材料研究方法答案解析.doc

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1、一、填空题 1、X射线管由（阴极(Cathode)）、（阳极(Anode)）和（窗口(Window) ）构成。 2、当X射线管的管电压超过临界电压时就可以产生（连续X射线(Continuous X-ray) ）和（标识X射线(Characteristic X-ray) ） 3、扫描电子显微镜常用的信号是（ 背散射电子BE ）和（ 二次电子 SE ）。 4、电子探针包括（ 波谱仪WDS ）和（ 能谱仪EDS ）成分分析仪器。 5、影响差热曲线的因素有（升温速度 、 粒度和颗粒形状）、装填密度、压力和气氛等。 6、原子力显微镜、透射电镜、X射线光电子能谱、差热分析的英文字母缩写分别是（AFM）、（

2、TEM）、（XPS）、（ DTA ）。 7、电磁透镜的像差包括球差、色差、像散和畸变，其中，（球差）是限制电子透镜分辨本领最主要因素。 8、在X 射线衍射物相分析中，粉末衍射卡组是由 粉末衍射标准联合委员会编制，称为 JCPDS 卡片，又称为 PDF 卡片。9、X射线透过物质时产生的物理效应有： 散射 、 光电效应 、 透射X射线 、和 热 。10、X射线物相分析方法分： 定性 分析和 定量 分析两种；测钢中残余奥氏体的直接比较法就属于其中的 定量 分析方法。11、透射电子显微镜的分辨率主要受 衍射效应 和 像差 两因素影响。12、 X 射线衍射方法有 劳厄法 、 转晶法 、 粉晶法 和 衍射

3、仪法 。二、简述题 1、简述布拉格方程及其意义。 2dsin =n 布拉格方程描述了“选择反射(selective reflection)”的规律，产生“选择反射”的方向是 各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足布拉格方程。 2、在研究纯铁时，为什么要选用钴靶或铁靶，而不能用镍靶和铜靶？已知铁的k 0.17429nm，钴钯的K波长0.17902nm，铜靶的K波长0.154nm，镍靶的K波长0.1659nm因为铁的k 0.17429nm，而钴和镍的K波长分别为0.17902nm、 0.1659nm，这样由钴靶产生的X射线不能激发铁的K系荧光，同样铁靶产生的X射线不能激发铁的K系荧光。由于钴靶的

4、K波长非常靠近试样铁的k ，所以试样铁对钴靶K辐射的吸收也最小。镍靶产生的X射线却能激发试样铁的K系辐射，造成非常严重的非相干散射背景 3、电子衍射与X射线衍射有何异同原理相似，都满足布拉格公式作为衍射基本条件不同点为：1、电子波长比X射线短得多，角很小为0.01rad，X射线的衍射角较大，接近/2；2、电子衍射采用的薄晶样品，X射线常用粉晶法；3、电子衍射产生衍射斑点，分布在二维倒易截面内，直观反映晶体内部结构关系，得到较多信息；4、电子波能量较高，样品暴光、成像时间短4、简述差热分析的原理。为何差热分析只能做定性和半定量分析而差示扫描量热法能做定量分析？ 将两个反极性的热电偶串联起来，就构

5、成了可用于测定两个热源之间的温度差的温差热电偶，将温差热电偶的一个热端插在试样中，另一个热端插在待测温度区间内部发生热效应的参比物中，试样和参比物同时升温，测定升温过程中两者温度差，就构成了差热分析的基本原理。 DTA中试样发生差热效应时，试样本身的升温速度是非线性的，发生热效应是，试样与参比物周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低热效应测量的灵敏度与精度，因此，DSC通过对试样因发生热效应而发生的进行及时应有的补修，保持试样与参比物之间的温度始终保持相同，无温差与热传递，使热损失小，信号检测大。所以，灵敏度和精度方面大有提高，因此，DTA只能做定性和半定量分析而DSC能做定量分析

6、。 5、简述什么是拉曼散射和拉曼位移？请画出相应的示意图，并简要解释产生这种现象的原因。 拉曼光谱为散射光谱。当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为拉曼效应。由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱。瑞利线与拉曼线的波数差称为拉曼位移。P3056、用扫描电镜拍出得照片具有立体感强的特点，这是因为它具有大的景深，请回答什么是景深？景深取决于哪几个因素？ 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像

