材料化學習題答案(完整版

1、第二章2.1 擴散常常是固相反應的決速步驟，請說明：1) 在用MgO和為反應物制備尖晶石時，應該采用哪些方法加快固相反應進行？2) 在利用固相反應制備氧化物陶瓷材料時，人們常常先利用溶膠-凝膠或共沉淀法得到前體物，再于高溫下反應制備所需產物，請說明原因。3) “軟化學合成”是近些年在固體化學和材料化學制備中廣泛使用的方法，請說明“軟化學”合成的主要含義，及其在固體化學和材料化學中所起的作用和意義。答：1. 詳見P6 A.加大反應固體原料的表面積及各種原料顆粒之間的接觸面積；B.擴大產物相的成核速率C.擴大離子通過各種物相特別是產物物相的擴散速率。2. 詳見P7最后一段P8 2.2節(jié)一二段 固相

2、反應中反應物顆粒較大，為了使擴散反應能夠進行，就得使得反應溫度很高，并且機械的方法混合原料很難混合均勻。共沉淀法便是使得反應原料在高溫反映前就已經達到原子水平的混合，可大大的加快反應速度； 由于制備很多材料時，它們的組分之間不能形成固溶的共沉淀體系，為了克服這個限制，發(fā)展了溶膠-凝膠法，這個方法可以使反應物在原子水平上達到均勻的混合，并且使用范圍廣。3. P22 “軟化學”即就是研究在溫和的反應條件下，緩慢的反應進程中，采取迂回步驟以制備有關材料的化學領域。 2.2 請解釋為什么在大多數情況下固體間的反應很慢，怎樣才能加快反應速率？答：P6以MgO和反應生成為例，反應的第一步是生成晶核，其晶核

3、的生長是比較困難的，和的擴散速率是反應速率的決速步，因為擴散速率很慢，所以反應速率很慢，加快反應速率的方法見2.1（1）。第三章（張芬華整理）3.1 說明在簡單立方堆積、立方密堆積、六方密堆積、體心立方堆積和hc型堆積中原子的配位情況。答：簡單立方堆積、 6 立方密堆積、 12 六方密堆積、 12 體心立方堆積 8hc型堆積 123.2 為鈣鈦礦結構，a=3.905，計算Sr-O，Ti-O鍵長和密度。答：立方鈣鈦礦結構為立方最密堆積，其中各原子的分數坐標為Ti（0，0，0），Sr（1/2,1/2,1/2），O（0，0，1/2）Sr-O鍵長：Ti-O鍵長：3.3 具有相關的結構，在原點和體心位置

4、上分別是Nb和O的空位，畫出的結構圖，討論其中的八面體金屬簇的三維結構。答：P48 圖3.12 （c） 是目前為止發(fā)現(xiàn)的唯一具有三維結構八面體原子簇的化合物，八面體原子簇的三維連接要求陰離子的尺寸與金屬簇的空隙相當。（詳細參考P49第一段）3.4 說明和結構的特征和異同。答：和為層型分子，在晶體中，層型分子沿垂直于層的方向堆積，作六方最密堆積，離子填入其中部分八面體空隙，各層相對位置為。晶體中作立方最密堆積，交替的一層填滿一層空缺的填入八面體空隙中，相對位置表示為。 （詳細參考結構化學P290）3.5 陰離子具有立方密堆積，以下方式充填陽離子可以得到什么類型：（1） 陽離子填滿所有四面體格位

5、反螢石結構（2） 陽離子充填1/2四面體格位 尖晶石結構（共棱）（3） 陽離子填滿所有八面體格位 結構（共邊）（4） 陽離子充填1/2八面體格位 鈣鈦礦結構（共頂點）3.6 陰離子具有六方密堆積，以下方式充填陽離子可以得到什么類型：（5） 陽離子填滿所有四面體格位 金紅石結構（共頂點）（6） 陽離子充填1/2四面體格位 六方硫化鋅結構（共頂點）（7） 陽離子填滿所有八面體格位 NiAs結構和WC結構（共邊）（8） 陽離子充填1/2八面體格位 結構（六方鈣鈦礦）第七章7.1 一種晶體具有中心對稱，它是否具有以下性質：介電、鐵電、熱釋電、壓電？答：一個晶體具有中心對稱，它具有介電性質，不具有鐵電，

