1、第一章 电磁辐射与材料结构一、教材习题1-1 计算下列电磁辐射的有关参数：（1）波数为 3030cm-1 的芳烃红外吸收峰的波长（m ） ；答：已知波数 =3030cm-1根据波数 与波长 的关系 可得：)(10)c(波长 m3.301（2）5m 波长射频辐射的频率（MHz） ；解：波长 与频率 的关系为 c已知波长 =5m，光速 c3108m/s，1s -1=1Hz则频率 MHz6015/1038sms（3）588.995nm 钠线相应的光子能量（eV） 。答：光子的能量计算公式为 chE已知波长 =588.995nm=5.8899510-7m，普朗克常数 h6.62610 -34Js，光速
2、 c3108m/s，1eV= 1.60210-19J则光子的能量（eV）计算如下： eVJssJE107.2602.1375 10375.895/3.19 9734 1-3 某原子的一个光谱项为 45FJ，试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。答：对于光谱项 45FJ，n=4，L=3，M=5 ；S=2( M=2S+1=5)，则J=5，4 ，3，2，1，当 J=5，M J=0，1，2，5 ；J =1，M J=0，1。光谱项为 45FJ 的能级示意图如下图：1-4 辨析原子轨道磁矩、电子自旋磁矩与原子核磁矩的概念。答：原子轨道磁矩是指原子中电子绕核旋转的轨道运动产生的磁矩；电子自旋磁矩是指电子自
3、旋运动产生的磁矩；原子核磁矩是指原子中的原子核自旋运动产生的磁矩。1-5 下列原子核中，哪些核没有自旋角动量？12C6、 19F9、 31P15、 16O8、 1H1、 14N7。答： 12C6 和 16O8 没有自旋角动量。1-8 分别在简单立方晶胞和面心立方晶胞中标明（001） 、 （002）和（003）面，并据此回答：干涉指数表示的晶面上是否一定有原子分布？为什么？答：简单立方晶胞的（001） 、 （002）和（003）面如下图左、中、右所示：（001） （002） （003）如上图所示，晶面指数（001）表示的所有晶面上都有原子分布，而干涉指数（002）表示的晶面中 C 面无原子分布，
4、干涉指数（003）表示的晶面中 C 面和 D 面无原子分布。面心立方晶胞的（001） 、 （002）和（003）面如下图左、中、右所示：（001） （002） （003）如上图所示，晶面指数（001）和干涉指数（002）表示的所有晶面都有原子分布，而干涉指数（003）表示的晶面中 C 面和 D 面无原子分布。所以，干涉指数表示的晶面上不一定有原子分布。1-9 已知某点阵a=3 ，b=2， =60，cab，试用图解法求 r*110 与r*210。答：已知a=3，b=2， =60，cab，所以这个点阵是一个简单单斜点阵。根据倒易矢量与相应正点阵晶面之间的关系可知，所求倒易矢量的方向分别为正点阵中（
5、110）和（210）晶面的法向，倒易矢量模长分别为晶面间距d110 和 d210 的倒数。因为 cab，即 c 垂直于 a、b 所在平面，所以可用 a、b 所在平面的二维坐标系表述该三维点阵， （110）和（210）晶面变成两组平行直线，平行直线间距分别就是 d110 和 d210。因此，只要根据条件画出（110）和（210）晶面，就可求出 r*110 与 r*210。r*110 与 r*210 是矢量，其模长 r*110与 r*210分别是 d110 和 d210 的倒数，作图只能量出 d110 和 d210， r*110与 r*210需要计算。以 a 作为 x 轴的基矢，以 b 为 y 轴
6、的基矢，则 x 轴的单位长度为 3，y 轴的单位长度为 2。作图时，2cm 代表 1，所做示意图见下图。1-10 下列哪些晶面属于 晶带？1。)3(,0)(,2)3(,1)(答：根据晶带定律（方程） ，可判断 属于 晶带。)10(,2二、补充习题1、试求加速电压为 1、10、100kV 时，电子的波长各是多少？考虑相对论修正后又各是多少？解：根据电子的波长 （单位 nm）与加速电压 V（单位 V）的关系 V25.11kV=1000V 时， )nm(0387.125.10kV=10000V 时， )(12.100kV=100000V 时， )n(0387.5.经相对论修正后， 26105.V1k
7、V 时， )nm(387.)(102.2610kV 时， )(01.)1(5.26100kV 时， )n(37.)(01.26由计算可知，当加速电压较大时，电子的波长需经相对论校正。第三章 粒子（束）与材料的相互作用一、教材习题3-1 电子与固体作用产生多种粒子信号（教材图 3-3） ，哪些对应入射电子？哪些是由电子激发产生的？图 3-3 入射电子束与固体作用产生的发射现象答：图中 I0 表示入射电子；背散射电子流 IR、吸收电流 IA 和透射电子流 IT 对应入射电子；二次电子流 IS、X 射线辐射强度 IX、表面元素发射总强度 IE 是由电子激发产生的。3-2 电子 “吸收” 与光子吸收有
