚与坩埚间的温度差与温度的关系的方法。 （参比）2 2、同 步 热 分 析 技 术 可 以 通 过 一 次 测 试 分 别 同 时 提 供-TG或-TG 两组信号。 （DTA-TG ,DSD-TG）3、差示扫描量热分析是在程序控温条件下，测量输入到物质与参比物的功率差与温度的关系的方法，其纵坐标单位为。 （mw 或 mw/mg）4、硅酸盐类样品在进行热分析时，不能选用材质的样品坩埚。 （刚玉）5、差示扫描量热分析根据所用测量方法的不同，可以分类为热流型 DSC 与型

2、 DSC。 （功率补偿）6、与差热分析（DTA）的不同，差示扫描量热分析（DSC）既可以用于定性分析，又可以用于分析。 （定量）7、差热分析（DTA）需要校正，但不需要灵敏度校正。 （温度）8、TG 热失重曲线的标注常常需要参照DTG 曲线， DTG 曲线上一个谷代表一个 失重阶段，而拐点温度显示的是最快的温度。 （失重）9、物质的膨胀系数可以分为线膨胀系数与膨胀系数。 （体）10、热膨胀系数是材料的主要物理性质之一，它是衡量材料的好坏的一个重要指标。 （热稳定性）二、名词解释二、名词解释1.1.热重分析热重分析答案：答案： 在程序控温条件下， 测量物质的质量与温度的关系的方法。2.2.差热分

3、析差热分析答案：答案：在程序控温条件下，测量物质与参比物的温度差与温度的关系的方法。3.3.差示扫描量热分析差示扫描量热分析答案：答案：在程序控温条件下，测量输入到物质与参比物的功率差与温度的关系的方法。4.4.热膨胀分析热膨胀分析答案：答案：在程序控温条件下，测定试样尺寸变化与温度或时间的关系的方法。三、简答题1.DSC 与 DTA 测定原理的不同答案：答案：DSC 是在控制温度变化情况下，以温度（或时间）为横坐标，以样品与参比物间温差为零所需供给的热量为纵坐标所得的扫描曲线。 DTA是测量 T-T 的关系，而 DSC 是保持T = 0，测定 H-T 的关系。两者最大的差别是DTA只能定性或

4、半定量，而DSC 的结果可用于定量分析。 DTA在试样发生热效应时， 试样的实际温度已不是程序升温时所控制的温度(如精品文档精品文档在升温时试样由于放热而一度加速升温)。而 DSC 由于试样的热量变化随时可得到补偿， 试样与参比物的温度始终相等， 避免了参比物与试样之间的热传递， 故仪器的反应灵敏，分辨率高，重现性好。2.DTA 存在的两个缺点答案：答案： 1）试样在产生热效应时，升温速率是非线性的，从而使校正系数 K 值变化，难以进行定量；2）试样产生热效应时，由于与参比物、环境的温度有较大差异，三者之间会发生热交换，降低了对热效应测量的灵敏度和精确度。使得差热技术难以进行定量分析，只能进行

5、定性或半定量的分析工作。3、功率补偿型 DSC 仪器的主要特点答案：答案： 1.试样和参比物分别具有独立的加热器和传感器。 整个仪器由两套控制电路进行监控。一套控制温度，使试样和参比物以预定的速率升温，另一套用来补偿二者之间的温度差。2.无论试样产生任何热效应，试样和参比物都处于动态零位平衡状态，即二者之间的温度差T 等于 0。这是 DSC 和 DTA技术最本质的区别。4.DTG 曲线体现的物理意义及其相对于TG 曲线的优点答案：答案：DTG 曲线表示的是物质在加热过程中质量随时间的变化率（失重速率）与温度（或时间）的关系。其其相对于TG 曲线的优点有：1.能准确反映出起始反应温度Ti， 最大

6、反应速率温度 Te和 Tf 。 更能清楚地区分相继发生的热重变化反应， DTG 比 TG 分辨率更高。 DTG 曲线峰的面积精确对应着变化了的样品重量，较 TG 能更精确地进行定量分析。能方便地为反应动力学计算提供反应速率（dw/dt）数据。DTG 与 DTA具有可比性， 通过比较， 能判断出是重量变化引起的峰还是热量变化引起的峰。TG 对此无能为力。四、分析计算题1. 图1分别为YG6及YG6X 硬质合金样品在空气气氛下， 升温速率为5K/min时由NetzschDIL409pc 热膨胀仪测出的热膨胀（DIL)曲线及其一阶微分曲线，试比较其28-699间的工程膨胀系数，并通过其一阶微分曲线对

7、其原因做出解释。dL/Lo *10-3dL/dt *10-3 /(1/min)21252015101 2008-06-4-5k-1000（硬质合金，株洲，YG6X）.dl3dLdL/dt2 2008-06-3-5k-1000（硬质合金，株洲，YG6）.dl3dLdL/dt温度./T. /(1/K)28.0, 699.0 : 6.5190E-06温度./T. /(1/K)28.0, 699.0 : 5.4869E-062.01.5770.0 1.05210.5精品文档10000.0200300400500温度 /600700800900精品文档图 1 YG6及 YG6X 硬质合金样品在空气气氛下