7、的一个能力范围。 扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10 倍。景深大，立体感强，形态逼真是SEM的突出特点。取决于分辨本领和电子束入射半角P1767、X射线与物质相互作用会产生哪些信号？8、电子束和固体样品作用时会产生哪些信号？它们各具有什么特点？ 主要有六种： 1)背散射电子:能量高；来自样品表面几百nm深度范围；其产额随原子序数增大而增多.用作形貌分析、成分分析以及结构分析。 2)二次电子:能量较低；来自表层510nm深度范围；对样品表面化状态十分敏感。 不能进行成分分析.主要用于分析样品表面形貌。

8、3)吸收电子:其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反;与背散射电子的衬度互补。 吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析. 4)透射电子：透射电子信号由微区的厚度、成分和晶体结构决定.可进行微区成分分析。 5)特征X射线: 用特征值进行成分分析，来自样品较深的区域 6)俄歇电子:各元素的俄歇电子能量值很低；来自样品表面12nm范围。它适合做表面分析。9、在电子显微分析中，电子的波长是由什么决定的？电子的波长与该因素的关系怎样？关系式？ 在电子显微分析中，电子的波长是由电子加速电压决定的，电子的波长与其平方根成反比，德布罗意的波粒二象性关系式： E=h,P=h/可得 =h/

9、P=h/mv 带入数值可得 电子波长为=12.25/V （） 10、差热曲线中，如何确定吸热（放热）峰的起点和终点？起点和终点各代表什么意义？用外推法确定吸热（放热）峰的起点和终点，其中外延始点用峰的起始边陡峭部分的切线和外延基线所得的交点，同理可以确定外延终点（基线：指DTA曲线上T近似等于0的区间；峰：指DTA曲线离开基线又回到基线的部分，包括放热峰和吸热峰）起点和终点代表起始和终止的温度。 11、何为波谱仪和能谱仪？说明其工作的三种基本方式，并比较波谱仪和能谱仪的优缺点。 波谱仪：用来检测X射线的特征波长的仪器能谱仪：用来检测X射线的特征能量的仪器优点:1）能谱仪探测X射线的效率高。 2

10、）在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 3）结构简单，稳定性和重现性都很好 4）不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。 缺点：1）分辨率低. 2）能谱仪只能分析原子序数大于11的元素；而波谱仪可测定原子序数从4到92间的所有元素。 3）能谱仪的Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。12、试述X射线衍射物相分析步骤？及其鉴定时应注意问题？步骤：（1）通过实验获取试样的衍射图谱 （2）通过对所获得衍射图谱的分析和计算，获得各衍射物相的2、d及I值 （3）使用I值最大的三个值对

11、应的d，值去查PDF卡片号 （4）若与PDF卡中物相参数基本吻合，可基本确定这组衍射峰所对应的物质注意问题：（1）低角度处的峰比高角度处的重要 （2）只能初步确定物相 （3）低值数据比强值数据重要13、扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同？ 两者完全不同。投射电镜用电磁透镜放大成像，而扫描电镜则是以类似电视机摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出的各种物理信号来调制而成。14、请写出光学显微镜（OM）、XRD、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、热重法（TGA）、差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC）、原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）的英文全称。 光学

12、显微镜Optical Microscope，简写OMXRD :X-ray diffractionSEM :scanning electron microscope透射电子显微镜 Transmission Electron Microscope,简称TEM热重分析Thermogravimetric Analysis，TG或TGA差热分析（DTA） differential thermal analysis差示扫描量热法differential scanning calorimeter, DSC原子力显微镜Atomic Force Microscope ，AFM扫描隧道显微镜 Scanning T

