催化實(shí)驗(yàn)方法第四章課件

第四章

近代實(shí)驗(yàn)技術(shù)概述1.近代實(shí)驗(yàn)技術(shù)特點(diǎn)用微觀粒子(光子,電子,質(zhì)子,中子----等)作為探針與物質(zhì)相互作用.產(chǎn)生各種微觀粒子的信息.并對(duì)此信息進(jìn)行分析.獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu),組成等特性.可歸結(jié)為微觀粒子的輸入(種類(lèi),數(shù)量,空間位置,能量大小和分布)和輸出.粒子與物質(zhì)相互作用.粒子的特性及其所提供的信息與物質(zhì)結(jié)構(gòu),組成等關(guān)系Einstein學(xué)說(shuō)光子的能量是量子化的,每一頻率的光能量有最小單位,稱(chēng)光量子光子有質(zhì)量,但光子的靜止質(zhì)量等于零由Einstein方程:★實(shí)物粒子的波動(dòng)性:(德布羅意關(guān)系式)(2)微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方程Schrodinger方程3.物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及其描述求解薛定鍔穩(wěn)態(tài)方程得到要描述一個(gè)原子中某個(gè)電子狀態(tài)需要四個(gè)量子數(shù):n=1(k),2(L),3(M)··············稱(chēng)主量子數(shù)(能量)L=0(S),1(P),2(d),3(f)········角量子數(shù)(角動(dòng)量)m=0,±1,±2,··················±L.(磁量子數(shù))ms=,-···················自旋量子數(shù)↑↓★在近代實(shí)驗(yàn)技術(shù)中引進(jìn)新量子數(shù)j(內(nèi)量子數(shù))求解薛定鍔方程在多電子體系中某個(gè)電子的能量:固體能帶理論許多原子組成固體時(shí),原子的電子軌道發(fā)生重迭,相應(yīng)的一組原子能級(jí)展寬成能帶如:3S能級(jí)展成3S能帶.2P能級(jí)展成2P能帶.而相鄰原子的外層電子軌道重迭得多.內(nèi)層電子軌道重迭得少.因此最外層的價(jià)電子能帶較寬.兩個(gè)能帶之間存在間隔,其中沒(méi)有能級(jí),不能填充電子.這個(gè)區(qū)域稱(chēng)禁帶.就形成滿(mǎn)帶,禁帶,導(dǎo)帶三個(gè)區(qū)域.4.微觀粒子與物質(zhì)相互作用(1)電子與物質(zhì)相互作用No.1散射電子與物質(zhì)相互作用后方向和能量改變稱(chēng)散射.若只有方向改變無(wú)能量改變則稱(chēng)彈性散射,能量也變稱(chēng)非彈性散射★原子核對(duì)電子的彈性散射.

RBS譜儀.★原子核對(duì)電子非彈性散射.★核外電子對(duì)入射電子非彈性散射.特徵X射線電子探針(EPMA)俄歇電子發(fā)射俄歇電子能譜(AES).No.3電子云集體震蕩原子在晶體內(nèi)的分布是長(zhǎng)程有序的,價(jià)電子變成公有電子,構(gòu)成電子云,浸散在整個(gè)晶體空間內(nèi).正離子基本上處于晶體點(diǎn)陣內(nèi)的固定位置上.可以看成是帶正電的原子實(shí)和價(jià)電子云組成,類(lèi)似等離子體.當(dāng)電子(E0)穿過(guò)該晶體時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子云集體振蕩.特徵能量損失譜(ELS).(2)光子與物質(zhì)相互作用No.1光子的吸收與發(fā)射原子吸收光譜與發(fā)射光譜.紫外及可見(jiàn)吸收光譜(指分子的外層電子或價(jià)電子躍遷所得光譜).IR.No.2光子的散射彈性散射(瑞利散射)非彈性散射:光子與物質(zhì)分子相互作用,結(jié)果是光子把一部分能量給分子或者從分子獲得一部分能量.光子的能量就會(huì)減少或增加.這種散射稱(chēng)Raman散射.拉曼光譜No.3光電效應(yīng)光子與分子中內(nèi)層電子作用,把能量給了電子,電子被激發(fā)出來(lái).光電子能譜(ESCA).No.4X射線熒光現(xiàn)象X射線作用於物質(zhì)會(huì)發(fā)射出各種顏色及不同強(qiáng)度的可見(jiàn)光,仃止照射光也隨之消失.這就稱(chēng)作X光熒光現(xiàn)象.熒光波長(zhǎng)與被激發(fā)元素的原子序數(shù)關(guān)系.由莫斯萊(Mosley)定律表示:X光熒光分析No.5光解吸附現(xiàn)象若則可導(dǎo)出公式:M2No.2二次離子質(zhì)譜(SIMS)

