物質結構的表征方法物質結構的表征方法一、按表征任務分類材料結構的表征就其任務來說主要有三個，即成分分析、結構測定和形貌觀察。1.1化學成分分析材料的化學成分分析除了傳統的化學分析技術外，還包括質譜、紫外、可見光、紅外光譜分析，氣、液相色譜，核磁共振，電子自旋共振、X射線熒光光譜、俄歇與X射線光電子譜、二次離子質譜，電子探針、原子探針(與場、離子顯微鏡聯用)、激光探針等。在這些成分分析方法中有一些已經有很長的歷史，并且已經成為普及的常規的分析乎段。如質譜已是鑒定未知有機化合物的基本手段之一，其重要貢獻是能夠提供該化合物的分子量和元素組成的信息。色譜中特別是裂解氣相色譜(PGC)能較好顯示高分子類材料的組成特征，它和質譜、紅外光譜、薄層色譜,凝膠色譜等的聯用，大大地擴展了其使用范圍。紅外光譜在高分子材料的表征上有著特殊重要地位。紅外光譜測試不僅方法簡單，而且也由于積累了大量的已知化合物的紅外譜圖及各種基團的特征頻率等數據資料而使測試結果的解析更為方便。核磁共振譜雖然經常是作為紅外光譜的補充，但其對聚合物的構型及構象的分析，對于立構異構體的鑒定，對于共聚物的組成定性、定量及序列結構測定有著獨特的長處。許多信息是其他方法難以提供的。需要特別提及的是，近年來由于對材料的表面優化處理技術的發展，對確定表面層結構與成分的測試需求迫切。一種以X射線光電子能譜、俄歇電子能譜、低能離子散射譜儀為代表的分析系統的使用日益重要。其中X射線光電子能譜（XPS）也稱為化學分析光電子能譜（ESCA），是用單色的軟X射線轟擊樣品導致電子的逸出，通過測定逸出的光電子可以無標樣直接確定元素及元素含量。對于固體樣品，XPS可以探測2~20個原子層深度的范圍。目前已成為從生物材料、高分子材料到金屬材料的廣闊范圍內進行表向分析的不可缺少的工具之一:俄歇電子能譜（AES）是用一束匯聚電子束，照射固體后在表面附近產生了二次電子。由于俄歇電子在樣品淺層表面逸出過程中沒有能量的損耗，因此從特征能量可以確定樣品元素成分，同時能確定樣品表面的化學性質。由于電子束的高分辨率，故可以進行二維區域的微觀分析。二次離子質譜（SIMS）是采用細離子束轟擊固體樣品，它們有足夠能量使樣品產生離子化的原子或原子團，這些離子化物質就稱為二次離子。二次離子被加速后在質譜儀中根據荷質比不同分類，從而提供包含樣品表面各種官能團和各種化合物的離子質譜。二次離子質譜又分為靜態和動態二次離子質譜兩種，前者可以保證樣品表面化學的完整性，可以完成樣品外層的化學分析，而動態二次離子譜破壞樣品表面的完整性，但是可以迅速得到樣品的成分的分布和成分隨著轟擊時間(表示距樣品深度)的變化情況:在無法利用上述手段進行材料表面成分表征的情況下，可以嘗試采用紅外光譜的衰減全反射（ATR）技術進行測試。ATR技術的優點是不需要進行復雜的分離，不破壞材料的表面結構，而且制樣方法簡單易行，可以得到高質量的表面紅外譜圖，是一種對材料特別是高分子材料很實用的表面成分分析技術。1.2結構測定材料結構的測定仍以衍射方法為主。衍射方法主要有X射線衍射、電子衍射、中子衍射、穆斯堡譜、γ射線衍射等。應用最多最普遍的是X射線衍射，這一技術包括德拜粉末照相分析、高溫、常溫、低溫衍射儀、背反射和透射勞厄照相，測定單晶結構的四聯衍射儀等。在X射線衍射儀中，一束平行的波長為γ=0.05~0.2nm的X射線射到樣品上時，將被樣品中各種晶體相所衍射。衍射遵循Bragg公式，2dsinθ=γ,其中d是晶面間距。X射線的衍射強度是晶胞參數、衍射角和樣品取向度的函數。衍射圖用以確定樣品的晶體相和測量結構性質，包括應變、外延織構和晶粒的尺寸和取向。X射線也能確定非晶材料和多層膜的成分探度分布、膜的厚度和原子排列。但是X射線不能在電磁場作用下匯聚，所以要分析尺寸在微米量級的單晶晶體材料需要更強的X射線源。這種源可以通過同步輻射得到。