Рабочая программа дисциплины «Физические методы исследования состава и структуры веществ» (стр. 2 )

Раздел 1.

Методы исследования.

Дифракция электронов. Дифракция медленных электронов. Дифракция отраженных быстрых электронов. Полевые методы. Полевой электронный микроскоп. Полевой ионный микроскоп. Рентгеновская спектроскопия поглощения: EXAFS, XANES, NEXAFS. Электронная спектроскопия. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Рентгенофлуоресцентный анализ. Масс-спектроскопия определения элементного состава объектов. Лазерный микроспектральный анализ. ИК-спектроскопия. Ультрафиолетовая электронная спектроскопия. Электронная Оже - спектроскопия. Оптическая и колебательная спектроскопия. Мессбауэровская (гамма-резонансная) спектроскопия. Адсорбционная и эмиссионная МС. Рэлеевское расеяние мессбауэровского излучения. Мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов. Временная МС резонансного рассеяние вперед. Неупругое ядерное резонансное рассеяние. Методы радиоспектроскопии. Ядерный магнитный резонанс. Электронный парамагнитный резонанс.

Раздел 2.

Методы исследования, анализа и аттестации наноструктур.

Введение. Зондовые нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия. Общие принципы сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующая туннельная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Электросиловая зондовая микроскопия. Магнитно-силовая зондовая микроскопия. Ближнепольная оптическая микроскопия. Разрешающая способность, погрешности, искажения и артефакты в SPM. Сенсоры различного назначения. Атомные манипуляции и дизайн, нанолитография. Силовой нанотестинг приповерхностных слоев. Методы тестирования локальным нагружением. Основы техники наноидентирования. Информативные возможности наноидентирования. Анализ диаграмм нагружения при наноидентировании. Коррекция результатов тестирования в наноидентировании. Примеры использования силового нанотестинга в исследованиях механических свойств поверхности. Распределение размеров частиц по диаметру. Определение удельной поверхности объектов.

Раздел 3.

Дифференциально-интегральный сканирующий калориметр

Введение. Теоретические основы калориметрии. Термический анализ. Метод дифференциально-сканирующей калориметрии. Режимы калориметрических измерений. Сканирующий режим. Типы калориметров. Модели калориметров. Способы измерения теплоемкости твердых материалов.

Дифференциально-интегральный сканирующий калориметр (ДИСК). Схема установки и принцип действия. Возможности и применение ДИСК в научных исследованиях. Методика работы на дифференциально-сканирующем калориметре. Работа калориметра в среде Excel. Обработка кривых в программе Mathcad. Адиабатные дифференциальные сканирующие микрокалориметры. Принцип действия и особенности микрокалориметров семейства ДАСМ. Микрокалориметр ДАСМ-4м. Статистическая обработка результатов. Метрологическое обеспечение и методы измерений.

Раздел 4.

Методы неразрушающего контроля

Введение. Ультразвуковые методы. Вибрационные методы. Общие методы. Локальные методы. Тепловые методы. Акустическая эмиссия. Методы анализа сигналов. Локация источника микроразрушения. Акустоультразвук.

Раздел 5.

Рентгенодифракционные методы

Введение. Классификация рентгеновских методов, их значение в химии, материаловедении, физике, минералогии, контроле производства, экспертизах, медицине. Рентгеновская спектроскопия и дифракция. Рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах. Малоугловое рентгеновское рассеяние. Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ.

Раздел 6.

Основы геометрической кристаллографии

Кристаллическое и аморфное состояние, их распространённость, отличительные признаки, условия образования. Моно - и поликристаллы. Понятие симметрии, её значение в химии и физике. Точечные элементы симметрии, теоремы об их сочетании. Точечные группы, их международные символы. Единичные направления, категории, сингонии. Принцип Неймана, принцип Кюри. Трансляции. Ячейки Браве и правила их выбора. Различие понятий “решётка” и “структура”, “узел” и “атом”. Кристаллографические координаты, индексы направлений и плоскостей, простые формы, множители повторяемости. Открытые элементы симметрии. Пространственные группы и их международные символы. Правильные системы точек.