6、熱釋電，壓電性質。1 所有三十二種點群都具有介電性質；2 鐵電和熱釋電屬于具有一階張量描述的物理性質，晶體應該屬于極性晶類，有中心對稱的晶體不具有奇數階張量描述的物理性質；3 壓點性質屬于具有三階張量描述的性質。7.2 說明Neumann規(guī)則和Curie規(guī)則的基本要點。答：具體見P139140Neumann規(guī)則基本要點：晶體任一物理性質所具有的對稱性，必包含晶體點群的全部對稱操作。（討論的是物理性質與晶體對稱性之間的關系）Neumann規(guī)則中：1) 只要求晶體物理性質的對稱性包含晶體的對稱性；2) 晶體物理性質的對稱性常高于晶體的對稱性；3) 確定晶體的對稱操作一定要包含晶體所屬點群的所有對稱

7、操作，限定了物理性質的最低對稱性。 Curie規(guī)則基本要點：晶體在受到外場作用后，晶體的對稱操作僅保留晶體原有對稱操作中與外場一致的部分，在外場對稱性高于晶體對稱性時，晶體的對稱性保持不變；在外場的對稱性低于晶體對稱性時，晶體的對稱性降低。（討論外加物理場對晶體對稱性的影響）第八章8.1 在393K發(fā)生從四方到立方結構的相變，空間群從P4mm轉變?yōu)镻m3m，回答并說明原因：四方結構的是否可以具有熱釋電性質和鐵電性質；立方結構的是否可以具有介電性質、壓電性質和熱釋電性質。答：1 四方的屬于極性點群，具有熱釋電性質具有鐵電性質（P156下面）2 立方的不屬于極性點群，不具有熱釋電性質；32個點群的

8、晶體均具有介電性質；具有壓電性質8.2 材料的熱釋電和鐵電效應是用一階張量描述的物理性質，只有極性晶類的晶體才能具有這些性質，在實際中人們發(fā)現(xiàn)所有的極性晶類的晶體都具有熱釋電效應，而其中的一小部分可以表現(xiàn)出鐵電效應，請說明原因。答：詳見P156第一段。在三十二種點群中，具有熱釋電效應的10類極性晶體都可能具有鐵電性質，但并非所有的熱釋電效應都可以表現(xiàn)出鐵電性質，一些熱釋電材料自發(fā)極化反轉需要較高的外加電場，如所需電場高于擊穿電壓，材料就無法表現(xiàn)出鐵電性質。因此，從材料的內稟性質上講鐵電與熱釋電材料屬于同一類，具有鐵電性質的晶體一定具有熱釋電性質，但具有熱釋電性質的晶體不一定能夠實現(xiàn)鐵電性質。第

9、九章9.1 比較并說明和結構的異同。答：詳見P182下面一段。 是層狀鈣鈦礦系列化合物中n=1的物相，其中銅氧八面體公用頂點形成二維鈣鈦礦單層，層間的離子按NaCL（100）面方式排列。也可以看作是四方配位的銅氧層與NaCL結構的雙層構成，化合物中的銅離子為二價。 也是一種層狀鈣鈦礦結構，結構中的銅氧層仍然是四方，與系列化合物結構不同，四方銅氧層被結構的層隔開。高價離子部分取代中的稀土離子，可以使部分變?yōu)椤５谑拢t色字體表示沒有準確的答案）121下列哪些現(xiàn)象屬于非平衡輻射發(fā)光？（1） 在253nm紫外激發(fā)下， :Eu發(fā)出紅色的光；（2） BaFCl:Eu材料的熱釋發(fā)光；（3） 白紙燈發(fā)光；

10、（4） X射線熒光；（5） 月光。答：非平衡輻射是指在某種外界作用的激發(fā)下，體系偏離原來的平衡態(tài)，如果物體在回復到平衡態(tài)過程中，其多余的能量以光輻射的形式釋放出來，則稱為發(fā)光。發(fā)光是一種疊加在熱輻射背景上的非平衡輻射。 由以上定義，可以判斷（1）屬于非平衡輻射發(fā)光； （5）不屬于；12.2哪些光譜包含了材料的光吸收特性？（1） 吸收光譜；（2）熒光發(fā)射光譜；（3）激發(fā)光譜；（4）反射光譜；（5）熱釋發(fā)光光譜。答：（2）、（3）、(4)12.3在紫外光激發(fā)下，:，發(fā)射的特征綠光，指出材料的基質、激活劑和敏化劑。答;基質，激活劑，敏化劑12.4以激發(fā)方式分類，說出5類發(fā)光材料的名稱。答：分立中心發(fā)

