現(xiàn)代科學(xué)分析方法重點及及解答

現(xiàn)代科學(xué)分析方法重點及及解答紫外光譜，熒光光譜在材料研究中的應(yīng)用（1）分子內(nèi)的電子躍遷有哪幾種，吸收最強的躍遷是什么躍遷？形成單鍵的σ電子；形成雙鍵的π電子；未成對的孤對電子n電子。成鍵軌道σ、π；反鍵軌道σ*、π*；非鍵軌道n。1）、σ-σ*躍遷它需要的能量較高，一般發(fā)生在真空紫外光區(qū)。在200nm左右，其特征是摩爾吸光系數(shù)大，為強吸收帶。2）、n-σ*躍遷實現(xiàn)這類躍遷所需要的能量較高，其吸收光譜落于遠紫外光區(qū)和近紫外光區(qū)3）、π→π*躍遷π電子躍遷到反鍵π*軌道所產(chǎn)生的躍遷，這類躍遷所需能量比σ→σ*躍遷

小，若無共軛，與n→σ*躍遷差不多。200nm左右，吸收強度大，強吸收。4）、n→π*躍遷n電子躍遷到反鍵π*軌道所產(chǎn)生的躍遷，這類躍遷所需能量較小，吸收峰在200~400nm左右，吸收強度小，弱吸收吸收最強的躍遷是：π→π*躍遷（2）紫外可見吸收光譜在膠體的研究中有重要作用，請舉出三個例子來說明，并結(jié)合散射現(xiàn)象來討論二氧化鈦膠體和粉末漫反射光譜的差異。舉例：1）、膠體的穩(wěn)定性，尤其是稀釋后的穩(wěn)定性；2）、膠粒對可見光的散射；3）、測定消光（包括吸收、散射、漫反射等對光強度造成的損失）稀釋條件下，膠粒尺寸小于光波長的1/20，瑞利散射可忽略。4）、估算晶粒的大小。5）、尺寸效應(yīng)，會發(fā)生吸收邊的藍移或是紅移，可以用來像是CdS和CdSe的量子點。差異：當測定二氧化鈦的溶膠時，按晶粒尺寸的不同，分為兩種情況：1）當d＜λ/20時，瑞利散射可以忽略。2）當d＞λ/20時，散射就會十分明顯，這樣獲得是一個消光光譜，而不是吸收光譜，無法測得λonset。用粉末漫反射光譜可以克服上述缺點，得到一個較好的吸收光譜。（3）什么是熒光、磷光、光致發(fā)光和化學(xué)發(fā)光？對應(yīng)的英文名稱分別是什么？熒光(Fluorescence)：從激發(fā)態(tài)的最低振動能級返回到基態(tài)，不通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換而是光輻射失活，則稱為熒光。由于一部分能量通過振動能級變化以熱能形式放出，所以發(fā)射光的波長比吸收光的波長長。磷光(Phosphorescence)：在不同多重態(tài)之間發(fā)生的無輻射躍遷過程稱為系間竄躍。由從激發(fā)態(tài)的多重態(tài)經(jīng)過振動弛豫到低振動能級，再返回到基態(tài)的光輻射躍遷稱為磷光。光致發(fā)光(Photoluminescence,PL)：是物質(zhì)吸收光能后發(fā)射冷光的現(xiàn)象，稱為光致發(fā)光。化學(xué)發(fā)光(Chemiluminescence)：利用化學(xué)能源如化學(xué)反應(yīng)得到激發(fā)態(tài)分子，它在躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為化學(xué)發(fā)光。拉曼光譜分析與材料分析拉曼光譜與紅外光譜的本質(zhì)區(qū)別是什么？本質(zhì)區(qū)別：紅外光譜的產(chǎn)生是由于吸收光的能量，引起分子中偶極矩改變的振動；拉曼光譜的產(chǎn)生是由于單色光照射后產(chǎn)生光的綜合散射效應(yīng)，引起分子中極化率改變的振動。紅外光譜是吸收光譜，拉曼光譜是散射光譜。

