同濟大學材料學院材料學專業
——2023年真題及解析
1. 試推導布拉格方程，分析物質產生x衍射的充要條件（必考題）。
2. 紅外光譜與拉曼光譜的比較。
3. 電子束轟擊到固體樣品表面會產生那些主要物理訊號？研究材料的表面形貌一般收集那種物理訊號？以及這些訊號有那些應用。
4. 說明電子探針中波譜的原理和應用，簡述波譜和能譜應用方面的異同。
5. 簡述紅外光譜用於分子結構分析的基礎，說明其應用。
6. 核磁共振中不同質子產生不同化學位移的根本原因是什麼？核磁共振光譜在材料分析中的應用。
7. 影響紅外光譜譜帶頻率和強度的因素是什麼？舉例說明其在材料分析中的應用？
8. 請闡述多晶、非晶、奈米晶體材料在透射電子顯微鏡選區稍微影象中的區別。
9. 採用合適的現代技術表徵法分析矽酸鹽水泥水化程序，
10. 請簡要敘述布拉格方程在材料微觀結構分析和表徵領域中的應用。
11. 簡述x衍射物相分析的過程。
12. 試討論影響差熱分析結果的因素，為什麼說差熱分析只能進行定性或半定量分析，而示差掃瞄量熱分析則可進行定性分析。
13. 如何利用差熱分析，熱重分析，熱膨脹分析來區分無機材料中脫水、分解、氧化、多晶轉變、燒結等現象。
14. 舉例說明sem和tem在材料分析中的應用。
說明：以上是08年材料研究方法的考研試題，總共有18道。由於時間間隔太長，只記得14題。
08年試題給我們的感覺是各種研究方法的應用考的很多，幾乎每個都考了。還有一點值得注意的是，在08的試題中，第二章光學顯微分析考了一題。
以下是試題的參***：
1.試推導布拉格方程，分析物質產生x衍射的充要條件。
x-ray作為一電磁波被投射到晶體中時，會受到晶體中原子的散射，而散射波就好像從原子中心出發，每個原子中心發出的散射波就好比乙個源球面波。由於原子在晶體中是按週期排列的，這些散射球波之間存在固定的相位關係，他們之間會在空間產生干涉，結果在某些散射方向上相互加強，某些方向上相互抵消，即衍射。
如圖書圖3-15所示，1、2、3代表（hkl）的一唯平行網，面網之間間距為d，入射x-rays0波長為λ，沿與面網成θ角入射，與s1方向散射線滿足光學境面反射條件。
此時，各原子的散射波將有相同的位相，干涉結果加強。相臨兩原子a、b的散射波光程差為零。相鄰面網的反射線光程差為入射波長λ的整數倍，即：
db+bf=nλ（2d sinθ=nλ），n為衍射級數。
物質產生x衍射的充要條件是滿足布拉格方程但衍射線強度不為零。
2.紅外光譜與拉曼光譜的比較
紅外光譜與拉曼光譜既有相同之處，又有不同之處。
相同之處在於：1，兩者都屬於分子振動光譜。拉曼效應產生於入射光子與分子振動能級的能量交換，在許多情況下，拉曼頻率位移的程度正好相當於紅外吸收頻率。
因此，紅外測量能夠得到的資訊同樣出現在拉曼光譜中。紅外光譜分析中的定性三要素：吸收頻率、強度、帶移。
在拉曼光譜解析中也同樣適用。2，兩者皆要服從一定的選擇定則，即分子振動時，只有伴隨分子偶極矩發生變化的振動才能產生紅外吸收。同樣，在拉曼光譜中，只有伴隨分子極化度發生變化的分子振動模式，才能具有拉曼活性，產生拉曼散射。
不同之處在於：1，兩者光源不同。紅外光譜輻射源是波長大於750nm的多色光，而拉曼光譜則是單色光很強的雷射輻射，頻率在可見光範圍。
2，兩種光譜分析機理不同，提供資訊上也是有差別的。一般來說，分子的對稱性越高，紅外與拉曼的差別就越大，非極性官能團的拉曼散射光譜較為強烈，極性官能團的紅外譜帶較為強烈。對於鏈狀聚合物而言，鏈上的取代基用紅外光譜較易檢測出來，而碳鏈的振動用拉曼光譜表徵更為方便。
