材料化学习题答案

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1、第二章2.1 扩散常常是固相反应的决速步骤，请说明：1) 在用MgO和为反应物制备尖晶石时，应该采用哪些方法加快固相反应进行？2) 在利用固相反应制备氧化物陶瓷材料时，人们常常先利用溶胶-凝胶或共沉淀法得到前体物，再于高温下反应制备所需产物，请说明原因。3) “软化学合成”是近些年在固体化学和材料化学制备中广泛使用的方法，请说明“软化学”合成的主要含义，及其在固体化学和材料化学中所起的作用和意义。答：1. 详见P6 A.加大反应固体原料的表面积及各种原料颗粒之间的接触面积；B.扩大产物相的成核速率C.扩大离子通过各种物相特别是产物物相的扩散速率。2. 详见P7最后一段P8 2.2节一二段 固相

2、反应中反应物颗粒较大，为了使扩散反应能够进行，就得使得反应温度很高，并且机械的方法混合原料很难混合均匀。共沉淀法便是使得反应原料在高温反映前就已经达到原子水平的混合，可大大的加快反应速度； 由于制备很多材料时，它们的组分之间不能形成固溶的共沉淀体系，为了克服这个限制，发展了溶胶-凝胶法，这个方法可以使反应物在原子水平上达到均匀的混合，并且使用范围广。3. P22 “软化学”即就是研究在温和的反应条件下，缓慢的反应进程中，采取迂回步骤以制备有关材料的化学领域。 2.2 请解释为什么在大多数情况下固体间的反应很慢，怎样才能加快反应速率？答：P6以MgO和反应生成为例，反应的第一步是生成晶核，其晶核

3、的生长是比较困难的，和的扩散速率是反应速率的决速步，因为扩散速率很慢，所以反应速率很慢，加快反应速率的方法见2.1（1）。第三章（张芬华整理）3.1 说明在简单立方堆积、立方密堆积、六方密堆积、体心立方堆积和hc型堆积中原子的配位情况。答：简单立方堆积、 6 立方密堆积、 12 六方密堆积、 12 体心立方堆积 8hc型堆积 123.2 为钙钛矿结构，a=3.905，计算Sr-O，Ti-O键长和密度。答：立方钙钛矿结构为立方最密堆积，其中各原子的分数坐标为Ti（0，0，0），Sr（1/2,1/2,1/2），O（0，0，1/2）Sr-O键长：Ti-O键长：3.3 具有相关的结构，在原点和体心位置

4、上分别是Nb和O的空位，画出的结构图，讨论其中的八面体金属簇的三维结构。答：P48 图3.12 （c） 是目前为止发现的唯一具有三维结构八面体原子簇的化合物，八面体原子簇的三维连接要求阴离子的尺寸与金属簇的空隙相当。（详细参考P49第一段）3.4 说明和结构的特征和异同。答：和为层型分子，在晶体中，层型分子沿垂直于层的方向堆积，作六方最密堆积，离子填入其中部分八面体空隙，各层相对位置为。晶体中作立方最密堆积，交替的一层填满一层空缺的填入八面体空隙中，相对位置表示为。 （详细参考结构化学P290）3.5 阴离子具有立方密堆积，以下方式充填阳离子可以得到什么类型：（1） 阳离子填满所有四面体格位

5、反萤石结构（2） 阳离子充填1/2四面体格位 尖晶石结构（共棱）（3） 阳离子填满所有八面体格位 结构（共边）（4） 阳离子充填1/2八面体格位 钙钛矿结构（共顶点）3.6 阴离子具有六方密堆积，以下方式充填阳离子可以得到什么类型：（5） 阳离子填满所有四面体格位 金红石结构（共顶点）（6） 阳离子充填1/2四面体格位 六方硫化锌结构（共顶点）（7） 阳离子填满所有八面体格位 NiAs结构和WC结构（共边）（8） 阳离子充填1/2八面体格位 结构（六方钙钛矿）第七章7.1 一种晶体具有中心对称，它是否具有以下性质：介电、铁电、热释电、压电？答：一个晶体具有中心对称，它具有介电性质，不具有铁电，

