材料分析方法對于建立材料組織結(jié)構(gòu)和性能之間的聯(lián)系具有重要作用。作為材料專業(yè)的應(yīng)屆畢業(yè)生，在平時(shí)的課程中已學(xué)過各種分析方法的基本原理，在實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用過主要的材料測試設(shè)備，掌握相關(guān)的材料分析測試方法是材料專業(yè)畢業(yè)生的必備能力。因此，材料分析測試方法成為研究生復(fù)試的重要內(nèi)容，面試導(dǎo)師會(huì)根據(jù)你的相關(guān)課程、畢設(shè)內(nèi)容等方面進(jìn)行提問。

本系列提供材料分析方法的簡要內(nèi)容，各位考生可以根據(jù)自己的課程和畢業(yè)設(shè)計(jì)掌握對應(yīng)的分析方法基本原理和主要功用。

01材料光譜分析是什么？

光譜分析是基于待測物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射信號或電磁輻射能量與待測物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的電磁輻射信號與材料組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來的分析方法。涉及物質(zhì)的能量狀態(tài)、狀態(tài)躍遷以及躍遷強(qiáng)度等方面。

通過光譜學(xué)規(guī)律的研究，可以揭示物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。反之，通過物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，可以解釋光譜學(xué)的規(guī)律。

02光波與物質(zhì)的相互作用

光波是波長在0.2到20微米之間的電磁波，即紫外、可見、紅外（包括遠(yuǎn)紅外）合稱光學(xué)光譜區(qū)。X射線的波長為1pm到10 nm。

光波與材料的相互作用方式：

 （1）吸收：物質(zhì)選擇性吸收特定頻率的輻射能，并從低能級躍遷到高能級，產(chǎn)生了不同的顏色；

（2）發(fā)射：將吸收的能量以光的形式釋放出；

（3）散射：彈性與非彈性散射；

（4）光電離：入射光子能量足夠大，造成原子或分子電離；

（5）反射與折射：光在兩種介質(zhì)中的傳播行為；

（6）干涉；

（7）衍射：光繞過物體而彎曲地向后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象；

（8）偏振。

03基本材料光譜分析方法

分為吸收光譜、發(fā)射光譜、散射光譜（拉曼散射譜）。

吸收、發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同分為原子、分子光譜；

按波長范圍（譜域）不同：紅外光譜、紫外光譜、可見光譜、X射線譜等。

04材料光譜分析基本原理

材料原子光譜分析

（1）原子發(fā)射光譜（AES）

被測樣品用適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)光源激發(fā)，樣品中的原子就會(huì)輻射出特征光，經(jīng)外光路照明系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)使之成為平行光，后經(jīng)色散元件把復(fù)合光按波長展譜，最后經(jīng)感光板處理，得到樣品的特征發(fā)射光譜。一定條件下元素特征譜線的強(qiáng)度隨元素在樣品中的含量、濃度的增大而增強(qiáng)，進(jìn)行元素的半定量、定量分析。

（2）原子吸收光譜（AAS）

從光源輻射出的具有待測元素特征譜線的光，通過樣品蒸氣時(shí)被蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收，從而由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定樣品中待測元素含量的方法。又稱為原子吸收分光光度法，可進(jìn)行定量分析。

（3）原子熒光光譜（AFE）

以原子在輻射能激發(fā)下發(fā)射的熒光輻射強(qiáng)度進(jìn)行定量分析的發(fā)射光譜分析法。樣品原子蒸氣被強(qiáng)光源發(fā)射的光輻射照射，氣態(tài)自由原子吸收光源的特征輻射后，原子的外層電子躍遷到較高能級然后返回低能級同時(shí)發(fā)射出與原激光輻射波長相同或不同的輻射，為原子熒光(二次發(fā)光)。當(dāng)激發(fā)光源停止照射，發(fā)射過程停止。

材料分子光譜分析

（1）紫外-可見光吸收光譜（UV-VIS）

UV、VIS是分子外層電子在電子能級間躍遷而產(chǎn)生的，又稱為電子光譜。在電子能級躍遷的同時(shí)伴有振動(dòng)能級與轉(zhuǎn)動(dòng)能級的躍遷，電子能級躍遷產(chǎn)生的紫外、可見光譜中包含有振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷產(chǎn)生的譜線，分子的紫外、可見光譜是由譜線非常接近甚至重疊的吸收帶組成的帶狀光譜。

（2）紅外吸收光譜（IR）

物質(zhì)在紅外輻射作用下分子振動(dòng)能級躍遷（由振動(dòng)基態(tài)向振動(dòng)激發(fā)態(tài)）而產(chǎn)生的。同時(shí)伴有分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷，又稱振-轉(zhuǎn)光譜，由吸收帶組成的帶狀光譜。是利用物質(zhì)對不同波長紅外光的吸收程度進(jìn)行研究物質(zhì)分子的組成及結(jié)構(gòu)的方法。

（3）熒光、磷光光譜

分子受光能激發(fā)后，由第一電子激發(fā)單重態(tài)躍遷回到基態(tài)的任一振動(dòng)能級時(shí)所發(fā)出的光輻射，稱為分子熒光。激發(fā)態(tài)分子從第一電子激發(fā)態(tài)三重態(tài)躍遷回到基態(tài)時(shí)所發(fā)出的光輻射稱為磷光。熒光和磷光為分子常見的光致發(fā)光現(xiàn)象。

拉曼光譜分析法

光照射到物質(zhì)上會(huì)發(fā)生非彈性散射，散射光中除有與激發(fā)光波長相同的彈性成分（瑞利散射）外，還有比激發(fā)光波長長的和短的成分，后者稱為拉曼效應(yīng)。

拉曼效應(yīng)：光子同分子碰撞產(chǎn)生的光散射效應(yīng)。

拉曼散射：樣品分子與激發(fā)光相互作用產(chǎn)生的非彈性散射，光的方向改變而且有能量交換。把瑞利散射和拉曼散射合起來所形成的光譜稱為拉曼光譜。拉曼光譜是散射光譜。拉曼散射有stokes散射與反stokes散射。

瑞利散射最強(qiáng)，stokes線強(qiáng)度次之，反stokes線最弱。拉曼位移是拉曼散射光與入射光頻率差Δ。對不同物質(zhì)Δ不同，對同一物質(zhì)，Δ與入射光頻率無關(guān)。拉曼散射的產(chǎn)生：光電場E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩。拉曼活性振動(dòng)是伴隨著有極化率變化的振動(dòng)，

拉曼光譜與紅外光譜都是振動(dòng)光譜，拉曼散射是散射光譜，紅外光譜是吸收光譜。紅外光譜與拉曼光譜是互補(bǔ)的，對于對稱分子，對稱振動(dòng)是拉曼活性的，反對稱振動(dòng)是紅外活性的。紅外光譜主要用于基團(tuán)的檢測，拉曼光譜主要用于骨架的測定。拉曼位移與紅外吸收峰完全對應(yīng)。拉曼散射比紅外光譜強(qiáng)度更弱，因此要采用強(qiáng)光源。

拉曼光譜范圍非常大，因此可以用來檢測無機(jī)物質(zhì)。拉曼光譜要求對激發(fā)光透明，極化率大。拉曼光譜與紅外光譜合稱為振動(dòng)光譜，二者互補(bǔ)。

拉曼光譜儀：

光源：氮氛激光器，激光波長要盡可能小，來獲得更強(qiáng)的拉曼散射。

單色器：光柵

檢測器：光電倍增管，光電子計(jì)數(shù)器。