此外，拉曼光譜是散射現象，紅外光譜屬於吸收現象。紅外是由於分子振動時引起偶極矩的變化而產生的，而拉曼光譜則是由於分子極化度的變化而產生的。因此紅外對分子的極性基團敏感，而拉曼對分子的非極性基團敏感。
3.電子束轟擊到固體樣品表面會產生那些主要物理訊號？研究材料的表面形貌一般收集那種物理訊號？以及這些訊號有那些應用。
電子束轟擊到固體樣品表面會產生主要物理訊號有背散射電子、二次電子、吸收電子、透射電子、特徵x射線、俄歇電子。
4.電子探針的原理和應用，簡述波譜和能譜應用方面的異同。
由莫塞萊(moseley)定律，我們知道x 射線特徵譜線的波長和產生此射線的樣品材料的原子序數z有一確定的關係。只要測出特徵x 射線的波長，就可確定相應元素的原子序數。又因為某種元素的特徵x射線強度與該元素在樣品中的濃度成比例，所以只要測出這種特徵x射線的強度，就可計算出該元素的相對含量。
這就是利用電子探針儀作定性、定量分析的理論根據。
能譜儀和波譜儀應用方面的異同：
1)能譜儀所用的si(li)探測器尺寸小，可以裝在靠近樣品的區域。這樣，x射線出射角φ大，接收x 射線的立體角大，x 射線利用率高，在低束流情況下工作，仍能達到適當的計數率；電子束流小，束斑尺寸小、取樣的體積也較小，最少可達0.1μm3，而波譜儀大於1μm3。
2)分析速度快，可在2～3min 內完成元素定性全分析。
3)能譜儀工作時，不需要象波譜儀那樣聚焦，因而不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏2～3mm，適用於粗糙表面成分分析。
4)工作束流小，對樣品的汙染作用小。
5)能進行低倍x 射線掃瞄成象，得到大視域的元素分布圖。
6)分辨本領比較低(圖4.81)，只有150ev(波譜儀可達10ev)。
7)峰背比小，一般為100，而波譜儀為1000。
8)si(li)探測器必須在液氮溫度(77k)下使用，維護費用高，用超純鍺探測器雖無此缺點，但其分辨本領低。
6.核磁共振中不同質子產生不同化學位移的根本原因是什麼？核磁共振光譜在材料分析中的應用。
在分子中，磁性核外有電子包圍，電子在外部磁場垂直的平面上環流，會產生與外部磁場方向相反的感應磁場。因此使氫核實際「感受」到的磁場強度要比外加磁場的強度稍弱。為了發生核磁共振，必須提高外加磁場強度，去抵消電子遠動產生的對抗磁場的作用，結果吸收峰就出現在在磁場強度較高的位置。
把核周圍的電子對抗外加磁場強度所起的作用，叫做遮蔽作用。同類核在分子內或分子間所處化學環境不同，核外電子雲的分布也不同，因而遮蔽作用也不同。質子周圍的電子雲密度越高，遮蔽效應越大，即在較高的磁場強度處發生核磁共振，反之，遮蔽效應越小，即在較低的磁場強度處發生核磁共振。
由於化合物分子中各種質子受到的不同程度的遮蔽效應，因而在nmr譜的不同位置上出現吸收峰。
影響質子化學位移的影響因素：
1.取代基的誘導效應和共軛效應：取代基的電負性直接影響與它相連的碳原子上質子的化學位移，並通過誘導方式傳遞非相鄰的碳上的質子。
這主要是電負性較高的基團或原子，使質子周圍的電子雲密度減低（去遮蔽），導致該質子的共振訊號向低場移動。取代基的電負性越大，質子化學位移值就越大。
2.各向異性效應：在分子中，質子與某一官能團的空間關係，有時會影響質子的化學位移。
這種效應稱各向異性效應。各向異性效應是通過空間而起作用的，它與通過化學鍵而起作用的效應(例如上述電負性對c-h鍵及o-h鍵的作用)是不一樣的。