由于電子與物質的相互作用比X射線強四個數量級，而且電子束可以匯聚得很小，所以電子衍射特別適用于測定細微晶體或材料的亞微米尺度結構，如電子衍射圖可以用來分析表面或涂層的結構，對衍射強度的分析可以確定表面原子之間的相對位置及它們相對下層原子的位置。對不同角度的衍射束的分析可以提供表面無序程度的分析。中子是組成原子核的基本成分之一，除了H原子之外。地球上所有元素的原子核都有不同數量的中子。中子衍射技術經過50年的發展，特別是20世紀70年代以后，隨著高通量核反應堆的建成及電子計算機技術的飛速發展，已經成為更加完善的結構分析手段，它與X射線衍射和電子衍射及多種能譜分析結合起來，相互補充，使材料結構研究取得了更為精確的結果。由于中子可以穿透厘米量級的厚度，測定結果的統計性要遠優于能穿透微米量級的X射線。中子衍射用途是測定材料(主要是金屬、合金材料)的缺陷、空穴、位錯、沉淀相、磁不勻性的大小和分布。此外它還可以研究生物大分子在空間的構型。在結構測定方法中，值得特別一提的是熱分析技術。熱分析技術雖然不屬于衍射法的范疇，但它是研究材料結構特別是高分子材料結構的一種重要手段。熱分析技術的基礎是當物質的物理狀態和化學狀態發生變化時〔如升華、氧化、聚合、固化、脫水、結晶、降解、熔融、晶格改變及發生化學反應)，往往伴隨著熱力學性質(如熱燴、比熱容、導熱系數等)的變化，因此可通過測定其熱力學性質的變化來了解物質物理或化學變化過程。目前熱分析已經發展成為系統的分析方法，是高分子材料研究的一種極為有用的工具，它不但能獲得結構方面的信息，而且還能測定一些物理性能。1.3形貌觀察主要是依靠顯微鏡，光學顯微鏡是在微米尺度上觀察材料的普及方法。掃描電子顯微鏡與透射電子顯微鏡則把觀察的尺度惟進到亞微米和微米以下的層次。掃描電鏡在材料的斷口形貌分析上很有用處。由于近年來掃描電鏡的分辨率的提高，所以可以直接觀察部分結晶高聚物的球晶大小完善程度、共混物中分散相的大小、分布與連續相(母體)的混溶關系等。透射電鏡的試樣制備雖然比較復雜，但是在研究晶體材料的缺陷及其相互作用上是十分有用的。場離子顯微鏡（FIM）利用半徑為50nm的探針尖端表面原子層的輪廓邊緣電場的不同，借助氦、氖等惰性氣體產生的離化，可以直接顯示晶界或位錯露頭處原子排列及氣體原子在表面的吸附行為。20世紀80年代初期發展的掃描隧道顯微鏡（STM）和20世紀80年代中期發展的原子力顯微鏡（SFM），克服了透射電子顯微鏡景深小、樣品制備復雜等缺點，借助一根針尖與試樣表面之間隧道效應電流的調控，可以在三維空間達到原子分辨率。在探測表面深層次的微觀結構上顯示了無與倫比的優越性。在有機分子的結構中，應用STM已成功觀察到苯在Rh（3+）晶面的單層吸附，并且顯示清晰的Kekule環狀結構。在選擇適當的表征方法時，首先是考慮采用什么方法才能得到所需要的參數，也即一方面要知道探測樣品組織的尺度，另一方面需要知道分析方法自身具備的能力。同時還要考慮所需信息是整體統計性還是局域性的，是宏觀尺度、納米尺度還是原子尺度。圖1-3列出材料若干典型組織的尺度范圍和進行材料表征的各種儀器設備分辨率的限制，可以在應用中參考。圖1-4給出了按成分分析、晶體結構測定及形貌觀察三方面的各種測試技術，及其在材料深度及橫向方面可能提供的空間分辨率。實線框表示該技術到底的最佳分辨率的范圍。虛線框表示該技術在理想條件下，已顯示這樣的能力，但在實際的應用中還有待發展。圖中縱、橫坐標所列的分辨率僅為數量級。為了說明從材料的需要及從測試表征技術提供的可能兩方面的結合，以粘土/聚合物納米復合材料作為典型的例子介紹對材料進行表征的分析測試技術。粘土/聚合物納米復合材料是一種典型的無機/有機雜化材料，有機聚合物嵌入層狀結構的粘土(如蒙脫土)晶層之間是納米級的分散。根據這個尺度要求，可選用的測試技術有:①形貌觀察，根據圖1-4可知，透射電鏡是首選的儀器，在透射電鏡照片中可以清晰地觀察粘土的層狀結構在被大分子嵌入以后晶層間趾發生的變化情況。