（2）為什么拉曼光譜技術(shù)通常只檢測stocks線？反stocks線可以提供什么信息？根據(jù)波爾茲曼定律，在室溫下，分子絕大多數(shù)處于振動能級基態(tài)，由于振動能級間距還是比較大的，因此，所以斯托克斯線的強度遠遠強于反斯托克斯線。隨溫度升高，反斯托克斯線的強度增加。拉曼光譜儀一般記錄的都只是斯托克斯線。（3）與紅外光譜相比，拉曼光譜的優(yōu)越性有哪些？（1）它適于分子骨架的測定，提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。（2）不受水的干擾。（3）拉曼一次可以同時覆蓋50－4000波數(shù)的區(qū)間，可對有機物及無機物進行分析。（4）拉曼光譜的諧波和合頻帶都不是非常強，一般都比紅外光譜簡單，重疊帶很少見到。（5）拉曼光譜使用激光作為光源使其相當易于探測微量樣品，如表面、薄膜、粉末、溶液、氣體和許多其他類型的樣品。（6）共振拉曼效應(yīng)可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發(fā)色基團的振動，這些發(fā)色基團的拉曼光強能被選擇性地增強103到104倍。核磁共振與材料分析1.核磁共振產(chǎn)生的基本條件是什么？為什么12C沒有核磁共振信號？核磁共振發(fā)生的基本條件：磁性核（I≠0）靜磁場與原子核能級裂分匹配的射頻12C核自旋量子數(shù)I=02.解釋化學(xué)位移的含義和表示方法。一般地，把分子中同類磁核，因化學(xué)環(huán)境不同而產(chǎn)生的共振頻率的變化量，稱為化學(xué)位移。觀測核與標樣共振頻率之差:δ=[(νs-νR)/νR]×106在1H-NMR譜中，化學(xué)位移較大的磁核之間的偶合的一般規(guī)則是什么？由于相鄰原子核之間的偶合而產(chǎn)生的譜帶裂分數(shù)遵循2nI+1規(guī)律。對于1H，13C等原子核，I=1/2，則變成n+1如果觀測的質(zhì)子相鄰幾組化學(xué)等價的原子核n1,n2,n3,…，且J相等,則該質(zhì)子裂分成（n1+n2+n3+…,）+1重峰。在裂分的多重峰中，各峰的相對強度之比等于二項式(a+b)n展開式各項系數(shù)之比。4.從溶液1HNMR譜能得到哪些信息？(1)吸收峰的組數(shù)判斷分子中氫的種類；②從化學(xué)位移判斷分子中基團的類型；③從峰的積分面積計算不同基團中氫的相對數(shù)目；④從偶合裂分個數(shù)和偶合常數(shù)判斷各基團的連接關(guān)系。5.解釋CP/MAS/DD方法中CP、MAS、DD的含義，為什么利用CP/MAS/DD方法能夠達到高分辨的目的？CP/MAS/DD方法的優(yōu)點和缺點是什么？天然豐度低，靈敏度比較低，交叉極化（Cross-polarisation，CP）能夠提高靈敏度CP的優(yōu)點和缺點?經(jīng)過交叉極化之后，13C信號最多可以增加4倍?弛豫延遲時間只需要是1HT1的3-5倍，?譜圖一般不具有定量價值紅外光譜分析與材料研究紅外光譜圖可以分成哪幾個區(qū)？各區(qū)吸收峰能分析哪些主要基團？紅外光譜分析有哪些主要制樣方法？紅外光譜圖可以分成兩個大區(qū)，4個小區(qū)。兩個大區(qū)：官能團特征頻率區(qū)4000~1500cm-1和指紋區(qū)1500~400cm-1。4個小區(qū)：氫鍵區(qū)4000~2500cm-1，主要分析C－H、O－H、N－H的伸縮振動(1分)叁鍵區(qū)：2500~2000cm-1,主要分析C≡C、C≡N的伸縮振動(1分)雙鍵區(qū)：2000~1500cm-1，主要分析C＝C、C＝O、苯的伸縮振動(1分)單鍵區(qū)：1500~400cm-1，主要分析C－C、C－O、C－N的伸縮振動；C－H、O－H、主要制樣方法：壓片法（適用于能磨成粉的樣品）涂膜法（適用于能溶解的樣品）溶液法（適用于能溶解的樣品）薄膜法（溶液成膜，熱壓成膜，超薄切片）全反射法（適用于橡膠、表面涂層、薄膜等樣品）紅外光譜的測定原理是什么？利用紅外光譜對物質(zhì)分子進行的分析和鑒定。將一束不同波長的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對分子進行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動和轉(zhuǎn)動運動而產(chǎn)生的，分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動圖形。