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第一章 绪论1

第一节 结构分析的意义1

第二节 结构分析的内容1

一、聚集态结构1

1.物相结构2

2.显微结构2

3.空间分布2

二、分子与晶体结构2

1.基团和模块结构2

2.分子与晶体结构3

3.构型与构象3

三、电子结构3

第三节 结构分析的方法4

一、波与物质的相互作用4

二、射频波、微波与物质的相互作用4

三、红外、可见、紫外光与物质的相互作用5

四、X射线与物质的相互作用5

1.X射线照射到物质上产生的一些现象5

2.现象的解释及可能的应用5

五、电子与物质的相互作用7

参考文献8

第二章 核储共振波谱9

第一节 核磁共振中的一些基本知识9

一、基础知识9

二、脉冲Fourier变换核磁共振（PFT NMR）的基本原理12

三、磁化强度在磁场里的运动（章动和旋进）15

四、磁化矢量在磁场里的运动方程——BlOCh方程15

五、核磁共振谱仪17

第二节 简单积算符18

一、预备知识18

二、简单积算符20

第三节 自旋回波24

第四节 1H 与13C的耦合及极化转移28

一、13C-1H 耦会及去耦28

二、两个重要的极化转移实验：INEPT与DEPT及谱编辑实验30

1.基本的INEPT实验30

2.重聚 INEPT33

3.DEPT实验33

第五节 弛豫34

一、概论34

二、两种弛豫35

三、不同弛豫机制的区别37

第六节 二维核磁共振38

一、概述38

二、常用的同核二维实验（COSY，DQF－COSY，TOCSY，NOESY， 2D-INADEQUATE）40

三、异核二维谱实验（HETCORR，HMQC，HMBC，HSQC）45

第七节 固体核磁共振51

一、预备知识51

二、固体宽谱52

三、固体高分辨NMR56

四、四极核的固体高分辨NMR63

第八节 脉冲梯度场66

一、有关梯度场实验中的一些基本概念66

二、用梯度场来测定自扩散系数67

三、梯度场在二维核磁共振实验中的应用69

第九节 核磁共振新进展71

一、核磁共振成像——NMR Imaging（MRI）71

二、多维（即三维和四维）核磁共振技术72

三、MASJ－HMQC实验73

四、二维扩散排序谱（DOSY）74

五、最新进展的 TROSY（transverse relaxation optimized spectroscopy）实验75

第十节 实验76

概述76

实验一 液体高分辨率1H NMR谱79

实验二 液体高分辨率 13C NMR谱及去耦80

实验三 固体高分辨 13C CP／MAS实验步骤81

实验四 弛豫时间 T1 的测定82

参考文献83

第三章 电子顺磁共振波谱法85

第一节 引言85

一、EPR的发展85

二、EPR的研究对象86

第二节 基本原理87

一、物质的磁性87

二、磁场和磁矩87

三、电子自旋磁矩88

四、共振条件89

五、线宽、线型和驰豫89

1.线宽89

2.自旋弛豫90

3.线型91

六、g因子93

1.g因子概念93

2.g因子的测定94

七、超精细结构95

1.超精细相互作用95

2.超精细谱线97

八、自旋浓度100

第三节 仪器和方法101

一、微波系统101

1.微波及其特点101

2.微波器件102

二、磁铁系统104

1.电磁铁105

2.磁场的选择105

3.磁场的技术要求105

4.磁铁电源106

5.磁场测量107

三、谐振腔107

四、场调制和信号检测系统109

五、波谱仪的主要技术指标109

1.灵敏度109

2.分辨率109

3.稳定性109

六、实验技术109

1.样品制备110

2.仪器J作参数的选择111

第四节 应用113

一、稳定性顺磁物质的直接检测114

1.有机自由基的研究114

2.催化剂的研究116

二、自旋捕获法——高活性自由基的检测118

1.原理和方法118

2.自旋捕获技术的应用118

3.其他方法120

三、自旋标记法和自旋探针法——逆磁性物质的EPR研究120