Раздел 7.

Основы физики рентгеновских лучей и рентгеновская аппаратура

Основы физики рентгеновских лучей. Рентгеновские трубки, синхротроны и изотопные источники. Спектры испускания и поглощения, их зависимость от атомного номера. Рассеяние и суммарное ослабление рентгеновских лучей. Расчёт линейного коэффициента ослабления. Выбор материала анода и b-фильтра. Пропорциональные, сцинтилляционные и энергодисперсионнные детекторы, их сравнительная характеристика. Источники опасности в рентгеновской лаборатории и способы защиты. Дифракция на кристаллической решетке. Условия получения интерференционного максимума. Методы Лауэ, вращения и колебания кристалла, рентгенгониометрические методы, порошковый метод. Монохроматоры. Принципиальная схема дифрактометра по Бреггу-Брентано, требования к образцу, рациональный выбор щелей. Горизонтальные и вертикальные гониометры. Источники ошибок при измерении углов и интенсивностей, способы их устранения. Использование внутренних и внешних эталонов, экстраполяции, автокоррекции. Температурные приставки, приспособления для изучения электрохимических ячеек in situ.

Раздел 8.

Важнейшие задачи, решаемые дифракционными методами

Качественный и количественный рентгенофазовый анализ, их возможности и ограничения. Пользование базой данных PDF-2, программами PCPDFWIN и DDView. Причины нелинейности зависимости интенсивности от содержания фазы в смеси. Применение эталонов и метода добавок. Индицирование рентгенограмм моно - и поликристаллов. Квадратичные формулы для различных сингоний. Аналитические методы индицирования для высшей и средней категорий. Индицирование в случае псевдосимметрии. Критерии правильности индицирования. Расчёт плотности. Прецизионное определение параметров ячеек и его использование. Программы для индицирования и уточнения параметров. Текстуры и методы их исследования. Текстуры роста, укладки, деформации, текстуры в ферроичных материалах. Симметрия текстур. Значение текстур в материаловедении. Исследование текстур фотометодом и на дифрактометре общего назначения: качественное выявление характера и индексов текстуры, определение степени ориентации в текстурах укладки. Понятие о функции распределения ориентировок. Элементы структурного анализа кристаллов. Основные этапы и основные проблемы расшифровки структуры. Систематические погасания и определение дифракционной группы. Интенсивности дифракционных максимумов. Множители поглощения, повторяемости, атомные множители рассеяния и тепловые параметры. Структурные факторы. Уточнение структуры, критерии достоверности расшифровки.

Раздел 9.

Современные направления развития дифракционной аппаратуры и методов. Нерентгеновские дифракционные методы исследования.

Методы дифракции электронов и нейтронов, их особенности в сравнении с дифракцией рентгеновских лучей при исследовании структуры материалов. Метод постоянной длины волны и времяпролётный метод. Использование мощных источников излучения, позиционных и энергодисперсионных детекторов, “дифракционное кино”. Автоматизация дифракционного эксперимента. Центры коллективного пользования, базы данных, пакеты прикладных программ и способы доступа к ним. Применение порошковых методов в структурном анализе. Электронная кристаллохимия.

5. Образовательные технологии

При освоении дисциплины «Физические методы исследования состава и структуры веществ» наряду с традиционными образовательными технологиями широко используются технологии, основанные на компьютерных симуляциях, разборе конкретных ситуаций в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. В рамках учебного курса предусмотрены мастер-классы экспертов и специалистов. Всего интерактивные формы составляют 45 часов (более 30% аудиторного времени)

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Самостоятельная работа студентов предполагает освоение теоретического материала, подготовку к лабораторным работам, выполнение и оформление лабораторных работ, выполнение письменных домашних заданий, подготовку к текущему и итоговому контролю. Форма итогового контроля – экзамен.

