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1　绪论 1

1.1　材料结构基础 1

1.1.1 原子能态及其特征 1

1.1.2　分子运动与能态 4

1.1.3 原子的磁矩和原子核自旋 6

1.1.4 固体的能带结构 9

1.1.5 晶体结构 10

1.1.6 倒易点阵 14

1.1.7 晶带 17

1.2　电磁辐射与材料的相互作用 18

1.2.1 电磁辐射与波粒二象性 18

1.2.2 物质波 19

1.2.3　辐射的吸收与发射 19

1.2.4　辐射的散射 21

1.2.5 光电离 23

1.3　粒子束与材料的相互作用 23

1.3.1 散射 23

1.3.2 电子与固体的相互作用 25

1.4　材料现代分析技术分类及特点 28

1.4.1 X射线衍射分析 28

1.4.2　电子衍射分析 29

1.4.3 光谱分析过程与仪器简述 30

1.4.4 电子能谱分析方法概述 33

1.4.5 电子显微分析方法概述 34

1.4.6　色谱、质谱分析方法概述 36

思考题 37

2　X射线衍射分析及应用 39

2.1 概述 39

2.2　X射线物理学基础 40

2.2.1 X射线的产生与性质 40

2.2.2　X射线谱 41

2.2.3 X射线与物质的相互作用 45

2.2.4　X射线的吸收 47

2.3　X射线衍射方向 50

2.3.1 劳埃方程 50

2.3.2　布拉格方程 53

2.3.3 衍射矢量方程与厄瓦尔德图解 55

2.3.4　X射线衍射实验方法 57

2.4　X射线衍射强度 59

2.4.1 多晶衍射花样的形成 59

2.4.2 一个电子对X射线的散射 60

2.4.3 原子对X射线的散射 61

2.4.4　一个晶胞对X射线的散射 62

2.4.5 一个小晶体的衍射 65

2.4.6 影响多晶（粉末）积分强度的其他因素 67

2.4.7 多晶（粉末）衍射的积分强度 70

2.5　多晶衍射方法 71

2.5.1　德拜照相法 71

2.5.2 立方系多晶衍射花样的测量、计算和标定 75

2.5.3　X射线衍射仪 77

2.6　X射线衍射的应用 82

2.6.1 X射线物相分析 82

2.6.2 点阵常数的精确测定 90

2.6.3 宏观应力的测定 97

思考题 103

3　电子衍射分析及应用 105

3.1　高能电子衍射 105

3.1.1 电子衍射基本公式 106

3.1.2 多晶电子衍射成像原理与衍射花样特征 106

3.1.3 多晶电子衍射花样的标定 107

3.1.4　单晶电子衍射成像原理与衍射花样特征 108

3.1.5 单晶电子衍射花样的标定 108

3.2　低能电子衍射 112

3.2.1 单晶表面原子排列与二维点阵 112

3.2.2 二维点阵的倒易点阵 113

3.2.3　低能电子衍射原理 115

3.2.4　低能电子衍射仪 117

3.2.5　低能电子衍射分析与应用 117

思考题 118

4　透射电子显微分析技术及应用 119

4.1　光学显微镜的分辨率 119

4.2　透射电子显微镜简介及特点 121

4.2.1 透射电子显微镜简介 121

4.2.2　透射电子显微镜的特点 121

4.3　透射电子显微镜的工作原理与结构 123

4.3.1 透射电子显微镜的工作原理 123

4.3.2　透射电子显微镜的结构 123

4.4　试样制备 134

4.4.1 块体材料上制备透射电子显微镜薄膜样品 134

4.4.2　粉末试样 137

4.4.3　复型样品 138

4.5　透射电子显微镜的发展 140

4.5.1 透射电子显微镜功能的扩展 140

4.5.2　分辨率的不断提高 141

4.5.3 现代计算机技术和微电子技术的应用 141

4.6　透射电子显微镜的应用 142

4.6.1 用于气溶胶单颗粒的研究 142

4.6.2　用于C/C复合材料的研究 143

4.6.3 用于纳米粉体的研究 143