1.自旋标记法120

2.自旋探针法121

第五节 EPR进展124

一、电子一核双共振125

二、电子一电子双共振128

三、电子一核一核三共振129

四、时间域电子顺磁共振131

第六节 实验133

实验一 EPR波谱仪的工作参数选择及其性能检测133

实验二 EPR波谱参数的测量137

实验三 Fremy盐EPR谱的检测及理论模拟139

参考文献142

第四章 红外吸收光谱145

第一节 红外吸收光谱的发展145

第二节 红外吸收光谱的基本原理146

一、红外吸收光谱的形成及红外区的分类146

二、双原子分子的转动光谱（AB型）147

三、双原子分子的振动光谱149

四、多原子分子的振动-转动光谱150

1.简正振动的数目150

2.多原子分子的振动- 转动光谱151

五、红外吸收光谱获得的条件152

第三节 红外光谱仪器153

一、双光束红外分光光度计（色散型）153

二、Fourier变换红外光谱仪154

1.Fourler变换红外光谱仪的构成154

2.工作原理154

3.Fourier变换红外光谱的数学表达式155

4.Fourier变换红外光谱仪的主要优缺点156

第四节 红外吸收光谱的应用157

一、红外吸收光谱与分子结构的关系157

1.分子振动的分类157

2.各官能团的吸收频率158

3.影响基团频率变动的几个因素161

二、红外光谱的定性分析165

1.红外定性分析的优点165

2.谱图的测绘166

3.谱图解析166

三、红外光谱的特殊附件及应用170

1.反射技术及应用170

2.光声光谱PAS及应用174

3.催化剂吸附态的原位红外光谱测绘技术及应用176

四、红外光谱的定量分析178

1.定量分析原理178

2.定量分析方法的介绍178

第五节 Fourier变换红外光谱新技术与新发展180

一、Fourier变换红外光谱联用技术180

1.气相色谱与红外光谱联用（GC／IR）180

2.超临界流体色谱与红外光谱联用（SFC／IR）182

3.高效液相色谱与红外光谱联用（ LC／IR）183

二、显微红外光谱法184

1.红外显微镜原理和仪器结构184

2.显微红外的应用举例184

三、Fourier变换红外光谱的光纤技术186

l.光纤与FTIR光谱联用的优点186

2.红外光导纤维举例186

四、同步辐射红外光源的应用188

第六节 实验190

实验一 FTIR光谱仪的性能检验及红外光谱的常规测试190

实验二 用红外光谱的特殊附件测定样品195

实验三 红外光谱分析未知样品196

参考文献197

第五章 拉曼光谱198

第一节 引言198

第二节 拉曼光谱原理198

一、光散射198

二、拉曼光谱的经典解释200

三、拉曼散射的选择定则201

1.经典解释201

2.量子解释205

四、拉曼散射的偏振特性206

五、分子振动的基本理论209

1.简正振动209

2.对称性的考虑213

第三节 实验仪器215

一、仪器组成215

一、激光器216

三、样品装置217

四、单色器217

五、检测和记录系统219

六、控制及数据处理系统219

七、拉曼位移的单位220

八、拉曼光谱的测量要求220

九、仪器性能220

第四节 应用示例221

一、在有机化学中的应用221

二、在无机化学中的应用223

三、在分析化学中的应用223

四、表面增强拉曼光谱224

五、拉曼光谱在高分子材料中的应用225

六、拉曼光谱在生物学中的应用226

七、拉曼光谱在物理学中的应用和研究228

1.半导体228

2.超晶格与薄膜类材料228

第五节 拉曼光谱的技术进展230

第六节 实验233

实验一 斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱测量233

实验二 CCl4拉曼散射的偏振特性测量234

实验三 拉曼光谱测定同位素234

参考文献235

第六章 有机质谱236

第一节 方法原理236

第二节 实验仪器237

一、离子源237

二、质量分析器239

三、检测器240

四、真空系统240