8、，升温速率为 5K/min 时的热膨胀曲线及其一阶微分曲线答案：在 28-699的温度范围内，YG6 样品的工程膨胀系数为5.487x10-6(1/K)，而 YG6X样品的工程膨胀系数为 6.519x10-6(1/K)， 显然具有细晶晶粒的 YG6X 样品的线膨胀系数要高于粗晶粒的 YG6 样品的。从它们的一阶微分曲线可以看出，YG6X 样品在 770发生突变。这是由于合金中 Co 相粘结剂在 600-700间易于汽化，而相对于YG6 样品，YG6X 中的WC 晶粒尺寸更小， 从而在 WC 晶粒的 Co 相粘结剂也更多， 当 Co 相粘结剂在 600-700间汽化后， YG6X 中 WC 晶粒

9、间留下的总空隙较多， 而当加热温度加热到 770引起 YG6X 样品产生较大的收缩变形，从而其线膨胀系数高于YG6 样品。2.图 2 分别为 Co 基合金样品在空气气氛下，升温速率为5K/min 时由 Netzsch DIL409pc 热膨胀仪测量的先从 30 升温到 1000，而后又冷却到 300后的热膨胀（DIL)曲线及其一阶微分曲线，试比较升温及降温中其介于295-969间的工程膨胀系数，并通过分析其一阶微分曲线后对其可能的变化过程进行推断。精品文档dL/Lo *10-314121010082.3温度./T. /(1/K)295.0, 969.0 : 16.6268E-06温度./T.

10、/(1/K)297.0, 969.0 : 18.2122E-06dL/dt *10-6 /(1/min)2.32.12002.16771506420100200300400500温度 /2.1 2010.04.20-10k-980（Co-base,stc）.dl3dLdL/dt2.3 2010.04.20-10k-980（Co-base,stc）.dl3dLdL/dt500-50600700800900精品文档图 2 Co 基合金样品在空气气氛下，升温速率为5K/min 时先升温到 1000后又冷却到 300时的热膨胀（DIL)曲线及其一阶微分曲线答案：答案：在 295-969的温度范围内，C

11、o 基合金样品升温时的工程膨胀系数为16.6268x10-6(1/K)，而降温时的为 18.212x10-6(1/K)。通过对比其其一阶微分曲线后可以发现样品在升温过程中，在 677时长度发生突变而降温过程则没有 ，因此可以推断出合金样品在600-700时产生了新相，由从而引起长度变化速率的改变。2. 图 3 分别为玻璃原料及粘结剂在氧气气氛下，升温速率为10K/min 时的 DSC-TG 同步热分析曲线，试分析其整个反应过程（包括每个阶段的反应类型，反应的起始及结束温度范围，失重量，反应峰值温度等等） 。3.图 3 玻璃原料及粘结剂在氧气气氛下，升温速率为10K/min 时的DSC-TG 曲

12、线（a） ；TG-DTG 曲线（b）答案：答案：从图 3a、b 可以看出，整个反应过程分别为玻璃原料的脱水、粘结剂的烧蚀、以及进一步氧化等三个阶段； 其中脱水阶段位于 30-200， 100.9时失重最快， 失重量为 3.008%，需要吸热 38.7J/g；粘结剂的烧蚀位于200-520，256.3及 353时失重最快，失重量分别精品文档精品文档为 2.14%、3.344%，分别为粘结剂分解为CO、CO2、SO、SO2 等气体释放导致的失重，反应中放热 322.97J/g； 进一步氧化过程位于52-700， 564.3时失重最快， 失重量为 0.317%，需要吸热 3.3J/g。4.高岭石是在

13、天然粘土中的一种含铝的硅酸盐。 用 STA 409 PC 可以研究它们的分解行为和相转变。图 4 分别为高岭石在氧气气氛下，升温速率为10K/min 时的 DSC-TG 同步热分析曲线，试分析其整个反应过程（包括每个阶段的反应类型，反应的起始及结束温度范围，失重量，反应峰值温度等等） 。图 4 高岭石在氧气气氛下，升温速率为10K/min 时的DSC-TG 曲线答案：答案：从图 4 可以看出，整个反应过程分别为高岭石的脱水、杂质的烧蚀、脱羟基以及相变等四个阶段；其中脱水阶段位于30-320，失重量为7.19%，需要吸热157.4J/g，127.3为吸热峰值温度； 杂质的烧蚀阶段位于 320-5

14、80， 失重量为 0.52%， 产生放热 51.02J/g， 484.2为放热峰值温度； 脱羟基阶段位于 580-850， 失重量为 3.67%， 需要吸热 229.55J/g， 756.8为吸热峰值温度； 相变阶段位于 850-1200， DTA 曲线位于 923.1时有一个较大的吸热峰，而 TG 曲线显示无失重过程，因此为相变过程，需要吸热51.02J/g。红外复红外复 习习 提提 纲纲1.1. 了解红外光谱的定义概念、表示方法和作用。了解红外光谱的定义概念、表示方法和作用。红外光谱的定义：红外光谱的定义：精品文档精品文档红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续红外光

15、谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使分子基团从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透变化，使分子基团从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率过率T%T%对波长对波长( (或波数或波数) )的曲线，即红外光谱。的曲线，即红外光谱。主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。红外光谱的表示方法：红外光谱的表示方法：红外

