材料现代研究方法-红外光谱 核磁共振

现代科学分析方法重点及及解答1.紫外光谱，荧光光谱在材料研究中的应用（1）分子内的电子跃迁有哪几种，吸收最强的跃迁是什么跃迁？形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成对的孤对电子n电子。

成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π* ；非键轨道n 。

1）、ς-ς* 跃迁它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。

在200 nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，为强吸收带。

2）、n-ς*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区3）、π→π*跃迁π电子跃迁到反键π* 轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小，若无共轭，与n→σ*跃迁差不多。

200nm左右，吸收强度大，强吸收。

4）、n→π*跃迁n电子跃迁到反键π* 轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200 ~ 400 nm左右，吸收强度小，弱吸收吸收最强的跃迁是：π→π*跃迁（2）紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，并结合散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。

举例：1）、胶体的稳定性，尤其是稀释后的稳定性；2）、胶粒对可见光的散射；3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失）稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。

4）、估算晶粒的大小。

5）、尺寸效应，会发生吸收边的蓝移或是红移，可以用来像是CdS和CdSe的量子点。

差异：当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况：1）当d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略。

2）当d＞λ/20时，散射就会十分明显，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。

用粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。

（3）什么是荧光、磷光、光致发光和化学发光？对应的英文名称分别是什么？荧光(Fluorescence)：从激发态的最低振动能级返回到基态，不通过内部转换而是光辐射失活，则称为荧光。

原料（Raw Materials）与材料
由原料到材料 ※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化 学变化。 ※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转 变过程不发生化学变化。
材料与物质(Materials and Matter)
※ 材料可由一种或多种物质组成。 ※ 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 、类型不同的材料。
现代仪器分析及材料研究方法
第一章 绪论
任祥忠 深圳大学化学与化工学院
1
（一）材料的定义 (Definition)
材料 Materials Material：材料科学 （工科）
物质科学 （理科） •Webster编著的“New International Dictionary（1971年） ”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些 有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的 基本物质（如金属、木料、塑料、纤维、陶瓷等） •材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状 的物质。
材料科学的发展趋势
1、从简单物质到复杂物质；随着对材料功能化要求的不断提高，构成材料
的基本物质也越来越倾向于从简单物质到复杂物质。
2、从简单结构到结构控制；对于同种材料，结构上的改变可以带来许多崭新
的功能，而对简单的结构加以调控，才可能使功能得到优化。
3、从粉体材料到器件材料；相对于粉体材料而言，当材料制备成器件后会具
冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢
铸铁 —
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨<4.5g/cm2） 铝、镁、纳、钙
• 重金属 （>4.58/cm2） 铜、镍、铅、锌
• 贵金属
金、银、铂、铑

Bionanotextile
红外光谱的功能 (2)
定量分析：红外光谱适用于一些异构体和 特殊体系的定量分析，它们的红外光谱尤 其是指纹区的光谱各有特征，因此可利用 各自特征吸收峰的强度定量。 鉴定无机化合物：不要认为红外光谱只能 鉴定有机物，它也是鉴定无机物很好的手 段之一，例如络合物的研究，地矿科学的 研究也普遍采用红外光谱。
Bionanotextile
分子振动
双原子分子中原子是通过化学键联结起来的， 可以把两个原子看成是两个小球，把化学键 看作质量可以忽略不计的弹簧。它们在平衡 位置附近作简谐振动。
双原子分子振动示意图 A—平衡状态；B—伸展状态
Bionanotextile
基团特征频率
根据虎克定律双原子分子的频率公式为：
红外光谱
概述
红外光谱具有测定方法简便、迅速、所需 试样量少，得到的信息量大的优点，而且 仪器价格比核磁共振谱和质谱便宜，因此 红外光谱在结构分析中得到广泛的应用。 红外光谱主要用于有机和无机物的定性和 定量分析，其应用领域十分广泛：如石油 化工、高聚物(塑料、橡胶、合成纤维)、 纺织、农药、医药、环境监H H
对称伸缩 3650 cm-1
非对称伸缩 3760 cm-1
剪式弯曲 1595 cm-1
Bionanotextile
官能团的特征吸收频率 (1)
4000~1500cm-1范围称为官能团特征区，为基团和 化学键的特征频率(基频)，特征区的信息对结构 鉴定是很重要的。 1500~400cm-1 范围称为指纹区，主要是单键伸缩 振动和X-H的变形振动频率。 各种单键的特征峰和X-H变形振动的特征峰互相 重叠干扰，因此1500~400cm-1 范围内出现的吸收 谱带是不特征的。但它对分子结构的变化十分敏 感，就像人的指纹一样，两个化合物的指纹区光 谱不会完全相同。两个结构相近的化合物特征区 的光谱可能大同小异。但只要结构上有细微的差 异，就会引起指纹区光谱的显著改变。所以指纹 区的信息对结构鉴定也同样重要。

1000 1
100
10
0.1 0.01
整理课件
1 0.001
0.1 ｎｍ 0.0001 μｍ
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OM
Ni-Cr合金的铸造组织
整理课件
14
SEM
整理课件
15
人类血细胞SEM照片
酵母
人类精子
整理课件
16
图为IBM公司的Eigler博士用扫描探针显微镜(SPM)搬动 35个氙原子绘制的“IBM”字样。如果这种原子搬动技术 被巧妙使用的话，就完全可以绘制成美妙的原子艺术画。
结构层次 物体尺寸
研究对象
研究方法
宏观结构 > 100 m 大晶粒、颗粒集 团
显微结构 0.2-100m 多晶集团
肉眼、放大 镜
显微镜
亚显微结 构
微观结构
10-200 nm
< 10 nm
微晶集团 晶格点阵
整理课件
扫描电镜
扫描隧道电 镜
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2.材料分析的内容
表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米 线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺 寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、 位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺 陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。
通过电磁性质变化研究分子运动——介电松弛与核磁共 振；
通过体积变化研究分子运动——热膨胀计
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课程说明
教材与参考书 《材料研究方法》——王培铭，许乾慰主编，科学出版社 《材料现代分析方法》——左演声，陈文哲，梁伟主编，北京工业大学
出版社 《聚合物材料表征与测试》 》——杨万泰主编，中国轻工业出版社
基于其它物理性质或电化学性质与材料的特征 关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析 及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。 相对而言，上述四大类方法在材料研究中应用 得更加频繁。