當分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動（例如伸縮振動和變角振動）。分子振動的能量與紅外射線的光量子能量正好對應(yīng)，因此當分子的振動狀態(tài)改變時，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動而產(chǎn)生紅外吸收光譜。分子的振動和轉(zhuǎn)動的能量不是連續(xù)而是量子化的。但由于在分子的振動躍遷過程中也常常伴隨轉(zhuǎn)動躍遷，使振動光譜呈帶狀。所以分子的紅外光譜屬帶狀光譜。分子越大，紅外譜帶也越多。5.TEM與SEM研究材料的微觀結(jié)構(gòu)1.分別畫出簡單立方、面心立方和體心立方[112]取向的電子衍射圖。2.假定衍射斑點形成正方形，對下面的衍射圖進行標定。面心立方體心立方簡單立方6.材料的力學(xué)性能與服役性能1.敘述變形在材料加工和使用過程中給我們帶來哪些益處和問題？益處：材料的變形使其易于成型，對于加工有很大的益處。此外，金屬材料可以通過變形達到硬化、強化的目的。問題：變形使得制品的形狀發(fā)生變化，限制了其使用期限，也會使其力學(xué)性能受到一定程度的影響.2.材料的強化方法有哪些？舉出一種金屬、陶瓷和高分子三種材料通用的強化方法。材料常用的強化方法：固溶強化、熱處理強化、細晶強化、形變強化、相變強化（沉淀強化、馬氏體強化）、晶界強化、彌散強化、時效強化、纖維強化、輻照強化、綜合強化（如：固溶強化十形變強化、結(jié)晶強化+沉淀強化、馬氏體強化+表面形變強化、固溶強化+沉淀強化）金屬、陶瓷和高分子三種材料通用的強化方法：分散強化（彌散強化）、纖維強化。3.MSP小樣品試驗法可以測試哪些力學(xué)性能？請列舉出3種。MSP強度（屈服和斷裂）、彈性模量、疲勞強度及剩余壽命。（常溫）MSP高溫強度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和蠕變性能參數(shù)。（高溫）力電耦合場下的斷裂強度、疲勞強度。（電場）7.流體的流變性能1、簡述流變體的分類，寫出其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系？歐幾里德剛體：（也稱絕對剛體）粘度趨向于無窮大時，在外力作用下不發(fā)生任何形變。帕斯卡流體：粘度趨向于0，是超流體?；⒖梭w：高彈體：——（n為交聯(lián)密度；R為氣體常數(shù)；T為溫度；為拉伸比）粘彈體：（Maxwell模型），（開爾文模型）牛頓流體：非牛頓流體：n>1，切力增稠；n=1，牛頓流體；n<1，切力變稀2、簡述高聚物流體的流變特性？（1）高粘度和粘度形變速率的依賴性（2）存在法向應(yīng)力效應(yīng)（3）存在力學(xué)松弛現(xiàn)象（4）存在拉伸粘度及可紡性3、簡述影響高聚物流動特性的主要因素？（1）剪切速率的影響：隨著剪切速率的增大，粘度開始不變，當剪切速率達到某一臨界值時，粘度開始變小，出現(xiàn)切力變稀。隨著剪切速率的繼續(xù)增加，當達到另一臨界值時，粘度不再變化，趨向于（2）分子量的影響：分子量變大，粘度變大。（3）分子量分布的影響：分子量分布寬則在低剪切應(yīng)力下，開始出現(xiàn)切力變稀現(xiàn)象。（4）溫度的影響：（表觀粘度）時溫等效關(guān)系（WLF方程）DSC和DMA在材料分析中的應(yīng)用1.簡述差示掃描量熱法（DSC）的原理，列舉DSC在材料研究中的應(yīng)用，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度如何獲得？答：示差掃描量熱法（DSC）指在相同的程控溫度變化下，用補償器測量樣品與參比物之間的溫差保持為零所需熱量對溫度T的依賴關(guān)系，它在定量分析方面的性能明顯優(yōu)于DTA。DSC譜圖的的縱坐標為單位質(zhì)量的功率(mW/g)。與DTA相比，DSC對熱效應(yīng)的相應(yīng)更快、更靈敏、峰的分辨率更好，更有利于定量分析。