如果采用掃描隧道顯微鏡可以觀察到晶層厚度、晶層間距、晶層缺陷及其細微結構。但是掃描隧道顯微鏡對制樣要求極其嚴格，費用較昂貴，由于這些性質可以通過其他表征手段獲得，所以不一定用來作為常規測試項目。②結構測定，粘土層間嵌入了體積較大的有機分子必然引起粘土晶層d001發生變化，因此在試樣的X射線衍射實驗中出現不同角度和衍射強度的衍射峰。純粘土晶層的層間距通常為0.96nm。據此可以計算有機分子嵌入后夾層的高度。如果能知道有機分子的平均直徑還可以進一步推算出有機分子在粘土層間的排列層數，以及排列的形態(層問夾角等)。③化學成分分析，由于粘土的主要成分為硅酸鹽，因此適宜進行紅外光譜分析。在紅外光譜中可以看到粘土的硅氧特征峰，也能觀察到有機分子的特征峰以及由于極性分子與粘土層間離子之間的強烈相互作用而產生的新峰。④熱性質分析，主要手段是DSC，在與純的有機大分子的DSC譜圖對比，往往發現有機分子嵌入粘土晶層后的DSC譜圖發生許多有趣的變化。如果嵌入的是結晶性的大分子，會觀察到熔點的漂移現象，隨著嵌入程度的增加，可以看到熔融峰的減弱直至消失。這是大分子在晶層間的括動明顯受到限制的證據。對于非晶性大分子，同樣可以觀察到玻璃化轉變溫度的漂移，減弱甚至消失的現象。二、按方法原理分類2.1衍射分析方法概述衍射分析方法是以材料結構分析為基本目的的現代分析方法。電磁輻射或運動電子束、中子束等與材料相互作用產生相干散射，相干散射相長干涉的結果—衍射是材料衍射分析方法的技術基礎。衍射分析包括X射線衍射分析、電子衍射分析及中子衍射分析等方法。X射線照射晶體，晶體中電子受迫振動產生相干散射，同一原子內各電子散射波相互干涉形成原子散射波，各原子散射波相互干涉，在某些方向上一致加強，即形成了晶體的衍射波（線）。衍射方向（衍射線在空間分布的方位）和衍射強度是據以實現材料結構分析等工作的兩個基本特征。衍射方向以衍射角即入射線與衍射線的夾角2θ表達。其角度θ滿足布拉格方程。多晶體X射線衍射分析基本方法為衍射儀法與（粉末）照相法；單晶體X射線衍射分析基本方法為勞埃法與周轉晶體法。四圓衍射儀是近年來在綜合衍射儀法與周轉晶體法基礎上發展起來的單晶體衍射方法，已成為單晶體結構分析的最有效方法。X射線衍射分析（XRD）XRD即X-raydiffraction的縮寫，X射線衍射，通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。原理X射線是一種波長很短(約為20～0.06埃)的電磁波，能穿透一定厚度的物質，并能使熒光物質發光、照相乳膠感光、氣體電離。在用電子束轟擊金屬“靶”產生的X射線中,包含與靶中各種元素對應的具有特定波長的X射線，稱為特征（或標識）X射線。X射線是原子內層電子在高速運動電子的轟擊下躍遷而產生的光輻射，主要有連續X射線和特征X射線兩種。晶體可被用作X光的光柵，這些很大數目的原子或離子/分子所產生的相干散射將會發生光的干涉作用，從而影響散射的X射線的強度增強或減弱由于大量原子散射波的疊加，互相干涉而產生最大強度的光束稱為X射線的衍射線。滿足衍射條件，可應用布拉格公式：2dsinθ=nλ應用已知波長的X射線來測量θ角，從而計算出晶面間距d，這是用于X射線結構分析；另一個是應用已知d的晶體來測量θ角，從而計算出特征X射線的波長，進而可在已有資料查出試樣中所含的元素。應用目前X射線衍射(包括散射)已經成為研究晶體物質和某些非晶態物質微觀結構的有效方法。主要應用有以下方面：1物相分析是X射線衍射在金屬中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。前者把對材料測得的點陣平面間距及衍射強度與標準物相的衍射數據相比較，確定材料中存在的物相；后者則根據衍射花樣的強度，確定材料中各相的含量。