8、何不同？答：电子吸收是指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减的现象。电子吸收只是能量衰减到不能逸出样品，不是真的被“吸收”了。而光子吸收是因光子的能量与物质中某两个能级差相等而被吸收，光子被真的吸收了，转化成了另外的能量。3-3 入射 X 射线比同样能量的入射电子在固体中穿入深度大得多，而俄歇电子与 X 光电子的逸出深度相当，这是为什么？答：入射电子激发的俄歇电子，只有表面几个原子层产生的具有特征能量的俄歇电子才能逸出固体表面，被电子能谱仪检测到。虽然入射 X 射线比同样能量的入射电子在固体中穿入深度大得多，激发产生 X 光电子的深度也要大得多，但样品深层激发的 X 光电子要逸出表面，必
9、然要经多次碰撞散射而能量衰减，难以逸出固体表面，因此也只有表面几个原子层产生的具有特征能量的 X 光电子才能逸出固体表面，从而被电子能谱仪检测到。加上X 光电子与俄歇电子的能量差不多，所以它们的逸出深度相当。二、补充习题1、简述电子与固体作用产生的信号及据此建立的主要分析方法。答：电子与固体作用产生的信号主要有：背散射电子（弹性背散射电子，非弹性背散射电子） ，二次电子，俄歇电子，透射电子，吸收电子，X 射线（连续 X 射线，特征 X 射线，荧光 X 射线） 、表面元素发射等；建立的分析方法主要有：透射电子显微镜（简称“透射电镜” ，TEM） ，电子衍射分析（ED） ，扫描电子显微镜（简称“扫
10、描电镜” ，SEM） ，电子探针 X 射线显微分析（简称“电子探针” ，EPMA） ，俄歇电子能谱（AES） ，电子能量损失谱（EELS） 、电子背散射衍射（EBSD）等。或以列表形式：电子与固体相互作用产生的信号及据此建立的主要分析方法电子与固体相互作用产生的主要信号 建立的主要分析方法或仪器二次电子 SEM 扫描电镜弹性散射电子LEEDRHEEDTEMEBSD低能电子衍射反射式高能电子衍射透射电镜（含电子衍射）电子背散射衍射非弹性散射电子 EELS 电子能量损失谱电子俄歇电子 AES 俄歇电子能谱特征 X 射线EPMAWDSEDS电子探针，包括：波谱能谱光子X 射线的吸收（或由吸收引起）
11、XRFCL X 射线荧光阴极荧光元素 离子、原子 ESD 电子受激解吸第二章 电磁辐射与材料的相互作用一、教材习题2-2 下列各光子能量（eV）各在何种电磁波谱域内？各与何种跃迁所需能量相适应？1.21061.2102、6.21.7、0.50.02 、210 -2410-7。答：1.210 61.2102 X 射线谱域，与原子内层电子跃迁所需能量相对应。6.21.7 近紫外 -可见光谱域，与原子或分子外层电子跃迁所需能量相对应。0.50.02 中红外谱域，与分子振动能级跃迁所需能量相对应。210-2410-7 远红外- 微波谱域，与分子转动能级和电子自旋能级跃迁所需能量相对应。或者列表如下：光
12、子能量（eV ） 电磁波谱域 对应跃迁1.21061.2102 X 射线 原子内层电子跃迁6.21.7 紫外-可见光 原子（或分子）外层电子跃迁0.50.02 中红外线 分子振动能级跃迁210-2410-7 远红外线-微波 分子转动能级和电子自旋能级跃迁2-3 下列哪种跃迁不能产生?31S031P1、3 1S031D2、3 3P233D3、4 3S143P1。答：根据光谱选律判断跃迁能否产生。光谱选律：（1）主量子数变化 n=0 或任意正整数；（2）总角量子数变化 L=1；（3）内量子数变化J=0，1（但 J=0， J0 的跃迁是禁阻的） ；（4）总自旋量子数的变化S=0。31S031P1 能
13、产生跃迁，因为 n=3-3=0，L=1-0=1，J=1-0=1，S=0-0=031S031D2 不能产生跃迁，因为 n=3-3=0，L=2-0=2，J=2-0=2，S=0-0=033P233D3 能产生跃迁，因为 n=3-3=0，L=2-1=1，J=3-2=1，S=1-1=043S143P1 光谱项 43S1 是否正确？因为 LS 时，M=2S+1，L S 时，M=2L+1，所以 M 应为 2L+1=20+1=1。而 43S1 中 M=3，所以光谱项 43S1 不正确，因此 43S143P1 跃迁不能产生。2-5 分子能级跃迁有哪些类型？紫外、可见光谱与红外光谱相比，各有何特点？答：分子能级跃