示差熱分析利用了裝置在試樣和參比物下面的兩組補償加熱絲，當試樣在加熱過程中由于熱反應(yīng)而出現(xiàn)溫度差△T時，通過差熱放大和差動熱量補償使流入補償絲的電流發(fā)生變化。當試樣吸熱時，補償使試樣一邊的電流(Is)立即增大；反之，在試樣放熱時則是參比物一邊的電流增大，直至兩邊熱量平衡，溫度△T差消失為止。試樣在熱反應(yīng)時發(fā)生的熱量變化，由于及時輸入電功率而得到補償，補償?shù)墓β蕜t反應(yīng)了對應(yīng)轉(zhuǎn)變發(fā)生的程度，能定量表達。DSC在材料研究中的應(yīng)用聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變及共混相容性的研究聚合物和小分子化合物結(jié)晶和熔融行為氫鍵相互作用及凝膠轉(zhuǎn)變溫度聚合物的結(jié)晶溫度、結(jié)晶度結(jié)晶動力學(xué)分析玻璃化轉(zhuǎn)變受樣品聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，表現(xiàn)在轉(zhuǎn)變溫度的高低和轉(zhuǎn)變鋒的強弱（明顯或不明顯）。我們通常把玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，稱為玻璃化轉(zhuǎn)變，它所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度即是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，或是玻璃化溫度。目前用于玻璃化溫度測定的熱分析方法主要為差熱分析（DTA）和差示掃描量熱分析法（DSC）。DSC具體指，當溫度逐漸升高，通過高分子聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，DSC曲線上的基線向吸熱方向移動。假設(shè)A點是開始偏離基線的點。將轉(zhuǎn)變前后的基線延長，兩線之間的垂直距離為階差ΔJ，在ΔJ/2處可以找到C點，從C點作切線與前基線相交于B點，B點所對應(yīng)的溫度值即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。DSC測試對樣品的要求？影響測試結(jié)果的因素有哪些？答：1）樣品量樣品量少使峰尖銳，分辨率高；樣品多則造成峰大而寬，相鄰峰發(fā)生重疊，峰位向高溫漂移。在儀器靈敏度許可的情況下，樣品盡可能少，5～15mg。但考慮測定Tg轉(zhuǎn)變時熱容變化小，樣品可適當多一些。2）升溫速率升溫速率過快，使轉(zhuǎn)變溫度向高溫移動，造成數(shù)據(jù)偏向高溫；升溫速率過慢降低測試效率，這又造成高聚物鏈的熱轉(zhuǎn)變和松弛緩慢而使熱轉(zhuǎn)變不太明顯，特別是玻璃化轉(zhuǎn)變。通常是10℃/min的升溫速率。3）試樣尺寸樣品的粘度對表面反應(yīng)或受擴散控制的反應(yīng)影響較大，粘度小使峰移向低溫。因此最好剪碎樣品。4）樣品中的水分子及小分子樣品中殘留的水份及小分子有利于高聚物分子鏈的松弛，使測定的Tg偏低。5）氣氛可以是靜態(tài)或動態(tài)的，可以是參加反應(yīng)的。通常采用30ml/min的氮氣流，避免樣品的熱氧化。4.從DMA圖譜如何識別共混物的相容性？DMA損耗峰的強度和寬窄表示相態(tài)結(jié)構(gòu)的什么特點？共混物不相容：存在兩個Tg，各組分的Tg保持不變；部分相容：存在兩個Tg，組分中較低Tg想高溫移動，原來較高Tg向低溫移動；完全相容：只有一個Tg。DMA損耗峰窄：表示結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)的無過渡邊界明顯；DMA損耗峰寬：表示結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)有過渡區(qū)域，邊界不明顯。材料的電性能（導(dǎo)電，介電）四探針法測電導(dǎo)率的原理？