催化实验方法课件第四章

第四章

近代实验技术概述第四章

近代实验技术概述11.近代实验技术特点用微观粒子(光子,电子,质子,中子----等)作为探针与物质相互作用.产生各种微观粒子的信息.并对此信息进行分析.获得物质结构,组成等特性.1.近代实验技术特点用微观粒子(光子,电子,2可归结为微观粒子的输入(种类,数量,空间位置,能量大小和分布)和输出.粒子与物质相互作用.粒子的特性及其所提供的信息与物质结构,组成等关系可归结为微观粒子的输入(种类,数量,空间32.微观粒子的特性(1)粒子性和波动性★光子的粒子性:(Einstein学说)2.微观粒子的特性(1)粒子性和波动性★光子的粒子性:(E4Einstein学说光子的能量是量子化的,每一频率的光能量有最小单位,称光量子光子有质量,但光子的静止质量等于零由Einstein方程:Einstein学说光子的能量是量子化的,每一频率的光能光子5★实物粒子的波动性:(德布罗意关系式)★实物粒子的波动性:(德布罗意关系式)6(2)微观粒子的运动方程Schrodinger方程(2)微观粒子的运动方程Schrodinger方程7对于一个质量等于m.在势能等於V的势场中运动的微粒来说.就有一个与这微粒运动的稳定态相联系的波函数,这个波函数服从薛定锷稳态方程.这一方程的每一个合理解就表示微粒运动的某一稳定状态.与这个解相应的常数E,是微粒在这一稳定态的能量.对于一个质量等于m.在势能等83.物质微观结构及其描述求解薛定锷稳态方程得到要描述一个原子中某个电子状态需要四个量子数:3.物质微观结构及其描述求解薛定锷稳态方程得到要描述一个9n=1(k),2(L),3(M)··············称主量子数(能量)L=0(S),1(P),2(d),3(f)········角量子数(角动量)m=0,±1,±2,··················±L.(磁量子数)ms=,-···················自旋量子数↑↓★在近代实验技术中引进新量子数j(内量子数)n=1(k),2(L),3(M)··············10求解薛定锷方程在多电子体系中某个电子的能量:求解薛定锷方程在多电子体系11电子能级排布原则:★对相同L,n不同.则n↑越大,离开原子核远,屏蔽效应大E↑高★对n相同,L不同.L↓愈小,电子离核近

E↓下降.★对不相同的n,L.根椐经验规则(n+0.7L)确定

如:4S:n+o.7L=4,3d:n+o.7L=4.4.∵4S＜3d电子能级排布原则:★对相同L,n不同.则n↑越大,离开原子核12固体能带理论许多原子组成固体时,原子的电子轨道发生重迭,相应的一组原子能级展宽成能带如:3S能级展成3S能带.2P能级展成2P能带.而相邻原子的外层电子轨道重迭得多.内层电子轨道重迭得少.因此最外层的价电子能带较宽.两个能带之间存在间隔,其中没有能级,不能填充电子.这个区域称禁带.就形成满带,禁带,导带三个区域.固体能带理论许多原子组成固体时,原子的电子轨道发生134.微观粒子与物质相互作用(1)电子与物质相互作用No.1散射电子与物质相互作用后方向和能量改变称散射.若只有方向改变无能量改变则称弹性散射,能量也变称非弹性散射4.微观粒子与物质相互作用(1)电子与物质相互作用No.114★原子核对电子的弹性散射.

RBS谱仪.★原子核对电子非弹性散射.★核外电子对入射电子非弹性散射.特徵X射线电子探针(EPMA)俄歇电子发射俄歇电子能谱(AES).★原子核对电子的弹性散射.

15No.2阴极发光在入射电子作用下,发射可见光.发光波长由杂质产生的局部化能级确定与杂质原子和主体物质有关.电子激发萤光分析.(CathodoluminecenecenceSpec.)No.2阴极发光在入射电子作用下,发射可16No.3电子云集体震荡原子在晶体内的分布是长程有序的,价电子变成公有电子,构成电子云,浸散在整个晶体空间内.正离子基本上处于晶体点阵内的固定位置上.可以看成是带正电的原子实和价电子云组成,类似等离子体.当电子(E0)穿过该晶体时,会产生电子云集体振荡.特徵能量损失谱(ELS).No.3电子云集体震荡原子在晶体内的分布是17(2)光子与物质相互作用No.1光子的吸收与发射原子吸收光谱与发射光谱.紫外及可见吸收光谱(指分子的外层电子或价电子跃迁所得光谱).IR.(2)光子与物质相互作用No.1光子的吸收与发射18No.2光子的散射弹性散射(瑞利散射)非弹性散射:光子与物质分子相互作用,结果是光子把一部分能量给分子或者从分子获得一部分能量.光子的能量就会减少或增加.这种散射称Raman散射.拉曼光谱No.2光子的散射弹性散射(瑞利散射)非弹性散射:光子与物质19若入射光子能量与分子相互作用有二种情况:★分子在基态(E0)作用后跃到激发态(E1)散射光频率:★分子在激发态相互作用后回到基态散射光频率:称反斯托克斯线若入射光子能量与分子相互作用有二种情况:★分子在基态(E0)20No.3光电效应光子与分子中内层电子作用,把能量给了电子,电子被激发出来.光电子能谱(ESCA).No.3光电效应光子与分子中内层电子21No.4X射线荧光现象X射线作用於物质会发射出各种颜色及不同强度的可见光,仃止照射光也随之消失.这就称作X光荧光现象.荧光波长与被激发元素的原子序数关系.No.4X射线荧光现象X射线作用於物质会发射出22由莫斯莱(Mosley)定律表示:X光荧光分析No.5光解吸附现象由莫斯莱(Mosley)定律表示:X光荧光分析No.5光解23(3)离子与物质相互作用No.1离子散射谱(离子输入和输出)ISS