13、unneling Microscope .STM15、透射电子显微镜主要由几大系统构成？各系统之间是何关系？透射电子显微镜有哪些功能？在材料科学中有什么应用？ 照明系统、成像系统、图像观察和记录系统。电子光学系统是核心，电源系统、真空系统和操作控制系统都是辅助系统。功能：观察材料内部的形貌、了解晶体的结构。应用：1.在水泥方面，人们用它先后研究了氧化钙等单矿物以及普通水泥和特种水泥的水化产物及结晶习性，结合X射线分析方法确定了普通水泥和其他硬性胶凝物质的水化反应。 2.在陶瓷方面，粘土矿物的形态和结晶习性的研究起着重要的作用。 3.在金属方面，投射电镜在金相分析和金属端口分析方面得到了广泛的应

14、用。4.在高分子方面的应用，用电镜可以观察到粒子的形状、大小、以及分布。16、红外光谱主要用于哪几方面、哪些领域的研究和分析？红外光谱法有什么特点？用于化学组成、分子结构分析、物相分析。特点是：1、特征性高；2、不受样品物理状态的限制。3、测定样品所需的样品量少。4、操作方便，测定速度快，重复性好。5、已有标准谱图多，便于查询。17、实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成 分的样品，试选择合适的X射线管和合适的滤波片？实验中选择X射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大26（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。 选择滤波片的原则是X

15、射线分析中，在X射线管与样品之间一个滤波片，以滤掉K线。滤波片的材料依靶的材料而定，一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。18、试述布拉格公式2dHKLsin=中各参数的含义，以及该公式有哪些应用？1）.若已知晶体的d值。通过测量，求特征X射线的，并通过判断产生特征X射线的元素。2）.若已知入射X射线的波长， 通过测量，求晶面间距。并通过晶面间距，测定晶体结构或进行物相分析。dhkl：晶面面间距。：X射线入射波长。：入射X射线或衍射射线与面间夹角。19、请导出电子衍射的基本公式，解释其物理意义，并阐述倒易点阵与电子衍射图之间有何对应关系?R/L=/d 详见公式：书本P145在0O附近的低指数

16、倒易阵点附近范围，反射球面十分接近一个平面，且衍射角度非常小 10，这样反射球与倒易阵点相截是一个二维倒易平面。这些低指数倒易阵点落在反射球面上，产生相应的衍射束。 因此，电子衍射图是二维倒易截面在平面上的投影。20、若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流是多少？公式：P=UI21、X射线的本质是什么？是谁首先发现了X射线？X射线的本质是一种横电磁波？伦琴首先发现了X射线，劳厄揭示了X射线的本质22、比较物相定量分析的外标法、内标法、K值法、直接比较法和全谱拟合法的优缺点？1外标法就是待测物相的纯物质作为标样以不同的质量比例另外进行标定，并作曲线图。外标法适合于

17、特定两相混合物的定量分析，尤其是同质多相（同素异构体）混合物的定量分析。2内标法是在待测试样中掺入一定量试样中没有的纯物质作为标准进行定量分析，其目的是为了消除基体效应。内标法最大的特点是通过加入内标来消除基体效应的影响，它的原理简单，容易理解。但它也是要作标准曲线，在实践起来有一定的困难。3K值法是内标法延伸。K值法同样要在样品中加入标准物质作为内标，人们经常也称之为清洗剂。K值法不作标准曲线，而是选用刚玉Al2O3作为标准物质，并在JCPDS卡片中，进行参比强度比较，K值法是一种较常用的定量分析方法。4直接比较法通过将待测相与试样中存在的另一个相的衍射峰进行对比，求得其含量的。直接法好处在

18、于它不要纯物质作标准曲线，也不要标准物质，它适合于金属样品的定量测量。 以上四种方法都可能存在因择优取向造成强度问题。5 Rietveld全谱拟合定量分析方法。通过计算机对试样图谱每个衍射峰的形状和宽度，进行函数模拟。可避免择优取向，获得高分辨高准确的数字粉末衍射图谱.不足之处是：必须配有相应软件的衍射仪。四、计算题 1、什么厚度的镍滤波片可将CuK辐射的强度降低至入射时的70？ 如果入射X射线束中K和K强度之比是5：1，滤波后的强度比是多少？已知m=49.03cm2/g, m=290cm2/g, Ni=8.9g/cm3。 解：有公式I=I0e-umm =I0e-ut查表得：=8.90g/cm