16、光谱以红外光谱以T-T- 或或T-T- 来表示，下图为苯酚的红外光谱。来表示，下图为苯酚的红外光谱。纵坐标为吸收系数，或透过率。纵坐标为吸收系数，或透过率。横坐标为波长横坐标为波长（m m ）或波数）或波数1/1/，单位：，单位：cm-1cm-1谱图特征：峰数，峰位，峰强，峰形。谱图特征：峰数，峰位，峰强，峰形。红外光谱法广泛用于物质的定性鉴定和结构分析。红外光谱法广泛用于物质的定性鉴定和结构分析。1.1.已知物的鉴定方法已知物的鉴定方法将试样的谱图与标准的谱图将试样的谱图与标准的谱图( (或文献谱图或文献谱图) )进行对照：进行对照： 若两张谱图各吸收峰的位置和若两张谱图各吸收峰的位置和形状

17、完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物；如果两张谱图不一形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物；如果两张谱图不一样，样， 或峰位不一致，或峰位不一致， 则说明两者不为同一化合物，则说明两者不为同一化合物， 或样品有杂质。或样品有杂质。 如用计算机谱图检索，如用计算机谱图检索，精品文档精品文档则采用相似度来判别。则采用相似度来判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同器类型均应与标准谱图相同2.2.未知物结构的测定未知物结构的测定测定

18、未知物的结构，是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物，可以利用标准谱图进行查对，方法是：首先进行光谱解析，判断试样的可是新化合物，可以利用标准谱图进行查对，方法是：首先进行光谱解析，判断试样的可能类型，然后查找标准谱图对照核实。能类型，然后查找标准谱图对照核实。在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关资料和数据。了解试样的来在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关资料和数据。了解试样的来源、以估计其可能是哪类化合物。有时还需要其它方法综合分析才能得到准确结果。源、以估计其可能是哪类化合物。有时还需要其它方法综

19、合分析才能得到准确结果。2 2红外光谱法与红外光谱法与 X X 射线衍射分析法比较，在应用上有何不同？射线衍射分析法比较，在应用上有何不同？3.3.红外光的分区，产生红外吸收的条件？红外光的分区，产生红外吸收的条件？波谱区波谱区波长波长/ / m m波数波数/ cm/ cm跃迁类型跃迁类型近红外光谱区：低能电子能级跃迁含氢原子团：-OH、 -NH、-CH伸缩振动的倍频吸收峰稀土及过渡金属离子配位化学的研究对象适用于水、醇、高分子化合物、含氢原子团化合物的定量分析红外吸收光谱法：分子的振动、转动基频吸收光谱区应用最为广泛的红外光谱区远红外光谱区：气体分子的转动能级跃迁液体与固体中重原子的伸缩振动

20、精品文档-1-1近红外光近红外光0.752.50.752.5133334000133334000分子振动分子振动中红外光中红外光2.5502.55040002004000200远红外光远红外光5010005010002001020010分子转动分子转动精品文档晶体的晶格振动某些变角振动、骨架振动-异构体的研究金属有机化合物、氢键、吸附现象研究该光区能量弱,较少用于分析远红外光区远红外光区该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动- -转动跃迁，液体和固体中转动跃迁，液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引

21、起的。重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。产生红外吸收的条件产生红外吸收的条件条件一：红外辐射光子的能量应与分子振动能级跃迁

22、所需条件一：红外辐射光子的能量应与分子振动能级跃迁所需能量相等。能量相等。条件二：辐射与物质之间必须有相互作用条件二：辐射与物质之间必须有相互作用( (偶极距有变化偶极距有变化) )。4.4.偶极矩的概念，为什么单原子分子和结构对称的双原子分子偶极矩的概念，为什么单原子分子和结构对称的双原子分子( (如如O O2 2) )无红外活性？无红外活性？正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩rq。它是一个矢量，方向规定为从正电荷中心指向负电荷中心。没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性5.5.解释什么叫红外非活性振动？解释什么叫红外非活性振动？有对称结构分子中，有些振动过程中

23、分子的偶极矩变化等于零， 不显示红外吸收，称为红外非活性振动。6.6.多原子分子的振动类型有哪些？多原子分子的振动类型有哪些？两类基本振动形式:伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化，但键角不变的振动。变形振动：键角发生周期性变化，但键长不变的振动，又称弯曲振动或变角振动。精品文档精品文档7.7.分子的运动自由度、分子的振动自由度及理论红外吸收峰数的关系，以分子的运动自由度、分子的振动自由度及理论红外吸收峰数的关系，以H H2 2O O和和COCO2 2分子为例分子为例进行说明。进行说明。设分子的原子数为n，则总自由度3n平动自由度转动自由度振动自由度非线型分子：n个原子应该有3n个自由度，但