IonScatteringSpectroscopy入射离子能量为E0.质量为M1.与样品上质量为M2原子作用后通过角散射后剩下能量E1.(3)离子与物质相互作用No.1离子散射谱(离子输入和输出)24若则可导出公式:M2若则可导出公式:M225No.2二次离子质谱(SIMS)

SecondaryIonMassSpectrocorpy一个高能离子撞击到靶(样品)上,可受到表面原子背散射,也可进入固体.并通过一系列弹性和非弹性双体碰撞而把其能量消耗在晶格原子上.当表面或接近表面被作用原子获得足够的能量就会离开固体产生溅射.用质谱分析飞出来的离子.SIMS.No.2二次离子质谱(SIMS)

Seco26No.3离子激发特徵X分析(IMXA或IMA)

Ion-excitionx-rayanalysisIonmicroprobeanalyzer离子输入光子输出No.3离子激发特徵X分析(IMXA或IMA)

27No.4离子中和谱(INS)IonNeutralizationspectroscopy离子输入电子输出用低能离子来探测表面.当离子接近表面时被中和,中和的能量传递给表面上一个电子并使该电子以足够能量发射出去.分析发射电子能量.可得到被测电子特性的信息.No.4离子中和谱(INS)离子输入电子输出用28No.5离子激发俄歇电子谱(IEAES)

Ion-excitedAugerelectronspectroscopyNo.5离子激发俄歇电子谱(IEAES)29(4)中性粒子输入中子衍射、分子束技术等中性粒子加速困难,能量低,对表面不易损伤.(4)中性粒子输入中子衍射、分子束技术等中性粒子加速困难,能30电场和磁场与物质的相互作用5.场的输入电场和磁场与物质的相互作用5.场的输入31No.1核磁共振(N.M.R.)Nuclearmagniticresonance原子核有自旋现象(具有角动量)由于它是带正电荷粒子,自旋会产生磁埸.形成小磁体称磁偶极子,具有磁偶极矩简称磁矩.核磁矩在磁埸作用下将原简并的能级分裂开为2I+1不同的能量状态(核磁能级)称塞曼效应(Zeemaneffect).当外加的电磁波能量正好和两个核能差△E相同时,低能级的核就会吸收电磁波,跃迁到高能级产生核磁共振.No.1核磁共振(N.M.R.)原子核有自旋现32核磁共振波谱主要提供三方面与分子结构有关信息:☆.吸收峰频率(化学位移)☆.峰的裂分及偶合常数☆各峰相对面积核磁共振波谱主要提供三方面与☆.吸收峰频率(化学位移)☆.峰33峰的裂分及偶合常数同一分子中,核自旋与核自旋间相互作用的现象称自旋-自旋偶合.它会产生谱线裂分的现象称自旋-自旋裂分.偶合产生的谱线间距称偶合常数单位HZ.偶合常数是核自旋裂分强度,它只与化合物分子结构有关.峰的裂分及偶合常数同一分子中,核自旋与核自旋间相互34各峰相对面积峰的面积与相应的各种质子数目成正比.对峰面积进行比较能决定各质子相对数目.各峰相对面积峰的面积与相应的各种质子35No.2电子顺磁(自旋)共振.EP(S)R.

Electronparamagnetic(spin)resonance顺磁性物质:若分子含有奇数个电子在成键时必有一个电子是未成对电子.这种分子所组成的物质称顺磁性物质.这种物质有净的电子自旋和相应的磁矩.它不处在外磁埸中时,所有的电子不论其取向如何都具有相同的能量.若在一个均匀的磁埸中.电子磁矩与外磁埸相互作用,能量分裂为不同能级.若加入一定频率的电磁波符合电子能级跃迁共振吸收条件就可获得EPR谱.No.2电子顺磁(自旋)共振.EP(S)R.