在研究性能和各相含量的關系和檢查材料的成分配比及隨后的處理規程是否合理等方面都得到廣泛應用。2取向分析包括測定單晶取向和多晶的結構（見擇優取向）。測定硅鋼片的取向就是一例。另外，為研究金屬的范性形變過程，如孿生、滑移、滑移面的轉動等，也與取向的測定有關。3晶粒（嵌鑲塊）大小和微觀應力的測定由衍射花樣的形狀和強度可計算晶粒和微應力的大小。在形變和熱處理過程中這兩者有明顯變化，它直接影響材料的性能。4宏觀應力的測定宏觀殘留應力的方向和大小，直接影響機器零件的使用壽命。利用測量點陣平面在不同方向上的間距的變化，可計算出殘留應力的大小和方向。5結構分析對新發現的合金相進行測定，確定點陣類型、點陣參數、對稱性、原子位置等晶體學數據。2.2光譜分析方法概述光譜分析方法是基于電磁輻射與材料相互作用產生的特征光譜波長與強度進行材料分析的方法。光譜分析方法包括各種吸收光譜分析和發射光譜分析法以及散射光譜（拉曼）分析法。主要包括以下幾種方法：（1）原子發射光譜分析（AES）：將樣品蒸發成氣態原子并將氣態原子外層電子激發至高能態，處于激發態的原子向低能級躍遷產生輻射（發射光譜）。（2）原子吸收光譜分析（AAS）：原子的價電子從低能級到高能級。（3）紫外、可見（分子）吸收光譜分析（UV、VIS）：分子電子能級從低能級躍遷到高能級。（4）紅外（分子）吸收光譜分析（IR）：分子振動能級低能級躍遷到高能級。（5）X射線熒光光譜分析（XFS）：原子中電子能級躍遷（光子激出內層電子，外層電子向空位躍遷）。（6）核磁共振波譜分析（NMR）：原子核磁能級躍遷（7）拉曼光譜分析：是一種散射光譜分析方法。紅外光譜紅外光譜(InfraredSpectroscopy,IR)，紅外光譜圖通常用波長(λ)或波數(σ)為橫坐標，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)為縱坐標，表示吸收強度。原理當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，分子就吸收能量由原來的基態振(轉)動能級躍遷到能量較高的振(轉)動能級，分子吸收紅外輻射后發生振動和轉動能級的躍遷，該處波長的光就被物質吸收。所以，紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。應用紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛，固態、液態或氣態樣品都能應用，無機、有機、高分子化合物都可檢測。此外，紅外光譜還具有測試迅速，操作方便，重復性好，靈敏度高，試樣用量少，儀器結構簡單等特點，因此，它已成為現代結構化學和分析化學最常用和不可缺少的工具。紅外吸收峰的位置與強度反映了分子結構上的特點，可以用來鑒別未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與化學基團的含量有關，可用于進行定量分析和純度鑒定。另外，在化學反應的機理研究上，紅外光譜也發揮了一定的作用。但其應用最廣的還是未知化合物的結構鑒定。下面從定性分析和定量分析兩方面來說明：1.定性分析紅外光譜是物質定性的重要的方法之一。它的解析能夠提供許多關于官能團的信息，可以幫助確定部分乃至全部分子類型及結構。其定性分析有特征性高、分析時間短、需要的試樣量少、不破壞試樣、測定方便等優點。2.定量分析紅外光譜定量分析法的依據是朗伯——比爾定律。紅外光譜定量分析法與其它定量分析方法相比，存在一些缺點，因此只在特殊的情況下使用。它要求所選擇的定量分析峰應有足夠的強度，即摩爾吸光系數大的峰，且不與其它峰相重疊。紅外光譜的定量方法主要有直接計算法、工作曲線法、吸收度比法和內標法等，常常用于異構體的分析。紫外光譜紫外和可見光譜（ultravioletandvisiblespectrum)簡寫為UV。