24、有3个平动和3个绕轴转动，理论振动数=3n-6个；如：H2O分子，其振动数为3363 个线型分子： n个原子应该有3n个自由度， 但有3个平动和2个绕轴转动， 理论振动数=3n-5个 。如：CO2分子，理论振动数为33548.8.基频峰、倍频峰、泛频峰及特征峰的概念基频峰、倍频峰、泛频峰及特征峰的概念基频峰：基频峰：分子吸收光子后从基态跃迁到第一激发态时产生的振动吸收峰(01)。倍频峰倍频峰：指02的振动吸收带，出现在强的基频峰的大约 2 倍处(实际比两倍低)。一般为弱吸收峰。合频峰合频峰：分子吸收光子后，同时发生频率为1和2的跃迁，此时产生的跃迁为1+2的谱峰。差频峰差频峰：当吸收峰与发射峰

25、相重叠时产生的峰1-2。能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团特征吸收峰，称为基团特征吸收峰，9.9.通过红外光谱图中吸收峰的哪些特征可以了解物质结构、成分及含量方面的信息？通过红外光谱图中吸收峰的哪些特征可以了解物质结构、成分及含量方面的信息？谱带(吸收峰)强度(红外光谱的纵坐标):分子的对称性越低，基频振动过程中偶极矩的变化越大，其对应的峰强度也越大。分子或基团的浓度影响吸收峰强度，浓度越高，吸收强度就越大。反对称伸缩振动的强度大于对称伸缩振动的强度，伸缩振动的强度大于变形振动的精品文档精品文档强度。特征吸收峰和基团频率通过对大量标准样品的红外光谱的研究， 处于不同物质分子中的同一

26、种官能团的振动频率变化不大，即具有明显的特征性。这是因为连接原子的主要为价键力，处于不同分子中的价键力受外界因素的影响有限，即各基团有其自已特征的吸收谱带。10.10.红外光谱仪有哪两大类型？哪种类型仪器性能更好，主要表现在哪些方面？红外光谱仪有哪两大类型？哪种类型仪器性能更好，主要表现在哪些方面？色散型的红外光谱仪不足之处：1）需采用狭缝，光能量受到限制；2）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；3）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。狭缝越窄，分辨率越高，但光源到达检测器的能量减少，这对红外光谱分析影响很大。为减少长波部分能量损失， 通常采取程序控制增减狭缝宽度的办法， 即随辐射能量降

27、低， 狭缝宽度自动增加，保持到达检测器的辐射能量的恒定。傅立叶变换红外光谱仪不需要分光，故没有单色器。（1）具有很高的分辨率（2）波数精度高（3）扫描速度快（4）光谱范围宽（5）能量输出大1111用粉末压片法制样时，哪些因素会对红外谱图的质量有影响用粉末压片法制样时，哪些因素会对红外谱图的质量有影响? ?制样对红外谱图质量的影响:颗粒大小：样品对红外光的散射作用是随颗粒增大而增强。当颗粒大干红外辐射波长时，散射作用很强，会导至光谱图变形，即吸收带减少（合并）及强度减弱。因精品文档精品文档此，必须使矿物颗粒小于红外辐射的最短波长(2 )。分散介质： KBr 的化学活性较大，当它与化学性质不稳定的

28、矿物样品一起研磨时，可与样品发生反应，使所测光谱变为反应产物的光谱。这种现象在某些硫酸盐及氯化物矿物的 KBr 压片中表现比较明显。大气水：KBr 极易吸水，在样品光谱中常出现3400cm 及 1600cm 左右的水吸收带，解释谱图时要注意，不要误认为是样品含的结晶水。样品数量：样品数量过多或过少，会使强带头钝或弱带无法分辨（图3-7） 。因此，在常规鉴定时，应兼顾各带，使其均能较好分辨。1212解释为何化学组成同为解释为何化学组成同为 CaCOCaCO3 3的方解石和文石矿物的方解石和文石矿物, ,它们的红外光谱不同？它们的红外光谱不同？CO3内部为共价键，故碳酸盐矿物内振动频率与自由离子振

29、动频率比较接近，大约在 1530650cm 范围。伸缩振动模式（如3、1）分别在 15301320cm 与 11501050cm ；弯曲振动模式（2、4）分别在 890800cm 及 760 一 650cm ；1400cm 的3频率是碳酸盐矿物的特征频率。CO3内振动频率受外部金属阳离子(M)性质的影响,4表现尤为明显。CO3相对于阳离子的平移和转动产生晶格振动，它们的频率较低，在50030cm 范围。阳离子质量 （或半径） 影响晶格振动频率， 质量或半径增加， 频率降低， 呈线性关系。碳酸盐矿物的红外光谱由碳酸根离子振动模式及晶格振动模式构成，有的矿物还包括其它基团(OH 、H20 等）的振

30、动模式。CO3的内振动模式决定了碳酸盐矿物红外光谱的基本轮廓。 但具体碳酸盐矿物的红外光谱特征(吸收峰数目和频率)还与晶体结构和外部金属阳离子(M)的性质有很大关系。-1-1-1-l-1-1-1-1-1精品文档精品文档根据化学键的性质，结合波数与力常数、折合质量之间的关系，可将红外 4000400cm 划分为四个区：名称名称氢键区氢键区三键区三键区双键区双键区单键区单键区（指纹区）（指纹区）波数范围波数范围 cm-1-14000-25004000-25002500-20002500-20002000-15002000-15001500-4001500-400产生吸收产生吸收的基团的基团C-HC