Контрольные вопросы и задачи для аттестации и допуска к выполнению лабораторных работ:

1.  На чем основаны физические методы исследования металлов?

2.  На чем основан рентгеноструктурный анализ?

3.  Какова цель исследования металлов?

4.  Что такое разрешающая способность микроскопа?

5.  Недостаток механической полировки?

6.  Что такое микроструктура металлов?

7.  Как приготовить образец металла для микроанализа?

8.  Достоинство электролитического полирования?

9.  Что такое макроструктура металлов?

10.  Как подготовить образец для макроанализа?

11.  Как выглядит в микроскопе недотравленный шлиф металла?

12.  На чем основано электролитическое полирование?

13.  На чем основаны физические методы исследования металлов?

14.  На чем основан рентгеноструктурный анализ?

15.  Какова цель исследования металлов?

16.  Что такое разрешающая способность микроскопа?

17.  Недостаток механической полировки?

18.  Что такое микроструктура металлов?

19.  Как приготовить образец металла для микроанализа?

20.  Достоинство электролитического полирования?

21.  Что такое макроструктура металлов?

22.  Как подготовить образец для макроанализа?

23.  Как выглядит в микроскопе недотравленный шлиф металла?

24.  На чем основано электролитическое полирование?

25.  Объясните старинный цирковой номер: почему согнутую силачом подкову предлагалось разогнуть зрителям, а не наоборот?

26.  Детали из низкоуглеродистой стали, полученные штамповкой в холодном состоянии, имели после штамповки неодинаковую твердость в различных участках: она колебалась от 120 НВ до 200 НВ. Твердость стали до штамповки составляла 100 НВ. Объяснить, почему сталь получила неодинаковую твердость.

27.  Объяснить, можно ли отличить по микроструктуре металл, деформированный в холодном состоянии, от металла, деформированного в горячем состоянии, и указать, в чем заключается различие микроструктуры.

28.  Три образца низкоуглеродистой стали подвергались холодной деформации: первый на 5 %, второй на 15 %, третий на 30 %, а затем нагревались до 700 ºС. Указать, в каком образце сформируется более крупное зерно, и как влияет рост зерна на свойства стали.

29.  Объяснить, почему при горячей обработке давлением не рекомендуется проводить последнюю операцию с малой степенью обжатия и как может такая деформация влиять на величину зерна и свойства металла.

30.  Объяснить, можно ли создать значительное упрочнение свинца, если его подвергнуть деформации при комнатной температуре (tпл Рb = 327,4 ºС).

31.  Указать, как повлияет на значение твердости, определенной, например, шариком по Бринеллю, повторное измерение на участке, в непосредственной близости от него.

32.  Волочение проволоки проводят в несколько переходов. Если волочение выполняют без промежуточных операций отжига, то проволока на последних переходах дает разрывы. Объяснить причины разрывов и указать меры для предупреждения этого.

33.  Пруток латуни после изгиба в холодном состоянии подвергают рекристаллизации для снятия наклепа. Указать, будет ли пруток после рекристаллизации иметь одинаковые по размеру зерна по всему сечению.

34.  Объяснить, к какому виду деформации – холодной или горячей – надо отнести прокатку олова при комнатной температуре (tпл Sn = 232 ºС); деформацию стали при 400 ºС (tпл стали = 1500 ºС).

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

1.  Суздалев : Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. Изд.2-е, исп. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 20с.

2.  Головин в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007,-496с.

3.  , Б., Драгункина -интегральный сканирующий калориметр: Учеб. пособие для студентов и аспирантов хим. спец. – Саратов: Изд-во Саратов. ун-та, 2006. – 40с.

б) дополнительная литература:

1.  Бойко микрокалориметрия: отечественные приборы и методы. М.: Наука, 20с.

2.  , , . Физическая химия наноразмерных объектов: композиционные материалы. Саратов: Сарат. техн. ун-т, 20с.