五、计算机控制和数据处理系统241

六、主要技术指标241

七、联用技术242

第三节 谱图解析244

一、用质谱数据导出化合物的分子式244

二、有机质谱的碎裂机制245

三、影响质谱碎裂反应的因素247

四、常见各类有机化合物的质谱规律248

1.碳氢化合物248

2.醇类249

3.醚250

4.醛和酮251

5.羧酸和酯253

6.胺类化合物254

7.酰胺255

8.腈类255

9.硝基化合物255

10.硫化物（硫醇和硫醚）256

11.卤代物256

第四节 应用举例257

第五节 有机质谱新进展260

第六节 实验262

实验一 质谱仪器的检定262

实验二 芳香胺的芳香醛衍生物的化学电离质谱（CI）测定263

实验三 废水中半挥发性有机污染物的气相色谱-质谱分析（GC／MS定 性定量分析技术）265

参考文献267

第七章 X射线吸收精细结构光谱268

第一节 前言268

一、X射线的发现与其重要作用268

二、X射线吸收精细结构的特点268

第二节 X射线吸收光谱269

一、X射线吸收光谱与精细结构269

二、产生XAFS的物理机制271

1.低能XANES271

2.EXAFS271

3.XANES272

第三节 实验方法273

一、同步辐射XAFS装置273

二、实验室XAFS装置274

三、各种XAFS实验技术275

1.荧光法XAFS技术275

2.表面 XAFS技术275

3.时间关联XAFS技术275

4.自旋分辨XAFS技术275

5.能量色散EXAFS技术275

6.软X射线XAFS技术276

第四节 EXAFS的表达式及数据处理276

一、EXAFS的表达式276

二、EXAFS的数据分析277

1.X（k）的获得277

2.结构数据的获得279

第五节 XAFS的应用281

一、XAFS技术在催化剂结构研究中的应281

二、XAFS在表面科学中的应用286

三、XAFS技术在生命科学中的应用287

四、XAFS技术在材料科学中的应用288

第六节 XAFS的发展290

一、XAFS研究领域的扩大290

二、XAFS实验技术的发展290

1.与其他技术的结合290

2.显微XAFS293

3.在极端条件下的XAFS295

4.快速XAFS295

三、一些新的XAFS应用领域296

1.磁性材料的研究296

2.在环境科学中的应用297

3.在电化学中的应用299

第七节 实验300

实验一 EXAFS测定局域结构300

第八节 附录303

一、同步辐射的发生与特性303

1.同步辐射的发现与发展303

2.同步辐射装置304

3.同步辐射的特性306

二、常用各单色器晶面间距308

三、各元素的K边及L边吸收限波长308

参考文献309

第八章 X射线单晶衍射结构分析311

第一节 X射线单晶衍射结构分析的原理312

一、单晶结构的特点312

二、单晶X射线衍射的方向315

四、如何由X射线衍射的方向和强度抽象出结构信息320

第二节 X射线单晶衍射结构分析的实验方法320

一、倒易点阵321

二 、倒易点阵与反射球323

三、衍射数据收集方法324

1.Laue法324

2.回摆法324

3.Weissenberg照相法325

4.旋进照相法325

四、计算机自动控制的四圆单晶衍射仪的原理和结构326

第三节 利用四圆衍射仪进行单晶结构分析的一般过程328

一、单晶的挑选和安装328

二、晶胞参数和方位矩阵的测定329

三、晶系和Laue对称性的确定329

四、衍射数据的收集330

五、系统消光规律和空间群的测定331

六、强度数据的还原和校正332

七、晶体结构的解释332

1. Patterson法333

2.直接法334

八、结构的修正和发展344

九、结构的表达和计算347

第四节 单晶结构分析的测定实例348

一、以Patterson函数解晶体结构的实例349

二、直接法解结构的实例349

三、绝对构型的测定351

第五节 单晶结构分析技术的发展352

一、同步辐射X射线单晶衍射技术353

二、影像板及面探测器354

