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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f321

附表7　重原子的散射因子f323

附表8　原子散射因子校正值△f325

附表9　各种点阵的结构因子F2HKL325

附表10　多晶体衍射的多重性因子PHKL326

附表11　某些物质的特征温度Θ326

附表12　德拜函数φ(x)/x+1/4的值326