11、光材料、復合發(fā)光材料、復合離子發(fā)光材料或自己激活發(fā)光材料、12.5在下面的圖中給出了某種發(fā)光材料的3條譜圖。請指出哪一條是反射光譜、激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，并估計該材料的發(fā)光顏色。答：（a）是激發(fā)光譜（b）是反射光譜（c）是發(fā)射光譜12.6什么是Stokes位移，什么是反Stokes位移？答：由于熒光物質分子吸收的光能經過無輻射去激的消耗后,降至S1態(tài)的最低振蕩能級,因而所發(fā)射的熒光的波長比激發(fā)光長,能量比激發(fā)光小,這種現(xiàn)象稱為stokes位移.反之,稱為反斯托克斯線 。12.7根據發(fā)光機理，無機固體發(fā)光材料中發(fā)光過程可分立中心發(fā)光，復合發(fā)光和電荷遷移態(tài)發(fā)光。請指出下列材料各屬于哪種機理的發(fā)光：(

12、1) :Eu(2)ZnS:Ag,Cl(3)(4)(5)（ZnCd）S：Cu，Al(6)(7):(8)答：分立發(fā)光中心(1) (4）(7) (8)復合發(fā)光(2)(5)電荷遷移態(tài)發(fā)光 (3）（6）12.8下面那些離子可以作為激活劑，哪些不可以？，答：激活劑；、12.9在制備綠色熒光體：時，若原料中混入月1%的下列離子（）估計它們分別對該材料的發(fā)光性能會有何影響答：發(fā)光材料中可以看到很強的-躍遷發(fā)射，熒光壽命較長； 激發(fā)光譜和發(fā)射光譜都為寬的帶譜。 ：穩(wěn)定性好、發(fā)光效率高、色純度好；以這兩種為激活劑的發(fā)光材料激發(fā)和發(fā)射效率高，而且熒光壽命短。 ：能級豐富，能級間隔窄，在發(fā)光材料中起著焠滅劑的作用；發(fā)

13、射光譜大多為一個帶譜，且與最低激發(fā)譜帶有一定的交疊。12.10簡述位形坐標模型的要點，并用該模型解釋Stokes位移和溫度粗滅現(xiàn)象。答：參見課本P242和P244位型坐標模型：（1）縱坐標表示包括發(fā)光中心離子及其周圍離子在內的系統(tǒng)能量，這個能量包含電子和離子的勢能和相互作用能；（2）橫坐標表示中心離子及其周圍離子互相作用的坐標，它是包括離子之間相對位置等因素在內的一個籠統(tǒng)的空間概念。Stokes位移現(xiàn)象的解釋：將能量E對Q作圖，得到體系的基態(tài)狀態(tài)g為一拋物線，Q表示基態(tài)的平衡距離。圖上的拋物線表示體系的激發(fā)態(tài)狀態(tài)e，Q是激發(fā)態(tài)的平衡距離。在低溫下，材料吸收能量時，電子多半從基態(tài)的最低點Q開始躍

14、遷，到達激發(fā)態(tài)拋物線上側面一點，其能量為激發(fā)能。當吸收能量躍遷到激發(fā)態(tài)后，體系會很快回到激發(fā)態(tài)的最低能級，將多余的能量傳遞給周圍離子，當體系從激發(fā)態(tài)躍遷回到基態(tài)，這時體系發(fā)射的能量為。這兩者只差就是Stokes位移。 使發(fā)光被削弱或甚至完全消失的現(xiàn)象稱為猝滅。常見的引起猝滅的因素有：發(fā)光體的溫度上升，這時引起的或加強的猝滅，稱為溫度猝滅 。12.11產生激光的過程是怎么樣的？什么樣的材料可以作為激光材料？答：參考P262第二段在某種基質晶體中摻入少量的光學活性離子，這種活性離子可以在基質禁帶中形成分立的能級-基態(tài)和激發(fā)態(tài)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，電子在各能級的占據率符合Fermi分布，即占據基態(tài)的電子數

15、遠遠大于激發(fā)態(tài)。能夠產生受激輻射的關鍵是材料具有亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)能級，能夠產生”布局數反轉“狀態(tài)。材料需要有亞穩(wěn)態(tài)的激發(fā)態(tài)能級就可以作為激光材料。12.12非線性光學材料對材料的對稱性有什么要求？產生二次諧波的微觀機理是怎樣的？答：（1）材料的二階非線性系數是三階張量描述的性質，要使二階非線性系數不為零，要求晶體 不具有對稱中心。 （2）諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(MFourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦

16、波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。第十六章16.1 對于無機材料，其組成、結構和性能都有兩個層次的含義，簡要敘述這些含義。答：P341 表16.1項目含義一含義二組成元素組成相組成，缺陷組成結構分子結構及晶體結構亞微觀結構（）性能一般物化性能（密度、熔點、穩(wěn)定性等）與材料的應用相聯(lián)系的光、電、磁等物理性能16.2 單晶x衍射和多晶（粉末）x射線衍射各自的特點是什么？答：書上參考P342 網上的參考答案：X射線衍射