6、热释电，压电性质。 所有三十二种点群都具有介电性质； 铁电和热释电属于具有一阶张量描述的物理性质，晶体应该属于极性晶类，有中心对称的晶体不具有奇数阶张量描述的物理性质； 压点性质属于具有三阶张量描述的性质。7.2 说明Neumann规则和Curie规则的基本要点。答：具体见P139140Neumann规则基本要点：晶体任一物理性质所具有的对称性，必包含晶体点群的全部对称操作。（讨论的是物理性质与晶体对称性之间的关系）Neumann规则中：1) 只要求晶体物理性质的对称性包含晶体的对称性；2) 晶体物理性质的对称性常高于晶体的对称性；3) 确定晶体的对称操作一定要包含晶体所属点群的所有对称操作，

7、限定了物理性质的最低对称性。 Curie规则基本要点：晶体在受到外场作用后，晶体的对称操作仅保留晶体原有对称操作中与外场一致的部分，在外场对称性高于晶体对称性时，晶体的对称性保持不变；在外场的对称性低于晶体对称性时，晶体的对称性降低。（讨论外加物理场对晶体对称性的影响）第八章8.1 在393K发生从四方到立方结构的相变，空间群从P4mm转变为Pm3m，回答并说明原因：四方结构的是否可以具有热释电性质和铁电性质；立方结构的是否可以具有介电性质、压电性质和热释电性质。答： 四方的属于极性点群，具有热释电性质具有铁电性质（P156下面） 立方的不属于极性点群，不具有热释电性质；32个点群的晶体均具有

8、介电性质；具有压电性质8.2 材料的热释电和铁电效应是用一阶张量描述的物理性质，只有极性晶类的晶体才能具有这些性质，在实际中人们发现所有的极性晶类的晶体都具有热释电效应，而其中的一小部分可以表现出铁电效应，请说明原因。答：详见P156第一段。在三十二种点群中，具有热释电效应的10类极性晶体都可能具有铁电性质，但并非所有的热释电效应都可以表现出铁电性质，一些热释电材料自发极化反转需要较高的外加电场，如所需电场高于击穿电压，材料就无法表现出铁电性质。因此，从材料的内禀性质上讲铁电与热释电材料属于同一类，具有铁电性质的晶体一定具有热释电性质，但具有热释电性质的晶体不一定能够实现铁电性质。第九章9.1

9、 比较并说明和结构的异同。答：详见P182下面一段。 是层状钙钛矿系列化合物中n=1的物相，其中铜氧八面体公用顶点形成二维钙钛矿单层，层间的离子按NaCL（100）面方式排列。也可以看作是四方配位的铜氧层与NaCL结构的双层构成，化合物中的铜离子为二价。 也是一种层状钙钛矿结构，结构中的铜氧层仍然是四方，与系列化合物结构不同，四方铜氧层被结构的层隔开。高价离子部分取代中的稀土离子，可以使部分变为。第十二章（红色字体表示没有准确的答案）121下列哪些现象属于非平衡辐射发光？（1） 在253nm紫外激发下， :Eu发出红色的光；（2） BaFCl:Eu材料的热释发光；（3） 白纸灯发光；（4） X

10、射线荧光；（5） 月光。答：非平衡辐射是指在某种外界作用的激发下，体系偏离原来的平衡态，如果物体在回复到平衡态过程中，其多余的能量以光辐射的形式释放出来，则称为发光。发光是一种叠加在热辐射背景上的非平衡辐射。 由以上定义，可以判断（1）属于非平衡辐射发光； （5）不属于；12.2哪些光谱包含了材料的光吸收特性？（1） 吸收光谱；（2）荧光发射光谱；（3）激发光谱；（4）反射光谱；（5）热释发光光谱。答：（2）、（3）、(4)12.3在紫外光激发下，:，发射的特征绿光，指出材料的基质、激活剂和敏化剂。答;基质，激活剂，敏化剂12.4以激发方式分类，说出5类发光材料的名称。答：分立中心发光材料、复

11、合发光材料、复合离子发光材料或自己激活发光材料、12.5在下面的图中给出了某种发光材料的3条谱图。请指出哪一条是反射光谱、激发光谱和发射光谱，并估计该材料的发光颜色。答：（a）是激发光谱（b）是反射光谱（c）是发射光谱12.6什么是Stokes位移，什么是反Stokes位移？答：由于荧光物质分子吸收的光能经过无辐射去激的消耗后,降至S1态的最低振荡能级,因而所发射的荧光的波长比激发光长,能量比激发光小,这种现象称为stokes位移.反之,称为反斯托克斯线 。12.7根据发光机理，无机固体发光材料中发光过程可分立中心发光，复合发光和电荷迁移态发光。请指出下列材料各属于哪种机理的发光：(1) :E