19、3 um=49.03cm2/g 因为 I=I0*70% -umt=0.7 解得 t=0.008mm 所以滤波片的厚度为0.008mm 又因为： I=50e-mt =0e-mt 带入数据解得I /=28.8滤波之后的强度之比为29：13、试计算用50千伏操作时，X射线管所发射的X射线短波限为多少？公式：0 = hc /( ev )4、计算当管电压为50kV时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和所发射连续谱的短波限和辐射光子的最大动能。已知：电子静止质量，me=9.110-31kg；光速：c=2.998108m/s；电子电荷：e=1.60210-19C；普朗克常数：h=6.6

20、2610-34Js。 解：已知条件：U=50kv；电子静止质量：m0=9.110-31kg； 光速：c=2.998108m/s；电子电量：e=1.60210-19C；普朗克常数：h=6.62610-34J.s 电子从阴极飞出到达靶的过程中所获得的总动能为 E=eU=1.60210-19C50kv=8.0110-18kJ 由于E=1/2m0v02 所以电子与靶碰撞时的速度为： v0=(2E/m0)1/2=4.2106m/s 所发射连续谱的短波限0的大小仅取决于加速电压 0（）12400/v(伏) 0.248 辐射出来的光子的最大动能为： E0h0hc/01.9910-15J 5、欲使钼靶X射线管

21、发射的X射线能激发放置在光束中的铜样品发射K系荧光辐射，问需的最低的管电压值是多少？所发射的荧光辐射波长是多少？已知电子电荷：e=1.60210-19C；普朗克常数：h=6.62610-34Js；光速：c=2.998108m/s，钼靶X射线管发射的X射线的波长l=0.71nm。 解：eVk=hc/ Vk=6.62610-342.998108/(1.60210-190.7110-10) =17.46(kv) 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm) 其中 h为普郎克常数，其值等于6.62610-34 e为电子电荷，等于1.60210-19c故需加的最低管电压应1

22、7.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。6、公式：2dsin =n+根据公式d（110）=0.2027nm,d(200)=0.1433nm由2dsin =n得：sin（110） =0，5651，sin（200） =0.79934所以（110） =34.4o, （200） =57.07o7、CuK射线（=0.154nm）照射Cu样品。已知Cu的点阵常数a=0.361nm，试用布拉格方程求解其（200）反射的角。 公式：2dsin =n8、NaCl的立方晶胞参数a=0.562nm，求d（200），d（220）。以CuK（=0.154nm）射线照射NaCl表面，当2=31.7o和2=

23、45.5o时记录到反射线，这两个角度之间未记录到反射线，解释这种现象发生的原因答：（1）NaCl为立方晶胞，根据晶面间距公式可知：d(200)=5.62/2=2.81；d(220)=5.62/2.828=1.99。（2）根据布拉格方程：2dsin=，可知：当2=31.7时，d=2.81，与（200）面的d值接近，对应的是（200）面；当2=45.5时，d=1.65，与（220）面的d值接近，对应的是（220）面。（3）这两个角度之间未记录到反射线，可知（200）到（220）面之间没有衍射线，所以是选择反射的结果。选择题1. X 射线是（ A）A. 电磁波； B. 声波； C. 超声波； D.

24、波长为0.011000。2. 方程2dSin=叫（ AD）A. 布拉格方程； B. 劳厄方程； C. 其中称为衍射角； D. 称为布拉格角。3. 下面关于电镜分析叙述中正确的是（D ）A. 电镜只能观察形貌；B. 电镜可观察形貌、成分分析、结构分析和物相鉴定；C电镜分析在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，与分辨率无关；D电镜在材料研究中广泛应用，是因为放大倍数高，分辨率高。4在扫描电镜分析中（ ）A 成分像能反映成分分布信息，形貌像和二次电子像反映形貌信息B 所有扫描电镜像，只能反映形貌信息；C 形貌像中凸尖和台阶边缘处最亮，平坦和凹谷处最暗；D 扫描电镜分辨率比透射电镜高。5差热分析中，掺比物的要求是（AB ）A 在整个测温范围内无热效应；B 比热和导热性能与试样接近；C 常用1520煅烧的高纯-Al2O3 粉D 无任何要求。