14、迁的类型有电子能级跃迁、振动能级跃迁和转动能级跃迁。紫外、可见光谱与红外光谱的特点对比如下表：特点 紫外、可见光谱 红外光谱能级跃迁类型分子外层电子能级跃迁，所得光谱属于分子的电子光谱。分子振动和转动能级跃迁，所得光谱属于分子的振动光谱或转动光谱。所在电磁波谱域 紫外-可见- 近红外区振动光谱在近红外-中红外-远红外区。转动光谱在远红外区和微波区。吸收光谱特征由于分子外层电子的能级比较大，所以在发生电子能级跃迁的同时也会引起分子的振动和转动能级跃迁，在其光谱上叠加了振动和转动能级跃迁的吸收光谱，因此电子光谱是带状光谱，其吸收带（峰）较宽。由于分子振动能级比转动能级大，所以在发生振动能级跃迁的同
15、时也会引起转动能级跃迁，光谱上叠加了转动光谱，因此振动光谱（振动-转动光谱或振转光谱）也是带状光谱，但吸收带（峰）较电子光谱窄，且峰多、复杂。转动能级跃迁引起的红外吸收光谱（即转动光谱）则是线状光谱，吸收峰（线）很窄。一般只在部分简单的气态极性分子中才能观察得到。2-6 以 Mg K（ =9.89）辐射为激发源，由谱仪（功函数 4eV）测得某元素（固体样品）X 射线光电子动能为 981.5eV，求此元素的电子结合能。解：已知 X 射线波长 =9.89=9.8910-10m，X 射线光电子动能 Ek=981.5eV，谱仪功函数 sp=4eV，真空中光速 c3108m/s， ；则 XJ1062.e
16、V19射线的能量 h： eV8.1253e062.1089.31984cv根据教材第 32 页公式（2-13） ，元素的电子结合能 Eb 计算如下：e.6e4.8eV.53spkbEhX 射线的能量也可用简化的公式 E(eV)=h=1.2410-6/(m)计算，h=1.2410-6/(9.8910-10）=1253.8(eV)2-7 用能级示意图比较 X 射线光电子、特征 X 射线与俄歇电子的概念。答：KL2，L3M特征 X 射线(hv) 俄歇电子光电子入射 X 射线(hv )二、补充习题1、俄歇电子能谱图与光电子能谱图的表示方法有何不同？为什么？答：俄歇电子能谱图一般用微分谱表示，光电子能谱
17、图一般用一次谱表示。因为俄歇电子产率很低，背景强、信噪比小，一次谱不好确定俄歇电子的能量位置，用微分谱可以表现得很清楚；而光电子的产率较高，干扰少、信噪比大，用一次谱就能很清楚表示出来。2、简述 X 射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法。答：X 射线与固体物质相互作用产生的信息主要有：弹性散射 X 射线、非弹性散射 X 射线、光电子、俄歇电子、荧光 X 射线、反冲电子、透射 X 射线、电离、热能等，据此建立的分析方法主要有：X 射线衍射分析（ XRD） ，X射线光电子能谱分析（XPS） ，X 射线激发俄歇电子能谱分析（XAES） ，X射线荧光光谱分析（XRF 或 XFS）等
18、。或者列表。答：X 射线与固体相互作用产生的主要信息及据此建立的主要分析方法列于下表：X 射线与固体物质相互作用产生的主要信息 建立的主要分析方法弹性散射 X 射线 X 射线衍射分析（XRD）非弹性散射 X 射线荧光 X 射线 X 射线荧光光谱分析（XRF 或 XFS）X 射线透射 X 射线光电子 X 射线光电子能谱分析（XPS）俄歇电子 X 射线激发俄歇电子能谱分析（XAES）电子反冲电子其它 热能第四章 材料现代分析测试方法概述一、教材习题4-11 试为下述分析工作选择你认为恰当的（一种或几种）分析方法(1) 钢液中 Mn、S、P 等元素的快速定量分析答：元素定量分析的方法很多，如化学分析
19、、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES） 、原子吸收光谱（或叫原子吸收分光光度法，AAS） 、原子荧光光谱（或叫原子荧光光度法，AFS） 、X 射线荧光光谱（XRF 或 XFS）等。因为XRF 制样相对简单、快速，所以可选用 XRF 进行快速定量分析。如果是在线分析，可用光导纤维将钢液发射的光引入原子发射光谱仪进行定量分析，当然定量的准确度和精度不是很高。(2) 区别 FeO、Fe 2O3 和 Fe3O4答：FeO、Fe 2O3 和 Fe3O4 中铁（Fe）的价态不同，如果是独立的样品，用穆斯堡尔谱很容易区别，但仪器不常见。由于这三种物相的成分比和结构不同，那么它们的衍射花样也不同，如果样品足够多，用 X 射线衍射（XRD ）区别；如果是薄晶中的细小晶粒，可用透射电镜（TEM）中的电子衍射（ ED）区别。由于它们的成分比和结构不同，红外光谱特征也不同，所以也可用红外光谱来区别。在氧化气氛（如空气）中加热，它们的热重曲线或差热曲线特征不同，所以也可用热重法（TG）或差热分析（DTA）来区别。当然 X 射线光电子能