4.6.4　用于铁电材料电畴观察 144

思考题 144

5　扫描电子及电子探针显微分析技术及应用 146

5.1　扫描电镜的特点 146

5.2　扫描电镜的工作原理 147

5.3　扫描电镜的结构 147

5.3.1 电子光学系统 148

5.3.2　扫描系统 149

5.3.3　信号检测和放大系统 150

5.3.4 图像显示与记录系统 151

5.3.5 真空系统和电源系统 151

5.4　扫描电镜的主要性能指标 151

5.4.1 分辨率 151

5.4.2　放大倍数 153

5.4.3　景深 153

5.5　样品的制备 154

5.6　扫描电镜图像及其衬度 155

5.6.1 扫描电镜图像的衬度 155

5.6.2　二次电子像 156

5.6.3　背散射电子像 162

5.7　电子探针显微分析的原理及应用 165

5.7.1 电子探针的结构与工作原理 166

5.7.2 电子探针的分析方法及应用 173

5.8　扫描电镜的发展 176

5.8.1　概述 176

5.8.2　场发射扫描电镜 176

5.8.3　低真空扫描电镜 177

5.8.4　低电压扫描电镜 178

5.8.5 背散射衍射技术 179

5.8.6　微纳米显微操纵 182

思考题 182

6　热分析技术及应用 183

6.1　热分析技术简介 183

6.1.1 热分析技术的发展历史 183

6.1.2　热分析技术的分类 184

6.2　差热分析 185

6.2.1 差热分析的基本原理 185

6.2.2　差热分析仪 186

6.2.3 差热分析曲线及解析 188

6.2.4 影响差热曲线的因素 190

6.3　差示扫描量热分析法 193

6.3.1 差示扫描量热分析的基本原理 193

6.3.2　差示扫描量热仪 195

6.3.3 影响差示扫描量热曲线的因素 197

6.3.4 差示扫描量热的应用 197

6.4　热重分析 200

6.4.1 热重分析的基本原理及热重分析仪 200

6.4.2　影响热重分析的因素 202

6.4.3 热重分析的应用 203

6.5　热膨胀分析 205

6.5.1 热膨胀分析的基本原理和热膨胀曲线 205

6.5.2　热膨胀仪及其应用 206

6.6　热机械分析 207

6.6.1 静态热机械分析 207

6.6.2　动态热机械分析 207

6.6.3 热机械分析的应用 208

6.7　热分析技术的发展 208

6.7.1 热分析仪的发展 208

6.7.2　综合热分析 209

思考题 210

7　原子光谱分析技术 212

7.1　原子发射光谱分析法 212

7.1.1　基本原理 213

7.1.2　原子发射光谱分析仪器 215

7.1.3　定性和定量分析方法 219

7.2　原子吸收光谱分析法 222

7.2.1 基本原理 222

7.2.2　原子吸收光谱仪及主要部件 226

7.2.3　干扰及抑制 229

7.2.4　分析条件的选择与定量分析方法 230

7.3　原子荧光光谱分析法 231

7.3.1 基本原理 232

7.3.2　原子荧光光度计 233

7.4　原子光谱技术的应用 235

7.4.1 在航空发动机磨损失效分析中的应用 235

7.4.2　在大气等离子体抛光工艺研究中的应用 235

7.4.3　在环境监测方面的应用 235

7.4.4　在医学卫生方面的应用 235

7.4.5　在食品分析方面的应用 236

思考题 236

8　分子光谱分析技术 237

8.1　紫外-可见吸收光谱技术 238

8.1.1　概述 238

8.1.2 紫外-可见吸收光谱的产生 238

8.1.3 紫外-可见分光光度计 241

8.1.4 紫外-可见吸收光谱应用 243

8.2　红外吸收光谱技术 245

8.2.1　概述 245

8.2.2　产生的条件 246

8.2.3　分子振动方程式 247

8.2.4　分子振动的形式 248

8.2.5 峰位、峰数与峰强 249

8.2.6　红外光谱的基团频率 250