17、法因晶體的是單晶還是多晶分為x射線單晶衍射法和X射線多晶衍射法。單晶X射線衍射分析的基本方法為勞埃法、周轉晶體法和四圓單晶衍射儀法。書上還會有別的方法，因不太常用在此不再啰述?，F(xiàn)在最常用的是四圓單晶衍射儀測單晶。勞埃法改變波長、以光源發(fā)出連續(xù)X射線照射置于樣品臺上靜止的單晶體樣品，用平板底片記錄產生的衍射線。根據底片位置的不同，勞埃法可以分為透射勞埃法和背射勞埃法。背射勞埃法不受樣品厚度和吸收的限制，是常用的方法。勞埃法的衍射花樣由若干勞埃斑組成，每一個勞埃斑相應于晶面的1n級反射，各勞埃斑的分布構成一條晶帶曲線。周轉晶體法：周轉晶體法以單色X射線照射轉動的單晶樣品，用以樣品轉動軸為軸線的圓柱

18、形底片記錄產生的衍射線，在底片上形成分立的衍射斑。這樣的衍射花樣容易準確測定晶體的衍射方向和衍射強度，適用于未知晶體的結構分析。周轉晶體法很容易分析對稱性較低的晶體(如正交、單斜、三斜等晶系晶體)。 四圓單晶衍射儀法是轉動晶體。以四個圓的轉動變量、和2進行晶體和計數器的轉動，以實現(xiàn)倒格點與埃瓦爾德(Ewald)衍射球球面相遇產生衍射的必要條件。圓對應于安置晶體的測角頭的自轉轉動，圓對應于測角頭在其所坐落的儀器金屬環(huán)內側圓上的轉動，圓對應于金屬環(huán)繞中垂線(Z軸)進行的轉動，2圓則對應于為保持衍射方向相對于入射X射線為2的角度所需進行計數器的轉動。是常用的測量單晶衍射的方法X多晶衍射法包括：照相法

19、、針孔法、衍射儀法。照相法又可分為德拜照相法和聚焦法。其中德拜法應用最廣泛。照相法三者均為特征單色X射線源照射粉末樣品。不同的是：a，德拜法用卷成圓柱狀的底片記錄衍射信息，并放置底片與樣品同柱安裝。特點：1，需要樣品量少，0.1mg即可。2，裝置，操作簡單。3，包含樣品上的全部反射線。因此較為常用。b，聚焦法：底片與樣品在同一圓周上，使多晶樣品中的等同晶面在底片上聚成一點或一條線。特點：曝光時間短，分辨率是德拜法的兩倍，但在小 范圍衍射線條較少且寬，不適于分析未知樣品。c，針孔法根據底片不同的位置針孔法又分為穿透針孔法和背射針孔法。特點：可得到衍射線的整個圓環(huán)，適于研究晶粒大小、晶體完整性、宏

20、觀殘余應力及多晶試樣中的擇優(yōu)取向等。但這種方法只能記錄很少的幾個衍射環(huán)，不適于其它應用。d，衍射儀法X射線衍射儀以布拉格實驗裝置為原型，融合了機械與電子技術等多方面的成果。衍射儀由X射線發(fā)生器、X射線測角儀、輻射探測器和輻射探測電路4個基本部分組成，是以特征X射線照射多晶體樣品，并以輻射探測器記錄衍射信息的衍射實驗裝置。現(xiàn)代X射線衍射儀還配有控制操作和運行軟件的計算機系統(tǒng)。X射線衍射儀的成像原理與聚集法相同，但記錄方式及相應獲得的衍射花樣不同。衍射儀采用具有一定發(fā)散度的入射線，也用“同一圓周上的同弧圓周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圓半徑隨 2的變化而變化。衍射儀法以其方便、快捷、準確和可

21、以自動進行數據處理等特點在許多領域中取代了照相法，現(xiàn)在已成為晶體結構分析等工作的主要方法。16.3 在無機材料研究中，利用多晶x射線衍射主要可以從事哪些研究工作？答：通常用多晶x衍射研究的問題主要有物相鑒定、衍射圖譜指標化和晶體結構測定。（詳細敘述見P342）16.4 與x射線衍射相比，電子衍射和中子衍射各有什么特點？答：詳見P343-345 電子衍射是透射電子顯微鏡的一個功能，在加速電壓一定的條件下，電子的波長比常用于衍射的X射線波長短得多，因而其衍射角小，電子束照射在單個晶粒上會產生規(guī)律的衍射圖樣，而照射在幾個晶粒上產生的衍射圖樣是幾個晶粒衍射同樣的疊加，多晶樣品的衍射為圓環(huán)。在材料研究中