12、u(2)ZnS:Ag,Cl(3)(4)(5)（ZnCd）S：Cu，Al(6)(7):(8)答：分立发光中心(1) (4）(7) (8)复合发光(2)(5)电荷迁移态发光 (3）（6）12.8下面那些离子可以作为激活剂，哪些不可以？，答：激活剂；、12.9在制备绿色荧光体：时，若原料中混入月1%的下列离子（）估计它们分别对该材料的发光性能会有何影响答：发光材料中可以看到很强的-跃迁发射，荧光寿命较长； 激发光谱和发射光谱都为宽的带谱。 ：稳定性好、发光效率高、色纯度好；以这两种为激活剂的发光材料激发和发射效率高，而且荧光寿命短。 ：能级丰富，能级间隔窄，在发光材料中起着焠灭剂的作用；发射光谱大多

13、为一个带谱，且与最低激发谱带有一定的交叠。12.10简述位形坐标模型的要点，并用该模型解释Stokes位移和温度粗灭现象。答：参见课本P242和P244位型坐标模型：（1）纵坐标表示包括发光中心离子及其周围离子在内的系统能量，这个能量包含电子和离子的势能和相互作用能；（2）横坐标表示中心离子及其周围离子互相作用的坐标，它是包括离子之间相对位置等因素在内的一个笼统的空间概念。Stokes位移现象的解释：将能量E对Q作图，得到体系的基态状态g为一抛物线，Q表示基态的平衡距离。图上的抛物线表示体系的激发态状态e，Q是激发态的平衡距离。在低温下，材料吸收能量时，电子多半从基态的最低点Q开始跃迁，到达激

14、发态抛物线上侧面一点，其能量为激发能。当吸收能量跃迁到激发态后，体系会很快回到激发态的最低能级，将多余的能量传递给周围离子，当体系从激发态跃迁回到基态，这时体系发射的能量为。这两者只差就是Stokes位移。 使发光被削弱或甚至完全消失的现象称为猝灭。常见的引起猝灭的因素有：发光体的温度上升，这时引起的或加强的猝灭，称为温度猝灭 。12.11产生激光的过程是怎么样的？什么样的材料可以作为激光材料？答：参考P262第二段在某种基质晶体中掺入少量的光学活性离子，这种活性离子可以在基质禁带中形成分立的能级-基态和激发态。在稳定状态下，电子在各能级的占据率符合Fermi分布，即占据基态的电子数远远大于激

15、发态。能够产生受激辐射的关键是材料具有亚稳激发态能级，能够产生”布局数反转“状态。材料需要有亚稳态的激发态能级就可以作为激光材料。12.12非线性光学材料对材料的对称性有什么要求？产生二次谐波的微观机理是怎样的？答：（1）材料的二阶非线性系数是三阶张量描述的性质，要使二阶非线性系数不为零，要求晶体 不具有对称中心。 （2）谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐

16、波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。第十六章16.1 对于无机材料，其组成、结构和性能都有两个层次的含义，简要叙述这些含义。答：P341 表16.1项目含义一含义二组成元素组成相组成，缺陷组成结构分子结构及晶体结构亚微观结构（）性能一般物化性能（密度、熔点、稳定性等）与材料的应用相联系的光、电、磁等物理性能16.2 单晶x衍射和多晶（粉末）x射线衍射各自的特点是什么？答：书上参考P342 网上的参考答案：X射线衍射法因晶体的

17、是单晶还是多晶分为x射线单晶衍射法和X射线多晶衍射法。单晶X射线衍射分析的基本方法为劳埃法、周转晶体法和四圆单晶衍射仪法。书上还会有别的方法，因不太常用在此不再啰述。现在最常用的是四圆单晶衍射仪测单晶。劳埃法改变波长、以光源发出连续X射线照射置于样品台上静止的单晶体样品，用平板底片记录产生的衍射线。根据底片位置的不同，劳埃法可以分为透射劳埃法和背射劳埃法。背射劳埃法不受样品厚度和吸收的限制，是常用的方法。劳埃法的衍射花样由若干劳埃斑组成，每一个劳埃斑相应于晶面的1n级反射，各劳埃斑的分布构成一条晶带曲线。周转晶体法：周转晶体法以单色X射线照射转动的单晶样品，用以样品转动轴为轴线的圆柱形底片记录

