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华中科技大学材料科学与工程学院分析测试中心陶景光教授CH1绪论：现代分析——物质科学与信息科学的结合1-1物质信息的表征和分析科学1-1-1信息时代的物质科学1.人文科学与物质科学2.世界五要素,文明三支柱3.物质与信息的属性:时空性、可比性、相关性1-1-2物质信息的层次及其相关性1.微观与宏观2.表观量与本征量3.层次及其相关性1-2-3分析测试的发展、意义和特点1.分析测试的发展三次变革2.分析测试的意义和地位3.课程特点和学习要求人文科学与物质科学科学素质理性的认知:唯物-表征(What)分析的方法:层次-机制(How)辩证的思维:相关-机理(Why)金三角的罌粟花欧洲中心的原子塔(1958布鲁塞尔世博会)铁分子体心结构时间空间能量物质信息物质科学物质信息与物质科学理/化/--材料科学植/动物--生物/医学天/地/--环境科学世界五大要素:时,空,能,物,信文明三大支柱:材料,能源,信息材料科学与物理、化学、生物、环境(天和地)学科→分子科学或物质科学1-1-1信息时代的物质科学1．物质与信息的基本属性物质的排它性,有限性,时/空依赖性,质/能相关性,不生不灭,永恒运动信息零质量,可压缩,可增殖2．物质与信息的类比性:熵(紊乱程度的测度)物质熵只增不减(有序→无序);信息熵只减不增(无序→有序)任何变化过程以熵变(ΔS)最小途径3．物质信息的整合与分析学科的对象人类社会:石器时代→青铜器时代→铁器时代→电子时代独立学科：金属→冶金学；陶瓷→无机化学；聚合物→有机化学物质表征→金相学,岩相学,分析化学…结构:按分子结合键(金属键、离子键、共价键等)分类；金属、非金属、聚合物应用:按分子的多子行为和少子行为分为结构材料和功能材料。1-1-2物质信息的表征层次1.分析认知的层次：宏观与微观微观是宏观的根源和本质;宏观是各层次微观的体现表征(What)机制(How)机理(Why)2.微观结构层次：宏观介观亚微观微观…mcmmmμmnmÅ---分子原子核…3.宏观性能层次：表观量与本征量表现(Behavior)功能(Performance)性质(Property)例:V/I→电阻Ω→电阻率ρ→α…(各类外因系数)→内在表征→晶粒度及形态→晶体排列→化学元素及其组成物质结构信息的分析层次1化学组成：单质、化合物、混合物元素、价态、组态——电子、原子、分子层次的排布2晶体结构（物相——化学组元的排布）单晶,多晶,非晶,准晶—原子/分子团化学组元层次3组织形态（貌相——可视的物理和几何组元的排布）单相、多相、--体（-ite)、畴——可视微区例:钢中:珠光体(Pearlite)索氏体(Sorbite)屈(托)氏体(Troostite)多子行为:力学/机械性能工程材料少子行为:物理/化学性能功能材料波/粒化学组成ChemicalComposition----Spectrum晶体结构CrystalStructure-----Pattern组织形态OrganizationTopography-----Image宏观性能谱/图综合应用物质分析层次与分析科学宏观性宏观性能=f(化学组元,物相结构,貌相组织)材料信息与材料科学(相关性)1-1-3分析测试科学的发展及意义1.分析技术的三次变革经验/技艺》分析化学、金相学、岩相学、…》化学仪器分析、X射线衍射学、电子显微学、…》综合复杂信息智能化2.现代分析的作用和地位）A.科学发现的眼睛、知识创新的源泉：如Nobe奖发现和发明B.科学研究的工具、评估事物的判据：如产品开发、商品检验、事故诊断,刑侦破案、物证鉴定等C.科学研究的内容和方法：问题的层次、论文的水平3.现代分析方法特点和课程要求原理抽象，仪器复杂，技术综合懂原理，知过程/拟方案，释结果教学与教材体系CH1绪论CH2波/粒CH3化学组成频谱分析ChemicalComposition----SpectrumCH4晶体结构衍射分析CrystalStructure-----PatternCH5组织形态显微分析和微束分析OrganizationTopograph-----ImageCH6谱/图CH7综合应用分析测试应用实例(1)鉴别真、仿/假钻石；(2)砂金中含金量测定；(3)K金首饰的无损检测；(4)炉前冶金元素快速配料成分定量分析；(5)矿泉水真伪；矿化物含量；(6)检验人是否重金属（如铅）中毒；(7)区分金属表面氧化腐蚀产物，如FeO、Fe2O3和Ｆe3O4(8)剖析某焊条焊剂配方；(9)检验枪手弹药残留物；(10)测定超导材料及其中稀土杂质量；(11)追寻失效工件夹杂物成分；(12)某薄膜（样品）中极小弥散颗粒的物相；(13)镍-铬合金钢回火脆断原因（如晶界上是否有微量元素锑的偏聚）；(14)判断塑料牌号；(15)推断有机化合物之结构；(16)考察古物的年代(17)剖析国外某产品配方与工艺(18)分析飞机失事原因(19)环境保护中未知污染物(20)改进某产品配方与工艺以提高性能和降低成本1-2仪器分析方法与分析仪器1-2-1获取物质信息的方法与途径思想方法:系统型黑箱法,并行型相关法,串行型剥离法实验手段:借光与投石仪器组成与命名:激发源--检测对象信息--分析方法如X射线-光电子-能谱仪1-2-2分析仪器的分类方法按激发源，按相互作用，按主要用途1-2-3典型仪器特点与信息处理方法光谱仪衍射仪显微镜现代分析测试方法__三类激发三类信息1．特征波/能量-强度的波/能频谱:化学信息谱(Spectrum)2.衍射空间~强度的花样频谱物相频谱信息-(Pattern)3．实空间位置~衬度的图像貌相信息-(Image)激发源样品室分析器材检测器器信息处理信息显示显电源与辅助系统计算机测控系统现代分析仪器基本结构框图波/粒/宏观激发1-3分析仪器的结构、技术参量与开发1-3-1分析仪器结构框图与主要构成信息激发源、信息分析器、信息表达器1-3-2分析仪器的基本技术指标感度(检出限)与精度(精确度与精密度)分辨率(空间或频域)与放大率稳定性(静态)与响应性(动态)1-3-3测试仪器与技术的开发开发模式、思路、步骤仪器的精确度与精密度(重现性)高精度高重现性低精度低重现性低精度高重现性较高精度低重现性