31、-HN-HN-HO-HO-HC CN NC CC CC=C=CC=C=CC=0C=0C=CC=CC-CC-CC-O-CC-O-CC-NC-N1.X 射线的产生及其分类X 射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为 (200.06)10-8 厘米之间。因此X 射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。所以 X 射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的， 而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。 X 射线在电场磁场中不偏转。这说明X 射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象分分 类类放出的 X 射线分为两类：精品文档精品文档(1)如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一

32、定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射，连续光谱的性质和靶材料无关。(2)一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射，特征光谱和靶材料有关。2. X 射线粉晶衍射中靶材的选取样品制备多晶 X 射线衍射法也称之为粉晶X 射线衍射法，意指对研磨成粉末的多晶样品进行X 射线衍射分析。普通制样要求样品研磨成200 目以下的粉末状(用手触摸无颗粒感)，约需样品 0.20.3g，用玻璃板把样品压实、压平于样品板的凹槽中即可，如图 4-1a 所示；如果样品为硬质块状样品(多晶集合体)，则需把样品制作成 10mm 见方以内的尺寸，厚度不超过 5mm，用橡皮泥固定于

33、空心样品坐上(图 4-1b)，样品需有一个平面，该平面与样品板平面保持一致；如果样品量很少，不足以按前两种方法制样，则可用毛玻璃样品板制样，这时仅需样品510mg，用玻璃板压在毛玻璃面上即可3. 布拉格公式布拉格公式为： 2dsin=n， 其中 d 为晶面间距， 为衍射半角 （即发生衍射峰对应的 角度） ，因为一般将 2 成为衍射角。n 成为衍射级数，即某一晶面的一级衍射，或二级衍射， 为所用靶的波长4. PDF 卡片5. X 射线粉晶衍射谱图6. X 射线粉晶衍射的应用物相分析物相分析 ( (物相鉴定与定量相分析物相鉴定与定量相分析) )晶体学分析（晶粒大小、指标化、点阵参数测定、解析结构等

34、）晶体学分析（晶粒大小、指标化、点阵参数测定、解析结构等）薄膜分析薄膜分析 ( (薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度以及测定单晶外延膜结构特征薄膜的厚度、密度、表面与界面粗糙度以及测定单晶外延膜结构特征) )织构分析、残余应力分析织构分析、残余应力分析电子衍射及透射电镜、扫描电镜和电子探针分析复习提纲电子衍射及透射电镜、扫描电镜和电子探针分析复习提纲透射电镜分析部分：透射电镜分析部分：4.TEM(透射电镜)的主要结构，按从上到下列出主要部件1）电子光学系统照明系统、图像系统、图像观察和记录系统；2）真空系统；3）电源和控制系统。电子枪、第一聚光镜、第二聚光镜、聚光镜光阑、样品台、物镜光阑、物镜

35、、选区光阑、中间镜、投影镜、双目光学显微镜、观察窗口、荧光屏、照相室。5. TEM 和光学显微镜有何不同？光学显微镜用光束照明，简单直观，分辨本领低（ 0.2 微米） ，只能观察表面形貌，不能做微区成分分析；TEM 分辨本领高（1A）可把形貌观察，结构分析和成分分析结合起来，可以观察表面和内部结构，但仪器贵，不直观，分析困难，操作复杂，样品制备复杂。6.几何像差和色差产生原因，消除办法。球差即球面像差， 是由于电磁透镜的中心区域和边缘区域对电子的折射能力不符合预定的规律而造成的。精品文档精品文档减小球差可以通过减小CS 值和缩小孔径角来实现。色差是由于入射电子波长（或能量）的非单一性造成的。采

36、取稳定加速电压的方法可以有效的减小色差；适当调配透镜极性；卡斯汀速度过滤器。7.TEM 分析有那些制样方法？适合分析哪类样品?各有什么特点和用途？制样方法：化学减薄、电解双喷、竭力、超薄切片、粉碎研磨、聚焦离子束、机械减薄、离子减薄；TEM 样品类型：块状，用于普通微结构研究；平面，用于薄膜和表面附近微结构研究；横截面样面，均匀薄膜和界面的微结构研究；小块粉末，粉末，纤维，纳米量级的材料。二级复型法：研究金属材料的微观形态；一级萃取复型： 指制成的试样中包含着一部分金属或第二相实体， 对它们可以直接作形态检验和晶体结构分析，其余部分则仍按浮雕方法间接地观察形态；金属薄膜试样：电子束透明的金属薄

37、膜，直接进行形态观察和晶体结构分析；粉末试样：分散粉末法，胶粉混合法思考题：1.一电子管，由灯丝发出电子，一负偏压加在栅极收集电子，之后由阳极加速，回答由灯丝到栅极、由栅极到阳极电子的折向及受力方向？2.为什么高分辨电镜要使用比普通电镜更短的短磁透镜作物镜？高分辨电镜要比普通电镜的放大倍数高。 为了提高放大倍数，需要短焦距的强磁透镜。 透镜的光焦度 1/f 与磁场强度成 H2 正比。较短的 f 可以提高 NA，使极限分辨率更小。3.为什么选区光栏放在“象平面”上？电子束之照射到待研究的视场内； 防止光阑受到污染；将选区光阑位于向平面的附近， 通过一次放大向的范围来限制试样成像或产生电子衍射的范