原理紫外可見吸收光譜的基本原理是利用在光的照射下待測樣品內部的電子躍遷，電子躍遷類型有：（1）σ→σ*躍遷指處于成鍵軌道上的σ電子吸收光子后被激發躍遷到σ*反鍵軌道（2）n→σ*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向σ*反鍵軌道的躍遷（3）π→π*躍遷指不飽和鍵中的π電子吸收光波能量后躍遷到π*反鍵軌道。（4）n→π*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向π*反鍵軌道的躍遷。電子躍遷類型不同，實際躍遷需要的能量不同：σ→σ*～150nm電子躍遷所處的波長范圍n→σ*～200nmπ→π*～200nmn→π*～300nm吸收能量的次序為：σ→σ*>n→σ*≥π→π*>n→π*特殊的結構就會有特殊的電子躍遷，對應著不同的能量（波長），反映在紫外可見吸收光譜圖上就有一定位置一定強度的吸收峰，根據吸收峰的位置和強度就可以推知待測樣品的結構信息。應用化合物的鑒定利用紫外光譜可以推導有機化合物的分子骨架中是否含有共軛結構體系，如C=C－C=C、C=C－C=O、苯環等。利用紫外光譜鑒定有機化合物遠不如利用紅外光譜有效，因為很多化合物在紫外沒有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光譜一般比較簡單，特征性不強。利用紫外光譜可以用來檢驗一些具有大的共軛體系或發色官能團的化合物，可以作為其他鑒定方法的補充。純度檢查如果有機化合物在紫外可見光區沒有明顯的吸收峰，而雜質在紫外區有較強的吸收，則可利用紫外光譜檢驗化合物的純度。對于異構體的確定，可以通過經驗規則計算出λmax值，與實測值比較，即可證實化合物是哪種異構體。如:乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互變異構位阻作用的測定由于位阻作用會影響共軛體系的共平面性質，當組成共軛體系的生色基團近似處于同一平面，兩個生色基團具有較大的共振作用時，λmax不改變，εmax略為降低，空間位阻作用較小；當兩個生色基團具有部分共振作用，兩共振體系部分偏離共平面時，λmax和εmax略有降低；當連接兩生色基團的單鍵或雙鍵被扭曲得很厲害，以致兩生色基團基本未共軛，或具有極小共振作用或無共振作用，劇烈影響其UV光譜特征時，情況較為復雜化。在多數情況下，該化合物的紫外光譜特征近似等于它所含孤立生色基團光譜的“加合”。氫鍵強度的測定溶劑分子與溶質分子締合生成氫鍵時，對溶質分子的UV光譜有較大的影響。對于羰基化合物，根據在極性溶劑和非極性溶劑中R帶的差別，可以近似測定氫鍵的強度。溶劑分子與溶質分子締合生成氫鍵時，對溶質分子的UV光譜有較大的影響。對于羰基化合物，根據在極性溶劑和非極性溶劑中R帶的差別，可以近似測定氫鍵的強度。定量分析朗伯-比爾定律是紫外-可見吸收光譜法進行定量分析的理論基礎，它的數學表達式為:A=εbc物質的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團及助色團的特征，而不是整個分子的特征。如果物質組成的變化不影響生色團和助色團，就不會顯著地影響其吸收光譜，如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光譜。另外，外界因素如溶劑的改變也會影響吸收光譜，在極性溶劑中某些化合物吸收光譜的精細結構會消失，成為一個寬帶。所以，只根據紫外光譜是不能完全確定物質的分子結構，還必須與紅外吸收光譜、核磁共振波譜、質譜以及其他化學、物理方法共同配合才能得出可靠的結論。拉曼光譜拉曼光譜（Ramanspectra），是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射.彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分,非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分,統稱為拉曼效應。拉曼效應是光子與光學支聲子相互作用的結果原理拉曼效應起源于分子振動(和點陣振動)與轉動，因此從拉曼光譜中可以得到分子振動能級(點陣振動能級)與轉動能級結構的知識。用虛的上能級概念可以說明了拉曼效應:設散射物分子原來處于基電子態，振動能級如圖所示。當受到入射光照射時，激發光與此分子的作用引起的極化可以看作為虛的吸收，表述為電子躍遷到虛態（Virtualstate），虛能級上的電子立即躍遷到下能級而發光，即為散射光。設仍回到初始的電子態，則有如圖所示的三種情況。因而散射光中既有與入射光頻率相同的譜線，也有與入射光頻率不同的譜線，前者稱為瑞利線，后者稱為拉曼線。在拉曼線中，又把頻率小于入射光頻率的譜線稱為斯托克斯線，而把頻率大于入射光頻率的譜線稱為反斯托克斯線。附加頻率值與振動能級有關的稱作大拉曼位移，與同一振動能級內的轉動能級有關的稱作小拉曼位移。應用通過對拉曼光譜的分析可以知道物質的振動轉動能級情況,從而可以鑒別物質,分析物質的性質.提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英、和光纖測量。此外1由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。2拉曼一次可以同時覆蓋50-4000波數的區間，可對有機物及無機物進行分析。相反，若讓紅外光譜覆蓋相同的區間則必須改變光柵、光束分離器、濾波器和檢測器3拉曼光譜譜峰清晰尖銳，更適合定量研究、數據庫搜索、以及運用差異分析進行定性研究。在化學結構分析中，獨立的拉曼區間的強度可以和功能集團的數量相關。4因為激光束的直徑在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常規拉曼光譜只需要少量的樣品就可以得到。這是拉曼光譜相對常規紅外光譜一個很大的優勢。而且，拉曼顯微鏡物鏡可將激光束進一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面積的樣品。5共振拉曼效應可以用來有選擇性地增強大生物分子特個發色基團的振動，這些發色基團的拉曼光強能被選擇性地增強1000到10000倍。核磁共振核磁共振波譜法（NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,NMR）是有機物結構測定的有力手段，不破壞樣品，是一種無損檢測技術。NMR研究原子核對射頻輻射(Radio-frequencyRadiation)的吸收，它是對各種有機和無機物的成分、結構進行定性分析的最強有力的工具之一，有時亦可進行定量分析。原理核磁共振主要是由原子核的自旋運動引起的。不同的原子核，自旋運動的情況不同，它們可以用核的自旋量子數I來表示。原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態，I值為1/2的核在外磁場作用下只有兩種取向，各相當于m=1/2和m=-1/2，這兩種狀態之間的能量差ΔE值為ΔE=γhB0/2π一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時，處于低能態的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時，由于該射頻的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的條件為hν射=ΔE應用核磁共振技術在有機合成中，不僅可對反應物或產物進行結構解析和構型確定，在研究合成反應中的電荷分布及其定位效應、探討反應機理等方面也有著廣泛應用。