18、产生的衍射线，在底片上形成分立的衍射斑。这样的衍射花样容易准确测定晶体的衍射方向和衍射强度，适用于未知晶体的结构分析。周转晶体法很容易分析对称性较低的晶体(如正交、单斜、三斜等晶系晶体)。 四圆单晶衍射仪法是转动晶体。以四个圆的转动变量、和2进行晶体和计数器的转动，以实现倒格点与埃瓦尔德(Ewald)衍射球球面相遇产生衍射的必要条件。圆对应于安置晶体的测角头的自转转动，圆对应于测角头在其所坐落的仪器金属环内侧圆上的转动，圆对应于金属环绕中垂线(Z轴)进行的转动，2圆则对应于为保持衍射方向相对于入射X射线为2的角度所需进行计数器的转动。是常用的测量单晶衍射的方法X多晶衍射法包括：照相法、针孔法、

19、衍射仪法。照相法又可分为德拜照相法和聚焦法。其中德拜法应用最广泛。照相法三者均为特征单色X射线源照射粉末样品。不同的是：a，德拜法用卷成圆柱状的底片记录衍射信息，并放置底片与样品同柱安装。特点：1，需要样品量少，0.1mg即可。2，装置，操作简单。3，包含样品上的全部反射线。因此较为常用。b，聚焦法：底片与样品在同一圆周上，使多晶样品中的等同晶面在底片上聚成一点或一条线。特点：曝光时间短，分辨率是德拜法的两倍，但在小 范围衍射线条较少且宽，不适于分析未知样品。c，针孔法根据底片不同的位置针孔法又分为穿透针孔法和背射针孔法。特点：可得到衍射线的整个圆环，适于研究晶粒大小、晶体完整性、宏观残余应力

20、及多晶试样中的择优取向等。但这种方法只能记录很少的几个衍射环，不适于其它应用。d，衍射仪法X射线衍射仪以布拉格实验装置为原型，融合了机械与电子技术等多方面的成果。衍射仪由X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器和辐射探测电路4个基本部分组成，是以特征X射线照射多晶体样品，并以辐射探测器记录衍射信息的衍射实验装置。现代X射线衍射仪还配有控制操作和运行软件的计算机系统。X射线衍射仪的成像原理与聚集法相同，但记录方式及相应获得的衍射花样不同。衍射仪采用具有一定发散度的入射线，也用“同一圆周上的同弧圆周角相等”的原理聚焦，不同的是其聚焦圆半径随 2的变化而变化。衍射仪法以其方便、快捷、准确和可以自动进行

21、数据处理等特点在许多领域中取代了照相法，现在已成为晶体结构分析等工作的主要方法。16.3 在无机材料研究中，利用多晶x射线衍射主要可以从事哪些研究工作？答：通常用多晶x衍射研究的问题主要有物相鉴定、衍射图谱指标化和晶体结构测定。（详细叙述见P342）16.4 与x射线衍射相比，电子衍射和中子衍射各有什么特点？答：详见P343-345 电子衍射是透射电子显微镜的一个功能，在加速电压一定的条件下，电子的波长比常用于衍射的X射线波长短得多，因而其衍射角小，电子束照射在单个晶粒上会产生规律的衍射图样，而照射在几个晶粒上产生的衍射图样是几个晶粒衍射同样的叠加，多晶样品的衍射为圆环。在材料研究中可以用于晶

22、体对称性的测定和微区相分析。 X射线衍射和电子衍射都是射线与电子之间发生作用，而中子衍射是中子束与原子核发生作用。在X射线衍射和电子衍射中重原子周围电子较多，对衍射强度贡献大，而轻原子周围电子少，对衍射强度贡献小，所以其原子位置不容易被准确测定，而中子衍射各种原子对于衍射强度贡献相当，这样轻原子的位置可以比较准确的测定。中子衍射对于测定晶体中的磁有序结构是很重要的研究手段。16.5 什么是电子衍射的相机常数，试述该常数在分析电子衍射图时的作用。答：L称为相机常数，L为样品与衍射平面的距离，为电子的波长。有关系式，r是衍射斑点到衍射图样中心的距离d是衍射斑点的晶面间距。实际应用中用基准物（如单质

23、铝）来标定相机常数，分析未知样品时，只要测的r，就可以得到相应衍射斑点的d。16.6 当电子轰击固体样品时，可以产生多种次级射线。扫描电子显微镜（SEM）和电子探针（EPMA）主要利用哪三种射线对材料进行分析？答：SEM主要利用二次电子、背散射电子和X射线荧光。EPMA是利用元素的特征X射线进行成像。（详见P346-347）16.7 SEM和EPMA的主要区别是什么？答：（详见P346-347） 电子探针是专门用于对材料烦人微区进行元素分析的仪器； 电子探针用于元素定量和定性分析部件的灵敏度和精确度更高，定量分析的误差小； 电子探针在元素分析方面有特殊功能，如元素二维面分布图和元素一维分布曲线