38、围。5.电镜中的像差是如何形成的？分别谈如何消除各种像差。6.什么是景深和焦深？景深：固定像点，物面轴向移动仍能保持清晰的范围；焦深：固定物点，像面轴向移动仍能保持清晰的范围。7.电子显微镜象散产生的原因是什么？精品文档精品文档扫描电镜及电子探针分析扫描电镜及电子探针分析 复习题复习题1.电子束入射固体样品表明会激发哪些信号？它们有哪些特点和用途？二次电子：二次电子能量较低，在电场作用下可呈曲线运动翻越障碍进入检测器， 因而能使样品表面凹凸的各个部分都能清晰成像。 二次电子强度与试样表面的几何形状、 物理和化学性质有关。1）对样品表面形貌敏感2）空间分辨率高3）信号收集效率高，是扫描电镜成像的

39、主要手段。背散射电子（BE） ：通常背散射电子的能量较高，基本上不受电场的作用而呈直线进入检测器。 背散射电子的强度与试样表面形貌和组成元素有关。 对样品物质的原子序数敏感分辨率和信号收集效率较低。吸收电子(AE)：吸收电子与入射电子强度之比和试样的原子序数、 入射电子的入射角、试样的表面结构有关。利用测量吸收电子产生的电流， 既可以成像，又可以获得不同元素的定性分布情况， 它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。 1)随着原子序数的增大， 背散射电子增多，吸收电子较少；2)吸收电流图像的衬度正好与背散射电子图像相反。特征 X 射线：以辐射形式放出，产生特征X 射线。各元素都有自己的特征X 射线，可

40、以用来进行微区成分分析和晶体结构研究。俄歇电子(AUE)：每一种元素都有自己的特征俄歇能谱。1)适合分析轻元素及超轻元素2)适合表面薄层分析(1nm)(如渗氮问题）透射电子(TE)：如果试样只有 1020nm 的厚度，则透射电子主要由弹性散射电子组成，成像清晰。如果试样较厚，则透射电子有相当部分是非弹性散射电子，能量低于 E0，且是变量，经过磁透镜后，由于色差，影响了成像清晰度。1)质厚衬度效应 2)衍射效应 3) 衍衬效应感应电导： 在电子束作用下， 由于试样中电子电离和电荷积累， 试样的局部电导率发生变化。(电子感生电导)用于研究半导体。荧光：(阴极发光)各种元素具有各自特征颜色的荧光，因

41、此可做光谱分析。大多数阴极材料对杂质十分敏感，因此可以用来检测杂质。各种物理信号产生的深度和广度：俄歇电子1nm；二次电子10nm；X 射线 1um2.电子束透过试样时，电子透射强度受哪些因素影响？加速电压、样品厚度、入射方向、晶体结构、样品物质成分。3.简述二级复型、一级萃取复型。二级复型：a 按一般金相法，抛光原始试样，选择合适的浸蚀剂腐蚀试样表面，以显示内部组织；或者选用新鲜断口作为试样。b 在被复制试样表面滴一滴丙酮， 再覆盖一张比试样稍大的AC 纸， 用软棉球或软橡皮按压，以形成不夹气泡的均匀负复型。c 把上述带有负复型的试样放在红外灯下烘干，然后用镊子将留有试样表面信息的AC 纸揭

42、下。d 使负复型与试样接触的面朝上，用透明胶纸平整地固定在载玻片上。把载玻片放入真空喷镀仪中进行喷碳e 为提高衬度使用真空喷镀仪中另一对电极，进行投影，投影材料为铬或金，投影角为 30度。精品文档精品文档f 将喷好的复型膜剪成 2.5mm 2.5mm 的小块，置于丙酮中，使AC 纸充分溶解。并用干净丙酮反复清洗碳膜 2-3 次，最后用 3mm 的铜网直接捞取碳膜，用滤纸将丙酮吸干后，供电子显微镜直接观察。一级萃取复型：a 金相试样制备同二级复型，但浸蚀表面的深度视第二相质点的尺寸决定，最佳浸蚀深度为略大于第二相质点的一半，以便易于萃取在复型上；对断口试样一般不浸蚀。b 在试样表面上真空喷镀一层

43、碳。c 将带有碳膜的试样用小刀轻轻划成2.5mm 见方的小块。用电解法或化学法使碳膜分离。d 不同的试样选择不同的电解液（或腐蚀液） ，它只浸蚀基体而不浸蚀要萃取的第二相。e 待碳膜从试样表面全部分离并漂浮于液面时，用铜网捞起。f 在一定浓度的硝酸酒精或盐酸酒精中清洗碳膜， 再于酒精或丙酮中反复清洗， 最后用 3mm的铜网捞取碳膜，用滤纸将其吸干后，供电子显微镜观察。4.扫描电镜的分辨率受哪些因素影响？用不同的信号成像时， 其分辨率有何不同？所谓扫描电镜的分辨率是指用何种信号成像时的分辨率？在其他条件相同的情况下（如信噪比、磁场条件及机械振动等）电子束的束斑大小、检测信号的类型以及检测部位的原