核磁共振波譜能夠精細地表征出各個氫核或碳核的電荷分布狀況，通過研究配合物中金屬離子與配體的相互作用，從微觀層次上闡明配合物的性質與結構的關系，對有機合成反應機理的研究重要是對其產物結構的研究和動力學數據的推測來實現的。核磁共振是有機化合物結構鑒定的一個重要手段，一般根據化學位移鑒定基團；由耦合分裂峰數、偶合常數確定基團聯結關系；根據各H峰積分面積定出各基團質子比。核磁共振譜可用于化學動力學方面的研究，如分子內旋轉，化學交換等，因為它們都影響核外化學環境的狀況，從而譜圖上都應有所反映。核磁共振還用于研究聚合反應機理和高聚物序列結構。H譜、C譜是應用量廣泛的核磁共振譜（見質子磁共振譜），較常用的還有F、P、N等核磁共振譜。X光吸收精細結構譜（XAFS）原理XAFS(X-RayAbsorptionFineStructure,X光吸收精細結構譜)包括EXAFS(Extendedx-rayabsorptionfinestructure)和XANES(X-rayabsorptionnearedgestructure)兩種技術EXAFS是元素的X射線吸收系數在吸收邊高能側30-1000eV范圍出現的振蕩。XANES是元素吸收邊位置50eV范圍內的精細結構。(精細結構：吸收邊附近及其廣延段存在一些分立的峰或波狀起伏，稱精細結構)。XAFS之所以能成為研究非晶(包括液體)結構的有力工具,原因在于它是以散射現象———近鄰原子對中心吸收原子出射光電子的散射為基礎,反映的僅僅是物質內部吸收原子周圍短程有序的結構狀態。晶體學的理論和結構研究方法不適用于非晶體,而XAFS的理論和方法卻能同時適用于晶體和非晶體,其原因即在于此。吸收邊產生的原因如下：產生原因是，當入射X光子的能量等于被照射樣品某內層電子的電離能時，會被大量吸收從而形成吸收邊。應用1、不依賴晶體結構，因此可用于大量的非晶態材料的研究2、不受其他元素的干擾，對不同的元素的原子，可由吸收邊位置不同，而得以分別研究3、可測配位原子的種類、個數、間距等4、濃度很低的樣品，百萬分之幾的元素也能分析5、樣品制備比較簡單，數據收集時間短2.3電子能譜分析方法概述是基于光子（電子輻射）或運動實物粒子（電子、離子、原子等）照射或轟擊材料（原子、分子或固體）產生的電子能譜（電子產額對能量的分布）進行材料分析的方法。主要為光電子能譜（X射線光電子能譜XPS與紫外光電子能譜UPS）分析與俄歇電子能譜分析AES。光電子能譜分析(XPS)X射線光電子能譜分析(X-rayphotoelectronspectroscopyanalysis):XPS（X射線光電子能譜）的原理是用X射線去輻射樣品，使原子或分子的內層電子或價電子受激發射出來。被光子激發出來的電子稱為光電子。可以測量光電子的能量，以光電子的動能為橫坐標，相對強度（脈沖/s）為縱坐標可做出光電子能譜圖。從而獲得試樣有關信息。X射線光電子能譜因對化學分析最有用，因此被稱為化學分析用電子能譜（ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis）。應用1.元素的定性分析。可以根據能譜圖中出現的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素。2.元素的定量分析。根據能譜圖中光電子譜線強度（光電子峰的面積）反應原子的含量或相對濃度。3.固體表面分析。包括表面的化學組成或元素組成，原子價態，表面能態分布，測定表面電子的電子云分布和能級結構等。4，化合物的結構。可以對內層電子結合能的化學位移精確測量，提供化學鍵和電荷分布方面的信息。2.4電子顯微分析方法概述電子顯微分析是基于電子束（波）與材料的相互作用而建立的各種材料現代分析方法。電子顯微分析方法以微