3.  Композиционные материалы. Механика и технология. Москва: Техносфера, 20с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

Персональные компьютеры, Microsoft Office, базы данных PDF-2, PDF-4, прикладные программы Mathcad, PCPDFWIN, Diamond, DDView, WinPlotr, CellRef.

http://www. *****/obrazovanie/stsoros/94.html

http://www. *****/chem/ism/files/physical_methods_of_inorganic_research. pdf

http://www. chem. msu. su/rus/teaching/education-program/spec-inorg/3.html

http://www. *****/off-line/_books/fragment_5430.pdf

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

1. Учебная аудитория для чтения лекций.

2. Ноутбук, компьютерный проектор и экран.

3. Учебная лаборатория физической химии для выполнения лабораторных работ.

4. Для взвешивания используются весы лабораторные ВЛТ–150–П (Россия).

5. Для приготовления порошков с заданным размером частиц, в том числе приготовление мелкодисперсных порошков, а также для перемешивания компонентов сухой смеси используется мельница-активатор АГО-2 и ультразвуковой измельчитель CTBRAND.

6. Для определения размеров кристаллов используется лазерный дифракционный анализатор размеров частиц SALD-2201 (Япония).

7. Для проведения качественного и количественного элементного анализа используются энергодисперсионный рентгеновский флуоресцентный спектрометр EDX-720HS (Япония) и двухлучевой сканирующий cпектрофотометр УФ/ВИД Shimadzu UV-1800.

8. Для исследования структуры и поверхности используется анализатор удельной поверхности и размеров пор NOVA производитель Япония, в комплекте: вакуумный насос, газовый регулятор, компьютер с монитором.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 020100 «Химия» и профилю подготовки «физическая химия».

Авторы:

профессор, доктор химических наук ,

профессор, доктор химических наук

Программа одобрена на заседании кафедры физической химии, протокол от 28 февраля 2011 года.

Подписи:

Зав. кафедрой физической химии

д. х.н., проф.

Директор Института химии СГУ

д. х.н., проф.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Задачи для самостоятельной работы и экзаменационных тестов по дисциплине «Физические методы исследования состава и структуры веществ»

1. Почему в списке 14 ячеек Браве отсутствуют моноклинная объёмноцентрированная и тетрагональная гранецентрированная ячейки?

2. Стабильная при обычном давлении фаза LiVO2 имеет ромбоэдрическую решётку c параметрами в гексагональной установке а=2,878 Å, с=14,19 Å. Вычислите её параметры в ромбоэдрической установке. Вычислите и сравните объёмы ячеек. См. справочник Миркина, с.292.

3. По данным задачи 2 вычислите плотность вещества, учитывая, что число формульных единиц – минимально возможное при данном типе решётки.

4. Фаза высокого давления LiVO2 имеет при обычном давлении гранецентрированную кубическую структуру, родственную шпинели, с параметром а=8,227 Å. Вычислите её параметры в гексагональной установке и сравните с результатом задачи 2. Легко ли различить эти две формы?

5. Многие металлы имеют кубическую гранецентрированную структуру с пространственной группой Fm3m. Вычислите для них множители повторяемости плоскостей с суммами квадратов индексов 35 и 36. Как это повлияет на соотношение интенсивностей рентгеновских отражений от этих плоскостей, учитывая, что они находятся близко по брегговскому углу, и остальные факторы интенсивности для них почти одинаковы?

6. Структура LiFePO4 относится к пространственной группе Pnma. Как изменится символ пространственной группы, если переставить местами оси x и y?

7. Длина волны К-края поглощения молибдена равна 0,620 Å. Вычислите напряжение на рентгеновской трубке, необходимое для возбуждения К-серии. Почему на практике используется не такое напряжение?

8. Для LiF и LiI рассчитайте линейный коэффициент ослабления медного Кα-излучения (µ/ρ см. в справочнике Миркина, с.33-37, ρ – в PDF-2). Для каждого вещества вычислите толщину слоя, ослабляющего излучение в 2 раза, в 1000 раз. Какая толщина слоя нужна, чтобы потеря дифракционной интенсивности была не более 5% (ослабление в 20 раз) при съёмке по Бреггу-Брентано при углах 2Θ = 6˚ и 100˚? Как можно было заранее предвидеть резкое различие в коэффициентах ослабления этих двух веществ?