三、结构生物学的发展357

四、蛋白质晶体结构的解析358

第六节 实验358

实验一 晶胞参数的测定和衍射数据的收集358

实验二 衍射数据的校正还原和结构的解析360

实验三 晶体结构的精修、发展和表达363

第七节 附录364

一、系统消光规律364

二、结晶学数据库365

参考文献368

第九章 X射线多晶体衍射369

第一节 X射线多晶体衍射的基本原理369

一、晶体结构周期性的面间距表示法369

二、多晶体衍射的倒易点阵解释369

三、X射线多晶体衍射的基本公式370

1.多晶体衍射方向的公式370

2.多晶体衍射强度的公式370

第二节 X射线多晶体衍射的实验方法与衍射谱372

一、买验方法372

1.实验装置的基本构造372

2.X射线发生器372

3.测角器373

4.探测和记录系统374

5.控制和数据处理系统374

二、多晶体衍射谱及可提供的信息374

第三节 衍射峰位置的测量与应用374

一、衍射峰位置的测量374

1.峰顶法374

2.中点法375

3.质心法375

二、点阵常数的测定和应用375

2.点阵常数的精确测定376

3.点阵常数测定的一些应用376

三、X射线物相定性分析及其应用377

1.X射线物相定性分析原理与方法377

2.X射线粉末衍射参比谱378

3定性相分析应用举例379

第四节 衍射线强度的测量和应用382

一、衍射峰强度和测量382

二、X射线物相定量分析与应用382

1.衍射线的积分强度382

2.物相定量分析方法382

3.定量相分析法应用举例384

三、择优取向的研究与应用384

1.择优取向现象384

2.择优取向材料的衍射特点384

3.织构的反极图表示法384

4.测定织构的用处386

第五节 衍射峰形的分析与应用386

一、影响衍射峰形的各种因素386

1.仪器因素387

2.样品结构因素387

二、晶粒大小与残余应变的测定387

1.晶粒大小及残余应变与衍射峰宽的关系387

2.衍射峰形的分离388

3.测量晶粒大小与残余应变的应用391

第六节 粉末衍射的一些发展392

一、多晶体衍射全谱峰形拟合392

1.Rietveld全谱峰形拟合法393

2.Rietveld全谱峰形拟合精修结构应用举例395

3.粉末衍射从头晶体结构测定395

4.全谱峰形拟合法在粉末衍射传统领域中的应用396

二、同步辐射多晶体衍射399

1.高分辨粉末衍射400

2.时间分辨与原位研究400

3.显微衍射402

4.在极端条件下的粉末衍射与能量色散粉末衍射402

5.表面和薄膜衍射403

第七节 实验405

实验一 物相定性分析405

实验二 参考强度比法物相定量分析407

实验三 全谱拟合法测定晶粒大小与残余应力408

实验四 粉末衍射谱的指标化410

参考文献411

第十章 透射电镜与扫描电镜414

第一节 引言414

第二节 电子光学基础415

一、光学透镜415

二、电磁透镜与像差416

1.电磁透镜416

2.电磁透镜的像差416

3.电磁透镜的分辨本领418

第三节 透射电子显微镜419

一、透射电子显微镜的结构419

二、质量厚度衬度成像原理420

三、电子衍射成像原理421

四、衍射衬度成像原理424

第四节 扫描电子显微镜426

一、扫描电子显微镜的结构426

二、扫描电子显微镜的工作原理426

1.电子束与固体样品的相互作用427

2.分辨率429

3.信号检测系统430

三、扫描电子显微镜的图像衬度431

第五节 应用432

一、TEM在研究磁性金属薄膜中的应用432

二、电镜在中孔分子筛研究中的应用433

三、电子辐照导致超导材料（Bi、Pb）2 Sr2Ca2Cu3Oy 产生结构的变化434

四、磁性材料LaFe6Al7经再处理后晶型的转变435

五、增韧塑料HIPS的微观结构436

第六节 实验437

实验一 透射电镜样品的制备及电镜观察437

实验二 扫描电镜样品的制备及电镜观察437

第七节 附录438

一、透射电镜样品的制备技术438

二、扫描电镜样品的制备技术442

参考文献443