E36EPR可研究的对象:★自由基:若分子中含有一个未成对电子,这样的分子称为自由基★三态分子:若分子中含有两个未成对电子,它们之间相互作用很强,这种分子称为三态分子★在原子轨道中出现末成对电子的物质.如:大多数过渡金属离子和稀土离子★天然或人为的晶格缺陷或局部的晶体不完整性,形成具有未成对电子物质,以及具有自由电子的金属和半导体等EPR可研究的对象:★自由基:若分子中含有一个未成对电子,★376.外延X射线吸收光谱精细结构(EXAFS)分析

ExtendedX-rayAbsorptionFineStructure当X射线与物质相互作用时,被物质吸收,原子内层电子吸收X光子后,引起电子跃迁.而发射光量子,并以球面波形式向外发射,在碰到周围其它配位原子时,被散射回来.在吸收原子处与向外发射的球面波相迂,而发生干涉现象.可能加强,也可能减弱.使吸收系数发生起伏变化,产生吸收边谱,它反映物质精细结构.被称为外延X射线吸收精细结构谱.6.外延X射线吸收光谱精细结构(EXAFS)分析38

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近代实验技术概述391.近代实验技术特点用微观粒子(光子,电子,质子,中子----等)作为探针与物质相互作用.产生各种微观粒子的信息.并对此信息进行分析.获得物质结构,组成等特性.1.近代实验技术特点用微观粒子(光子,电子,40可归结为微观粒子的输入(种类,数量,空间位置,能量大小和分布)和输出.粒子与物质相互作用.粒子的特性及其所提供的信息与物质结构,组成等关系可归结为微观粒子的输入(种类,数量,空间412.微观粒子的特性(1)粒子性和波动性★光子的粒子性:(Einstein学说)2.微观粒子的特性(1)粒子性和波动性★光子的粒子性:(E42Einstein学说光子的能量是量子化的,每一频率的光能量有最小单位,称光量子光子有质量,但光子的静止质量等于零由Einstein方程:Einstein学说光子的能量是量子化的,每一频率的光能光子43★实物粒子的波动性:(德布罗意关系式)★实物粒子的波动性:(德布罗意关系式)44(2)微观粒子的运动方程Schrodinger方程(2)微观粒子的运动方程Schrodinger方程45对于一个质量等于m.在势能等於V的势场中运动的微粒来说.就有一个与这微粒运动的稳定态相联系的波函数,这个波函数服从薛定锷稳态方程.这一方程的每一个合理解就表示微粒运动的某一稳定状态.与这个解相应的常数E,是微粒在这一稳定态的能量.对于一个质量等于m.在势能等463.物质微观结构及其描述求解薛定锷稳态方程得到要描述一个原子中某个电子状态需要四个量子数:3.物质微观结构及其描述求解薛定锷稳态方程得到要描述一个47n=1(k),2(L),3(M)··············称主量子数(能量)L=0(S),1(P),2(d),3(f)········角量子数(角动量)m=0,±1,±2,··················±L.(磁量子数)ms=,-···················自旋量子数↑↓★在近代实验技术中引进新量子数j(内量子数)n=1(k),2(L),3(M)··············48求解薛定锷方程在多电子体系中某个电子的能量:求解薛定锷方程在多电子体系49电子能级排布原则:★对相同L,n不同.则n↑越大,离开原子核远,屏蔽效应大E↑高★对n相同,L不同.L↓愈小,电子离核近

E↓下降.★对不相同的n,L.根椐经验规则(n+0.7L)确定

如:4S:n+o.7L=4,3d:n+o.7L=4.4.∵4S＜3d电子能级排布原则:★对相同L,n不同.则n↑越大,离开原子核50固体能带理论许多原子组成固体时,原子的电子轨道发生重迭,相应的一组原子能级展宽成能带如:3S能级展成3S能带.2P能级展成2P能带.而相邻原子的外层电子轨道重迭得多.内层电子轨道重迭得少.因此最外层的价电子能带较宽.两个能带之间存在间隔,其中没有能级,不能填充电子.这个区域称禁带.就形成满带,禁带,导带三个区域.固体能带理论许多原子组成固体时,原子的电子轨道发生514.微观粒子与物质相互作用(1)电子与物质相互作用No.1散射电子与物质相互作用后方向和能量改变称散射.若只有方向改变无能量改变则称弹性散射,能量也变称非弹性散射4.微观粒子与物质相互作用(1)电子与物质相互作用No.152★原子核对电子的弹性散射.

RBS谱仪.★原子核对电子非弹性散射.★核外电子对入射电子非弹性散射.特徵X射线电子探针(EPMA)俄歇电子发射俄歇电子能谱(AES).★原子核对电子的弹性散射.