9. Вычислите максимально допустимую ширину первой щели гониометра, при которой рентгеновский пучок не выходит за пределы образца шириной 24 мм при углах 2Θ = 6º и 60º. Радиус гониометра 260 мм, расстояние от анода трубки до первой щели 70 мм, шириной анодного пятна пренебречь.

10. Путём сопоставления четырёх карточек PDF (21-1128, 33-1255, 76-1678 и 81-2093) определите, какие из них отличаются лишь в пределах экспериментальных погрешностей, а какая грубо ошибочна, и в чём состоит ошибка.

11. Даны результаты измерения рентгенограммы кубического металла. Определите индексы отражений, тип решётки и другие характеристики, указанные в таблице.

d, Å	(d1/di)2	N=h2+k2+l2	h k l	a, Å
2,035
1,762
1,246
1,0625
1,0173
0,8810
0,8085
0,7880
0,7192
0,6783
0,6231
Сингония и тип решетки
Параметр ячейки и погрешность
Ввиду очень малого размера ячейки, в ней не может быть атомов больше, чем узлов. Тогда можно легко определить:
Число атомов в ячейке Z=
Кратчайшее межатомное расстояние L=
Металлический радиус R=
Координационное число металла

12. Дана зависимость параметра кубической элементарной ячейки от состава образца. Укажите границу твёрдого раствора, округлив до 0,1%.

Мол. % В	0	5	10	15	20	25	30
а, Å	3,615	3,605	3,595	3,591	3,590	3,591	3,591

13. Параметр кубической элементарной ячейки чистой меди 3,615 Å, а сплава меди с золотом 3,677 Å. Оцените содержание золота в сплаве в массовых процентах, предполагая линейную зависимость параметра от среднего металлического радиуса, если атомные радиусы металлов соответственно 1,28 и 1,44 Å

14. Вычислите длину волны электронов, ускоренных напряжением 150 кВ. Выразите её в ангстремах, округлив до 0,0001.

15. Вычислите длину волны нейтронов, если расстояние от источника до детектора 29,00 м они пролетают за 8,17 миллисекунд. Выразите её в ангстремах, округлив до 0,001.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Лабораторные работы по дисциплине

«Физические методы исследования состава и структуры веществ»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Цель работы:

1. Ознакомиться с приборами и методами исследования металлов.

2. Изучить методы исследования строения металлов.

3. Изучить работу металлографических микроскопов.

4. Научиться готовить образцы, анализировать и фиксировать макро - и микроструктуру.

Оборудование и материалы для выполнения работы:

Оборудование: прессы Бринелля, Роквелла, Виккерса, маятниковый копер, разрывная машина, шлифовально-полировальные станки “Нерис”, оптические микроскопы МИМ-7, ММУ-3, растровый электронный микроскоп РЭМ-200, рентгеновский дифрактометр ДРОН-2,0.

Материалы: образцы металлов и сплавов, абразивная бумага, растворы кислот.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Прочитать теоретическую часть данного пособия.

2. Ознакомиться с приборами и их работой.

3. В соответствии с заданием приготовить макро - или микрошлиф, выявить структуру образцов, зарисовать ее или сфотографировать.

4. Написать отчет.

Основные сведения по теме работы:

I. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Основной целью любого метода исследования является получение достоверной информации о строении и свойствах изучаемого материала. Чем больше и разнообразнее информация, тем точнее можно предвидеть поведение материала в реальных конструкциях и целенаправленнее изменять его свойства различными видами обработки.

По характеру получаемой информации методы исследования металлов и сплавов можно разделить на 3 группы.

1. Исследование механических свойств.

2. Исследование макро - и микроструктуры (металлографический анализ).

3. Физические методы исследования.