3.氫鍵和溶劑效應：除了以上討論的影響質子位移的主要因素之外，由於nmr試驗樣品配成溶液或採用純液體，因此溶質和溶劑分子之間的相互作用（溶劑效應）和氫鍵的形成，對化學位移的影響有時也很明顯。
採用不同的溶劑，化學位移也會發生變化，強極性溶劑的作用更加明顯。此外，溫度、ph值、同位素效應等因素也會影響化學位移的改變。
nmr譜在材料研究中的應用：
核磁共振與紅外光譜一樣，單獨一種方法不足以鑑定一種化合物，但如果與其他測試手段，如元素分析、紫外、紅外等相互配合，nmr譜則是鑑定化合物的一種重要工具。一張nmr
譜從三個方面給人們提供了化合物結構的資訊，即化學位移、峰的裂分和偶合常數、各峰的相對面積。
1. 材料的定性鑑別
未知化合物的定性鑑別,可利用標準譜圖。例如，高分子nmr標準譜圖主要由sadler標準譜圖集。使用時，必須注意測定條件，主要有溶劑、共振頻率等。
2. 化合物數均分子量的測定
基於端基分析的化合物數均分子量的nmr測定，往往無需標準校正，而且快速，尤其適用於線形分子的數均分子量的測定。
3. 共聚物組成的測定
對共聚物的nmr譜作了定性分析後，根據峰面積與共振核數目成比例的原則，就可以定量計算共聚組成。
4.幾何異構體的測定
雙烯類高分子的幾何異構體大多有不同的化學位移，可用於定性和定量分析。
5.共聚物序列結構的研究
nmr不僅能直接測定共聚組成，還能測定共聚序列分布，這是nmr的乙個重要應用。
7.影響紅外光譜譜帶頻率和強度的因素是什麼？舉例說明其在材料分析中的應用？
影響紅外光譜譜帶頻率和強度的因素大致可分為兩類：
外部因素：試樣狀態，測定條件的不同，及溶劑極性的影響等外部因素都會引起頻率位移。一般氣態時，c=o伸縮振動頻率最高，非極性溶劑的稀溶液次之；而液態或固態的振動頻率最低。
內部因素：⑴電效應：包括誘導效應、共軛效應和偶極場效應。
他們是由於化學鍵的電子分布不均勻而引起的。⑵氫鍵：羥基和基之間易形成氫鍵，使碳基的頻率降低。
⑶其他還有振動的偶合，費公尺共振和立體障礙等內部影響因素。
紅外光譜在材料分析中的應用有：
紅外光譜在有機高分子材料中的應用：
分析與鑑定材料；定量測定高聚物的鏈結構；高聚物取向研究。
在無機非金屬材料研究中的應用：
與有機物相比，無機化合物的紅外鑑定較少。但是其紅外光譜圖比有機物簡單，譜帶較少，並且大部分是在低頻區。由於在無機化合物中紅外區的吸收主要是由於其陰離子團的晶格振動引起的，與陽離子的關係較小。
因此，在鑑別無機化合物的紅外光譜圖時，主要是著重於陰離子團的振動頻率。
紅外光譜在材料表面結構分析中的應用。
11.x衍射物相分析的過程。
⑴首先用粉末照相法或粉末衍射儀法獲取被測試樣物相的衍射圖樣；
⑵通過對所獲衍射圖樣的分析和計算，獲得各衍射線條的2θ，d及相對強度大小i/i1，在這機資料中，要求對2θ和d進行高精度的測量計算，而i/i1相對精度要求不高。目前，一般的衍射儀均由計算機直接給出所測物相衍射線條的d值。
⑶使用檢索手冊，查尋物相pdf卡片號。根據需要使用字母檢索、hanawalt檢索或fink檢索手冊，查尋物相pdf卡片號。一般常採用hanawalt檢索，用最強線d值判定卡片所在位置，最後用8條強線d值檢驗判斷結果。
若8強線d值均已基本符合，則可根據手冊提供的物相卡片號在卡片庫中取出此pdf卡片。
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