22、可以用于晶體對稱性的測定和微區(qū)相分析。 X射線衍射和電子衍射都是射線與電子之間發(fā)生作用，而中子衍射是中子束與原子核發(fā)生作用。在X射線衍射和電子衍射中重原子周圍電子較多，對衍射強度貢獻大，而輕原子周圍電子少，對衍射強度貢獻小，所以其原子位置不容易被準確測定，而中子衍射各種原子對于衍射強度貢獻相當，這樣輕原子的位置可以比較準確的測定。中子衍射對于測定晶體中的磁有序結構是很重要的研究手段。16.5 什么是電子衍射的相機常數，試述該常數在分析電子衍射圖時的作用。答：L稱為相機常數，L為樣品與衍射平面的距離，為電子的波長。有關系式，r是衍射斑點到衍射圖樣中心的距離d是衍射斑點的晶面間距。實際應用中用基準

23、物（如單質鋁）來標定相機常數，分析未知樣品時，只要測的r，就可以得到相應衍射斑點的d。16.6 當電子轟擊固體樣品時，可以產生多種次級射線。掃描電子顯微鏡（SEM）和電子探針（EPMA）主要利用哪三種射線對材料進行分析？答：SEM主要利用二次電子、背散射電子和X射線熒光。EPMA是利用元素的特征X射線進行成像。（詳見P346-347）16.7 SEM和EPMA的主要區(qū)別是什么？答：（詳見P346-347）1 電子探針是專門用于對材料煩人微區(qū)進行元素分析的儀器；2 電子探針用于元素定量和定性分析部件的靈敏度和精確度更高，定量分析的誤差小；3 電子探針在元素分析方面有特殊功能，如元素二維面分布圖和

24、元素一維分布曲線；4 SEM是利用二次電子，背散射電子呈像，而EPMA是用元素的特征X射線進行成像。其中二次電子像用來觀察材料的晶粒形狀、大小和表面細節(jié)等，背散射電子像常被用來分析復相材料或堅定材料中的雜志物相。16.8 EPMA 中材料的線分析圖和元素分布圖是利用哪種次級射線得到的？答：元素的特征X射線16.9 透射電子顯微鏡(TEM）主要有哪幾種功能？答：P349 放大，衍射和元素分析的功能。16.10 能夠直接觀察到原子的顯微鏡是哪種？它的英文縮寫是什么？答：P351 掃描隧道顯微鏡，英文縮寫是STM16.11 EXAFS的中文名稱是什么？為什么說它在玻璃材料研究中特別重要？答：P355

25、EXAFS中文名稱為擴展的X射線吸收精細結構。EXAFS是一種測定局域結構的技術，該技術對晶態(tài)和非晶態(tài)材料同樣適用。玻璃材料屬于非晶態(tài)材料，這類材料的結構很難用其他方法進行研究，而EXAFS可以測定非晶態(tài)材料徑向分布函數（該函數表示找到一個原子的概率與距中心原子距離的函數），從而測定其結構，因此其尤為重要。EXAFS最大的優(yōu)點是可以獲得每一種元素的RDF，而常規(guī)的X射線衍射技術給出的是材料中所有元素的平均RDF。16.12 理解電子順磁共振譜的工作原理及特點。答：詳見P353電子順磁共振譜也稱電子自旋共振譜，是研究材料中未成對電子狀態(tài)的有效手段。這一技術可以特別幫我們測定：1) 順磁中心的價態(tài)、電子組態(tài)和配位數；2) 過度金屬離子基態(tài)d軌道和所發(fā)生的結構畸變，例如由Jahn-Teller效應引起的畸變；3) 順磁離子與周圍負離子或配體間鍵的共價性程度其工作原理如下： 電子是具有一定質量和帶負電荷的一種基本粒子，它能進行兩種運動；一種是在圍繞原子核的軌道上運動，另一種是對通過其中心的軸所作的自旋。由于電子的運動產生力矩，在運動中產生電流和磁矩。在外加恒磁場H中，電子磁矩的作用如同細小的磁棒或磁針，由于電子的自旋量子數為1/2，故電子在外磁場中只有兩種取向：一與H平行，對應于低能級，能量為-1/2gH；一與H逆平行，對應于高能級，能量為+1/2gH，兩能級