8.2.7 影响峰位变化的因素 251

8.2.8　红外光谱仪器的类型与结构 252

8.2.9　样品制备 252

8.2.10　定性和定量分析基础 253

8.2.11 在材料研究中的应用 255

思考题 256

9　核磁共振分析技术 257

9.1　核磁共振基本原理 257

9.1.1　原子的自旋 258

9.1.2　核磁共振现象 259

9.1.3　弛豫 260

9.2　屏蔽作用与化学位移 261

9.3　自旋耦合与自旋分裂 262

9.4　核磁共振波谱仪 263

9.4.1　磁铁 263

9.4.2　射频振荡器 264

9.4.3　射频接收器 264

9.4.4　样品管 264

9.5　核磁共振的应用 264

9.5.1　定性分析 264

9.5.2　化合物数均相对分子质量的测定 265

9.5.3　共聚物组成的测定 266

9.5.4　几何异构体的测定 266

9.5.5 在有机合成反应中的应用 267

9.5.6　在医学和生命科学中的应用 267

思考题 268

10　质谱分析技术 269

10.1　质谱仪与质谱分析 269

10.2　离子峰的主要类型及质谱图解析 273

10.2.1 离子峰的主要类型 273

10.2.2　质谱图的表示和解释方法 274

10.3　色谱—质谱联用技术 275

10.3.1 气相色谱—质谱联用技术 275

10.3.2 液相色谱—质谱联用技术 276

10.4　质谱的定性和定量分析 277

10.4.1 定性分析 277

10.4.2　定量分析 278

10.5　质谱分析的应用 279

10.5.1 蛋白质和多肽的分析 279

10.5.2　多糖结构的测定 280

10.5.3 寡核苷酸和核酸的分析 280

10.5.4 药物代谢产物的鉴定 280

10.5.5　微生物的鉴定 280

10.5.6 医用材料的检测 280

10.5.7　食品安全检测 281

10.5.8　环境检测 281

10.5.9 色谱—质谱分析在有机地球化学研究中的应用 281

思考题 281

11　色谱分析技术 282

11.1　色谱分析技术概论 282

11.1.1 色谱法的特点、分类和作用 282

11.1.2　色谱分离过程 283

11.1.3 色谱流出曲线与术语 285

11.2　色谱理论基础 286

11.2.1　塔板理论 287

11.2.2　速率理论 287

11.2.3　分离度 290

11.3　色谱定性和定量分析 291

11.3.1 色谱定性鉴定方法 291

11.3.2　色谱定量分析方法 292

11.4　气相色谱 294

11.4.1 气相色谱仪 295

11.4.2　气相色谱固定相 296

11.4.3　分离操作条件的选择 299

11.4.4　毛细管色谱法 300

11.5　高效液相色谱 301

11.5.1 高效液相色谱仪 301

11.5.2　基本原理与主要分离类型 302

11.5.3 液相色谱的固定相与流动相 303

11.5.4 影响分离的因素与操作条件选择 305

11.5.5 超临界流体色谱法 306

11.6　色谱分析技术的应用 307

11.6.1 色谱分析技术在大型电力变压器故障诊断中的应用 307

11.6.2 色谱分析技术在油田开发中的应用 307

11.6.3 气相色谱分析技术在提高产品质量中的应用 307

思考题 308

参考文献 309

附录 312

附表1　分析方法符号与缩略语 312

附表2　常用物理常数 313

附表3　元素的物理性质 314

附表4　K系标识谱线的波长、吸收限和激发电压 317

附表5　元素的质量吸收系数 319

附表6　轻原子及离子的散射因子f 321

附表7　重原子的散射因子f 323

附表8　原子散射因子校正值△f 325

附表9　各种点阵的结构因子F2HKL 325

附表10　多晶体衍射的多重性因子PHKL 326

附表11　某些物质的特征温度Θ 326

附表12　德拜函数φ(x)/x+1/4的值 326