24、； SEM是利用二次电子，背散射电子呈像，而EPMA是用元素的特征X射线进行成像。其中二次电子像用来观察材料的晶粒形状、大小和表面细节等，背散射电子像常被用来分析复相材料或坚定材料中的杂志物相。16.8 EPMA 中材料的线分析图和元素分布图是利用哪种次级射线得到的？答：元素的特征X射线16.9 透射电子显微镜(TEM）主要有哪几种功能？答：P349 放大，衍射和元素分析的功能。16.10 能够直接观察到原子的显微镜是哪种？它的英文缩写是什么？答：P351 扫描隧道显微镜，英文缩写是STM16.11 EXAFS的中文名称是什么？为什么说它在玻璃材料研究中特别重要？答：P355EXAFS中文名称

25、为扩展的X射线吸收精细结构。EXAFS是一种测定局域结构的技术，该技术对晶态和非晶态材料同样适用。玻璃材料属于非晶态材料，这类材料的结构很难用其他方法进行研究，而EXAFS可以测定非晶态材料径向分布函数（该函数表示找到一个原子的概率与距中心原子距离的函数），从而测定其结构，因此其尤为重要。EXAFS最大的优点是可以获得每一种元素的RDF，而常规的X射线衍射技术给出的是材料中所有元素的平均RDF。16.12 理解电子顺磁共振谱的工作原理及特点。答：详见P353电子顺磁共振谱也称电子自旋共振谱，是研究材料中未成对电子状态的有效手段。这一技术可以特别帮我们测定：1) 顺磁中心的价态、电子组态和配位数

26、；2) 过度金属离子基态d轨道和所发生的结构畸变，例如由Jahn-Teller效应引起的畸变；3) 顺磁离子与周围负离子或配体间键的共价性程度其工作原理如下： 电子是具有一定质量和带负电荷的一种基本粒子，它能进行两种运动；一种是在围绕原子核的轨道上运动，另一种是对通过其中心的轴所作的自旋。由于电子的运动产生力矩，在运动中产生电流和磁矩。在外加恒磁场H中，电子磁矩的作用如同细小的磁棒或磁针，由于电子的自旋量子数为1/2，故电子在外磁场中只有两种取向：一与H平行，对应于低能级，能量为-1/2gH；一与H逆平行，对应于高能级，能量为+1/2gH，两能级之间的能量差为gH。若在垂直于H的方向，加上频率

27、为v的电磁波使恰能满足hv=gH这一条件时，低能级的电子即吸收电磁波能量而跃迁到高能级，此即所谓电子顺磁共振。在上述产生电子顺磁共振的基本条件中，h为普朗克常数，g为波谱分裂因子（简称g因子或g值），为电子磁矩的自然单位，称玻尔磁子。以自由电子的g值=2.00232，=9.271010-21尔格/高斯，h=6.6262010-27尔格秒，代入上式，可得电磁波频率与共振磁场之间的关系式：（兆赫）=2.8025H（高斯 16.13 理解交流阻抗技术的基本原理。答：交流阻抗也叫做电化学阻抗谱 ，是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号的电化学测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避

28、免对体系产生大的影响，另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学处理变得简单。交流阻抗法就是以不同频率的小幅值正弦波扰动信号作用于电极系统，由电极系统的响应与扰动信号之间的关系得到的电极阻抗，推测电极的等效电路，进而可以分析电极系统所包含的动力学过程及其机理，由等效电路中有关元件的参数值估算电极系统的动力学参数，如电极双电层电容，电荷转移过程的反应电阻，扩散传质过程参数等。一个电极体系在小幅度的扰动信号作用下，各种动力学过程的响应与扰动信号之间呈线形关系，可以把每个动力学过程用电学上的一个线性元件或几个线性元件的组合来表示。如电荷转移过程可以用一个电阻来表示，双电层充放电过程用一个电容的充放电过程来表示。这样就把电化学动力学过程用一个等效电路来描述，通过对电极系统的扰动响应求得等效电路各元件的数值，从而推断电极体系的反应机理。同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法，它以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，因而能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。 （摘自百度百科）16.14 利用Hall效应可以获得材料的哪些参数？答：P361 通过关系式计算得到Hall系数，进一步得到载流子浓度n和迁移率。