44、子序数是影响扫描电子显微镜分辨率的三大因素。成像分辨率（nm） ：二次电子 5-10，背散射电子 50-200，吸收电子 100-1000 特征 X 射线100-1000，俄歇电子 5-10所谓扫描电镜的分辨率是指二次电子像的分辨率。2. 扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同？它不用电磁透镜放大成像， 而是用类似电视显影显像的方式， 利用细聚焦电子束在样品表面扫面试激发出来的各种物理信号来调制成像的。3. 二次电子和背散射电子像在显示表面形貌衬度时有何相同与不同之处？相同：都可以利用收集到的信号进行形貌分析不同：二次电子像主要反映试样表面的形貌特征。 像的衬度是形貌衬度，主要决定于试样表面相对

45、于入射电子束的倾角。试样表面光滑平整（无形貌特征） ，倾斜放置时的二次电子发射电流比水平放置时大，一般选在 45 度左右。用二次电子信号作形貌分析时，可以在检测器收集栅上加一正电压（一般为250-500V） ，来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线进入检测器， 这样在样品表面某些背向检测器或凹坑等部位上逸出的二次电子也能对成像有所贡献，图像层次增加，细节清楚。用背散射电子信号进行形貌分析时， 其分辨率要比二次电子低， 因为背散射电子是在一个较大的作用体积内被入射电子激发出来的，成像单元变大是分辨率降低的原因。背散射电子的能量很高， 它们以直线轨迹逸出样品表面， 对于背向检测器的样品表面，

46、因检测器无法收集到背散射电子而变成一片阴影， 因此在图像上显示出很强的衬度， 以至失去细节的层次，不利于分析。4. 电子探针仪与扫描电镜有何异同？电子探针仪如何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构和微区化学成分的同位分析？电子探针的镜筒及样品室和扫描电镜没有本质上的差别，但在检测器部分使用的额是 X 射线谱仪，专门用来测定特征波长（WDS）或特征能量（EDS） ，以此来对委屈化学成分进行分析。电子探针一般作为附件安装在扫描电镜或透射电镜上， 满足微区组织形貌、 晶体结构级化学成分三位一体分析的需要。5. 举例说明电子探针的三种工作方式（点、线、面）在显微成分分析中的应用。点分析： 将电子束固定

47、在所要分析的某一点上， 用手动或马达带动来改变晶体和计数器的相精品文档精品文档对位置，就可以接收到此点内的不同元素的X 射线。线分析：将谱仪（波谱仪或能谱仪）固定在所要测量的某一元素特征 X 射线信号（波长或能量）的位置上，使电子束沿指定的路径作直线扫描， 便可得到该元素在此直线上的浓度分布曲线。改变谱仪的位置，便可得到另一元素的浓度分布曲线。面分析：电子束在样品表面作光栅扫描时，把谱仪 （波谱仪或能谱仪）设定在接收某一元素特征 X 射线信号的位置上，此时在荧光屏上便可得到该元素的面分布图像。图像中的亮区表示这种元素的含量较高。若把谱仪设定为在另一元素，则可获得另一种元素得浓度分布图像。思考题

48、1.简述能谱仪、波谱仪在分析工作中的优缺点能谱仪与波谱仪比较优点：探测效率高。能谱仪的灵敏度比波谱仪高一个数量级。能谱仪可同时对分析点所有元素进行测定。波谱仪只能逐个测量每种元素的特征波长。能谱仪的结构比波谱仪简单。 能谱仪不必聚焦。因此对样品表面没有特殊要求， 适合于粗糙表面的分析工作。缺点：分辨率比波谱仪低。能谱仪只能分析原子序数大于11 的元素，而波谱仪可测定原子序数4-92 之间的所有元素。能谱仪的 Si(Li)探头必须用液氮冷却。2. 当对样品的扫描幅度为510-3mm、 在荧光屏上的扫描幅度为50mm 时扫描电镜的放大倍数是多少？M=50mm/510-3mm=1043.对扫描电镜来

49、说当放大倍数为20000、发散半角 =510-3rad 时的场深为多少？D=0.2/M=0.2/(510-320000)=0.02mm4.扫描电镜的物镜与透射电镜的物镜有什么不同？扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜。 前两个聚光镜是强磁透镜， 用于缩小电子束光斑； 第三个聚光镜是弱磁透镜（称为物镜） ，具有较长的焦距。目的是使样品室和透镜之间留有一定的空间，以便装入各种探测器，不作成像透镜用，不放大物象。5.直进式波谱仪和回转式波谱仪各有什么优缺点？直进式：分光晶体直线运动，检测器能在几个位置上接收到衍射束， 表明试样被激发的体积内存在着相应的几种元素。 衍射束的强度大小和元素含量成正比。回转式

50、： 结构简单，但是 X 射线出射方向变化很大，所以 X 射线的出射窗口要开的很大，因而影响不平表面的分析结果。思考题：1.随着原子序数增大，背散射电子、吸收电子的变化。随着原子序数的增加，背散射电子增多，吸收电子减少。电子衍射分析复习题1.分析电子衍射于 X 射线衍射有何异同？2.电子衍射分析的基本原理是什么？它有哪些特点？Bragg 定律：2dsin=n精品文档精品文档倒易点阵与爱瓦尔德球图解法：晶带定理与零层倒易截面：hu+kv+lw=0结构因子-倒易点阵的权重：Fhkl=fjexp2i(hxj+kyj+lzj)简单立方：Fhkl恒不等于零，即无消光现象。面心立方： h、k、l 为异性数时