四探針法測量原理圖參考答案1：當１、２、３、４四根金屬探針排成一直線時，并以一定壓力壓在半導(dǎo)體材料上，在１、４兩處探針間通過電流I，則２、３探針間產(chǎn)生電位差V。材料電阻率探針系數(shù)式中：S1、S2、S3分別為探針１與２，２與３，３與４之間距，用cm為單位時的值，S1=S2=S3=1mm.每個探頭都有自己的系數(shù)。C?6.28±0.05單位cm。若電流取I=C時，則ρ＝V，可由數(shù)字電壓表直接讀出。參考答案2：若四探針在同一平面的同一直線上，其間距分別為S1、S2、S3，且S1=S2=S3=S時，則這就是常見的直流等間距四探針法測電阻率的公式。2．測量液體電介質(zhì)介電常數(shù)的原理?電極在空氣中測量電極在介質(zhì)中測量:液體電介質(zhì)介電常數(shù)，3．電化學(xué)測試中，3電極體系是什么？它和2電極體系的區(qū)別？如何將3電極體系變成2電極？三電極體系含兩個回路，一個回路由工作電極和參比電極組成，用來測試工作電極的電化學(xué)反應(yīng)過程，另一個回路由工作電極和輔助電極組成，起傳輸電子形成回路的作用。三電極指的是工作電極、參比電極和對電極，工作電極又稱為研究電極，顧名思義就是我們所要考察的電極；參比電極是用來測量工作電極電勢的；對電極又稱為輔助電極，只是用來通過電流的.兩回路指的是極化回路和測量回路4.循環(huán)伏安法測試原理？1.若電極反應(yīng)為O＋e←→R，反應(yīng)前溶液中只含有反應(yīng)粒子O、且O、R在溶液均可溶，控制掃描起始電勢從比體系標準平衡電勢(φ平)正得多的起始電勢(φi)處開始勢作正向電掃描，電流響應(yīng)曲線則如附圖所示。

2.當電極電勢逐漸負移到(φ平)附近時，O開始在電極上還原，并有法拉第電流通過。由于電勢越來越負，電極表面反應(yīng)物O的濃度逐漸下降，因此向電極表面的流量和電流就增加。當O的表面濃度下降到近于零，電流也增加到最大值Ipc，然后電流逐漸下降。當電勢達到(φr)后，又改為反向掃描。

3.隨著電極電勢逐漸變正，電極附近可氧化的R粒子的濃度較大，在電勢接近并通過(φ平)時，表面上的電化學(xué)平衡應(yīng)當向著越來越有利于生成R的方向發(fā)展。于是R開始被氧化，并且電流增大到峰值氧化電流Ipa，隨后又由于R的顯著消耗而引起電流衰降。整個曲線稱為“循環(huán)伏安曲線”。5．如何利用電化學(xué)方法測有機物的HOMO/LUMO能級?標準氫電極電位相對于真空能級為-4.5V，計算HOMO能級的公式:EHOMO=-(4.5+eEox)，相對于SCE,EHOMO=-(4.74+eEox)。采用三電極體系：對電極用鉑絲,工作電極用面積固定的鉑片,參比電極用SCE,通過鹽橋和魯金毛細管與工作電極相連接.EHOMO=-(4.74+eEox)=-(4.74+1.0)eV=-5.74eV。再結(jié)合光譜或能譜法測得的帶隙Eg，間接計算出LUMO能級數(shù)值。1粉末樣品為什么要盡量細碎？纖維樣品要整齊平直？2X衍射儀的基本結(jié)構(gòu)及原理。一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子有規(guī)律排列成的晶胞所組成。由不同原子衍射的X射線相互干涉迭加，可在特殊的方向上產(chǎn)生強X射線衍射。衍射方向與晶胞的形狀與大小有關(guān)，衍射強度則與原子在晶胞中排列方式有關(guān)?；驹恚好糠N結(jié)晶物質(zhì)都有特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)均影響這X射線衍射線的位置、強度。位置：晶胞的形狀、大小，即面間距d。強度：晶胞內(nèi)原子的種類、數(shù)目、位置。盡管物質(zhì)的種類多種多樣，但卻沒有兩種物質(zhì)的衍射圖是完全相同的。因此，一定物質(zhì)的衍射線條的位置、數(shù)目、及其強度，就是該種物質(zhì)的特征，當試樣中存在兩種或以上的物質(zhì)時，它們的衍射花樣，即峰，會同時出現(xiàn)，但不會干涉，即是衍射線條的簡單疊加。根據(jù)此原理