53No.2阴极发光在入射电子作用下,发射可见光.发光波长由杂质产生的局部化能级确定与杂质原子和主体物质有关.电子激发萤光分析.(CathodoluminecenecenceSpec.)No.2阴极发光在入射电子作用下,发射可54No.3电子云集体震荡原子在晶体内的分布是长程有序的,价电子变成公有电子,构成电子云,浸散在整个晶体空间内.正离子基本上处于晶体点阵内的固定位置上.可以看成是带正电的原子实和价电子云组成,类似等离子体.当电子(E0)穿过该晶体时,会产生电子云集体振荡.特徵能量损失谱(ELS).No.3电子云集体震荡原子在晶体内的分布是55(2)光子与物质相互作用No.1光子的吸收与发射原子吸收光谱与发射光谱.紫外及可见吸收光谱(指分子的外层电子或价电子跃迁所得光谱).IR.(2)光子与物质相互作用No.1光子的吸收与发射56No.2光子的散射弹性散射(瑞利散射)非弹性散射:光子与物质分子相互作用,结果是光子把一部分能量给分子或者从分子获得一部分能量.光子的能量就会减少或增加.这种散射称Raman散射.拉曼光谱No.2光子的散射弹性散射(瑞利散射)非弹性散射:光子与物质57若入射光子能量与分子相互作用有二种情况:★分子在基态(E0)作用后跃到激发态(E1)散射光频率:★分子在激发态相互作用后回到基态散射光频率:称反斯托克斯线若入射光子能量与分子相互作用有二种情况:★分子在基态(E0)58No.3光电效应光子与分子中内层电子作用,把能量给了电子,电子被激发出来.光电子能谱(ESCA).No.3光电效应光子与分子中内层电子59No.4X射线荧光现象X射线作用於物质会发射出各种颜色及不同强度的可见光,仃止照射光也随之消失.这就称作X光荧光现象.荧光波长与被激发元素的原子序数关系.No.4X射线荧光现象X射线作用於物质会发射出60由莫斯莱(Mosley)定律表示:X光荧光分析No.5光解吸附现象由莫斯莱(Mosley)定律表示:X光荧光分析No.5光解61(3)离子与物质相互作用No.1离子散射谱(离子输入和输出)ISS

IonScatteringSpectroscopy入射离子能量为E0.质量为M1.与样品上质量为M2原子作用后通过角散射后剩下能量E1.(3)离子与物质相互作用No.1离子散射谱(离子输入和输出)62若则可导出公式:M2若则可导出公式:M263No.2二次离子质谱(SIMS)

SecondaryIonMassSpectrocorpy一个高能离子撞击到靶(样品)上,可受到表面原子背散射,也可进入固体.并通过一系列弹性和非弹性双体碰撞而把其能量消耗在晶格原子上.当表面或接近表面被作用原子获得足够的能量就会离开固体产生溅射.用质谱分析飞出来的离子.SIMS.No.2二次离子质谱(SIMS)

Seco64No.3离子激发特徵X分析(IMXA或IMA)

Ion-excitionx-rayanalysisIonmicroprobeanalyzer离子输入光子输出No.3离子激发特徵X分析(IMXA或IMA)

65No.4离子中和谱(INS)IonNeutralizationspectroscopy离子输入电子输出用低能离子来探测表面.当离子接近表面时被中和,中和的能量传递给表面上一个电子并使该电子以足够能量发射出去.分析发射电子能量.可得到被测电子特性的信息.No.4离子中和谱(INS)离子输入电子输出用66No.5离子激发俄歇电子谱(IEAES)

Ion-excitedAugerelectronspectroscopyNo.5离子激发俄歇电子谱(IEAES)67(4)中性粒子输入中子衍射、分子束技术等中性粒子加速困难,能量低,对表面不易损伤.(4)中性粒子输入中子衍射、分子束技术等中性粒子加速困难,能68电场和磁场与物质的相互作用5.场的输入电场和磁场与物质的相互作用5.场的输入69No.1核磁共振(N.M.R.)Nuclearmagniticresonance原子核有自旋现象(具有角动量)由于它是带正电荷粒子,自旋会产生磁埸.形成小磁体称磁偶极子,具有磁偶极矩简称磁矩.核磁矩在磁埸作用下将原简并的能级分裂开为2I+1不同的能量状态(核磁能级)称塞曼效应(Zeemaneffect).当外加的电磁波能量正好和两个核能差△E相同时,低能级的核就会吸收电磁波,跃迁到高能级产生核磁共振.No.1核磁共振(N.M.R.)原子核有自旋现70核磁共振波谱主要提供三方面与分子结构有关信息:☆.吸收峰频率(化学位移)☆.峰的裂分及偶合常数☆各峰相对面积核磁