51、，Fhkl=0；h、k、l 为同性数时，Fhkl0（0 作偶数） 。体心立方：h+k+l=奇数时，Fhkl=0；h+k+l=偶数时，Fhkl0偏离矢量与倒易阵点扩展：偏离矢量S 即倒易杆中心与爱瓦尔德球面交截点的距离。电子衍射基本公式：rd=L r 为衍射斑到原点的距离；d 为晶面间距；L 为样品到照相底版的距离； 为入射波长3.衍射像和一次放大像都在物镜的什么部位形成？衍射像成像在物镜后焦面上，一次放大像在物镜的像平面上4.电子衍射基本公式，相机常数的标定方法rd=L 测量喷镀的标准物质的 Ri，确定 ri，因物质结构已知，有 ASTM 卡片确定 di，计算K=ri*di，取平均值，即可。若

52、要求精确，画出 ri*di 随 ri 变化曲线，以供分析位置结构电子衍射谱用。5.用爱瓦尔德图解法证明布拉格定律。O*G=g,因此 k-k=g，它与Bragg 定律是完全等价的。由O 向 O*G 作垂线，垂足为D 因为 g平行于（hkl）晶面的法向NHKL,所以 OD 就是正空间中（hkl）晶面的方位，若它与入射束方向的夹角为 则有 O*DOO*sin 即 g/2=ksin 由于 g=1/d，k=1/ 因此 2dsin=.6.在电子显微镜中进行选区电子衍射分析，如何能将形貌观察及结构分析结合起来？7.说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理。多晶体的电子衍射花样是一系列不同半径的同心圆环。

53、多晶取向完全混乱， 可看作是一个单晶体围绕一点在三维空间内旋转， 故其倒易点是以倒易原点为圆心， （hkl）晶面间距的倒数为半径的倒易球，与反射球相截为一个圆。所有能产生衍射的半点都扩展为一个圆环， 故为一系列同心圆环。 单晶体的电子衍射花样由排列的十分整齐的许多斑点组成。倒易原点附近的球面可近似看作是一个平面， 故与反射球相截的是而为倒易平面， 在这平面上的倒易点阵都坐落在反射球面上， 相应的晶面都满足Bragg 方程，因此，单电子的衍射谱是而为倒易点阵的投影，也就是某一特征平行四边形平移的花样。非晶态物质的电子衍射花样只有一个漫散的中心斑点。非晶没有整齐的晶格结构。8.结合例子说明如何利用

54、电子衍射图谱进行物相鉴定和取向关系的测定。9.电子衍射分析的精确性受哪些参数的影响？如何进行精确计算？精确测定 L 及 ；思考题1.已知一多晶物质的前五个衍射环的半径分别为: r1=8.42mm, r2=11.83mm, r3=14.52mm,r4=16.84mm, r5=18.88mm. 晶格常数 a=2.81 埃.(1)确定此物质的结构，并标定这些环对应的指数;(2)求衍射常数 Ll.精品文档精品文档2.画出面心立方晶体（211）*的零阶和一阶劳厄带重叠图， （必须写出具体计算过程）5.零阶与高阶劳厄区之间的空白区宽度，与什么因素有关，有什么关系？零阶与高阶劳厄区之间的空白宽度，处于试样厚

55、度有关外，还与衍射物质的晶格常数有关，试样厚度越小，晶格常数越大（即不同层倒易面越靠近）空白区越窄。6.利用那种衬度操作可看到位错的半原子面和位移 R1、R2；利用那种衬度操作可看到应变场位错线，如何操作可观察位错割阶，如何操作可观察反相筹？相位衬度；衍射衬度；如果要观察攀移形成的割阶，电子束的入射方向必须垂直于位错线，但是要平行于滑移面；要观察反向畴界，电子束的入射方向必须平行于畴壁。7.电子衍射与 x 光衍射的异同？8.晶面间距越小越容易出现高阶劳埃带，对么？为什么？不对。间距越大，倒易面越接近，才容易出现高阶劳埃带。9.什么是菊池极菊池带、什么是超点阵斑？菊池线对的中线即(hkl)面与荧

56、光屏的截线， 两条中线的交点即两个对应的晶面所属的晶带轴与荧光屏的截点，称为菊池极。晶面和入射电子束间的夹角 f。当 fq，即晶格严格处于布拉格衍射位置，倒易点hkl 正好落在反射球上，菊池线正好通过 hkl 单晶衍射斑，而暗线过 000 点（透射斑点） ，在这种双光束情况下，菊池线的特征不明显，只在 000 与 hkl 之间一个菊池带（暗） ，这个暗带的两边就相当于上述菊池线位置。超点阵斑点：当晶体内不同原子产生有序排列时， 将引起电子衍射结果的变化， 即可以使本来消光的斑点出现，这中额外的斑点称为超点阵斑点。10.什么是对称谱，为什么电子束平行晶面仍可得到电子衍射图？电子束平行于晶带轴入射形成。样品薄倒易杆比较长，电子束波长短反射球曲率小。精品文档