SecondaryIonMassSpectrocorpy一個(gè)高能離子撞擊到靶(樣品)上,可受到表面原子背散射,也可進(jìn)入固體.并通過(guò)一系列彈性和非彈性雙體碰撞而把其能量消耗在晶格原子上.當(dāng)表面或接近表面被作用原子獲得足夠的能量就會(huì)離開(kāi)固體產(chǎn)生濺射.用質(zhì)譜分析飛出來(lái)的離子.SIMS.No.5離子激發(fā)俄歇電子譜(IEAES)

Ion-excitedAugerelectronspectroscopy(4)中性粒子輸入中子衍射、分子束技術(shù)等中性粒子加速困難,能量低,對(duì)表面不易損傷.電場(chǎng)和磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用5.場(chǎng)的輸入No.1核磁共振(N.M.R.)Nuclearmagniticresonance原子核有自旋現(xiàn)象(具有角動(dòng)量)由于它是帶正電荷粒子,自旋會(huì)產(chǎn)生磁埸.形成小磁體稱(chēng)磁偶極子,具有磁偶極矩簡(jiǎn)稱(chēng)磁矩.核磁矩在磁埸作用下將原簡(jiǎn)并的能級(jí)分裂開(kāi)為2I+1不同的能量狀態(tài)(核磁能級(jí))稱(chēng)塞曼效應(yīng)(Zeemaneffect).當(dāng)外加的電磁波能量正好和兩個(gè)核能差△E相同時(shí),低能級(jí)的核就會(huì)吸收電磁波,躍遷到高能級(jí)產(chǎn)生核磁共振.核磁共振波譜主要提供三方面與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)信息:☆.吸收峰頻率(化學(xué)位移)☆.峰的裂分及偶合常數(shù)☆各峰相對(duì)面積峰的裂分及偶合常數(shù)同一分子中,核自旋與核自旋間相互作用的現(xiàn)象稱(chēng)自旋-自旋偶合.它會(huì)產(chǎn)生譜線裂分的現(xiàn)象稱(chēng)自旋-自旋裂分.偶合產(chǎn)生的譜線間距稱(chēng)偶合常數(shù)單位HZ.偶合常數(shù)是核自旋裂分強(qiáng)度,它只與化合物分子結(jié)構(gòu)有關(guān).各峰相對(duì)面積峰的面積與相應(yīng)的各種質(zhì)子數(shù)目成正比.對(duì)峰面積進(jìn)行比較能決定各質(zhì)子相對(duì)數(shù)目.No.2電子順磁(自旋)共振.EP(S)R.

Electronparamagnetic(spin)resonance順磁性物質(zhì):若分子含有奇數(shù)個(gè)電子在成鍵時(shí)必有一個(gè)電子是未成對(duì)電子.這種分子所組成的物質(zhì)稱(chēng)順磁性物質(zhì).這種物質(zhì)有凈的電子自旋和相應(yīng)的磁矩.它不處在外磁埸中時(shí),所有的電子不論其取向如何都具有相同的能量.若在一個(gè)均勻的磁埸中.電子磁矩與外磁埸相互作用,能量分裂為不同能級(jí).若加入一定頻率的電磁波符合電子能級(jí)躍遷共振吸收條件就可獲得EPR譜.EPR可研究的對(duì)象:★自由基:若分子中含有一個(gè)未成對(duì)電子,這樣的分子稱(chēng)為自由基★三態(tài)分子:若分子中含有兩個(gè)未成對(duì)電子,它們之間相互作用很強(qiáng),這種分子稱(chēng)為三態(tài)分子★在原子軌道中出現(xiàn)末成對(duì)電子的物質(zhì).如:大多數(shù)過(guò)渡金屬離子和稀土離子★天然或人為的晶格缺陷或局部的晶體不完整性,形成具有未成對(duì)電子物質(zhì),以及具有自由電子的金屬和半導(dǎo)體等6.外延X(jué)射線吸收光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)分析

ExtendedX-rayAbsorptionFineStructure當(dāng)X射線與物質(zhì)相互作用時(shí),被