2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子科學(xué)與工程材料結(jié)構(gòu)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種材料結(jié)構(gòu)屬于非晶態(tài)？（）A.石英B.鉆石C.玻璃D.鉆鐵礦2.布拉格方程nλ=2dsinθ中，θ表示的是（）。A.入射光束與樣品表面的夾角B.入射光束與晶面間的夾角C.衍射光束與樣品表面的夾角D.衍射光束與晶面間的夾角3.能夠直接提供材料原子在三維空間中周期性排列信息的技術(shù)是（）。A.掃描電子顯微鏡（SEM）B.原子力顯微鏡（AFM）C.X射線衍射（XRD）D.核磁共振波譜（NMR）4.在透射電子顯微鏡（TEM）中，高分辨率圖像（HRTEM）主要用于觀察（）。A.材料的整體形貌B.材料的表面形貌C.材料的晶格條紋像D.材料的成分分布5.下列哪種缺陷的存在通常會降低晶體的堆垛層錯能？（）A.位錯B.點缺陷C.晶界D.堆垛層錯6.紅外光譜（IR）主要用于鑒定分子的（）。A.核外電子排布B.原子核自旋狀態(tài)C.化學(xué)鍵和官能團(tuán)D.原子間成鍵軌道7.X射線光電子能譜（XPS）主要提供的是樣品表面（）信息。A.元素組成B.化學(xué)鍵合狀態(tài)C.元素價態(tài)D.電子能級結(jié)構(gòu)8.當(dāng)材料晶粒尺寸減小時，其強(qiáng)度和硬度通常會（）。A.降低B.升高C.不變D.先升高后降低9.與X射線相比，中子射線在材料結(jié)構(gòu)研究中的主要優(yōu)勢在于（）。A.波長更長，更容易發(fā)生衍射B.穿透能力更強(qiáng)C.能量更高，可以激發(fā)更強(qiáng)烈的散射D.對所有元素都同樣敏感10.掃描探針顯微鏡（SPM）的主要特點是（）。A.可以獲得原子級分辨率的形貌和性質(zhì)信息B.對樣品環(huán)境要求嚴(yán)格C.只能用于導(dǎo)電樣品D.主要提供元素組成信息二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填在橫線上）1.描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元是________。2.材料中原子或離子無規(guī)則排列的狀態(tài)稱為________態(tài)。3.衍射襯度成像利用了晶體不同區(qū)域衍射強(qiáng)度________的差異。4.能夠?qū)е虏牧想娮杪拾l(fā)生顯著變化的微觀結(jié)構(gòu)通常是________。5.紅外光譜中，官能團(tuán)的特征吸收峰位置主要取決于該鍵的________和________。6.在X射線衍射實驗中，為提高衍射效率，通常使用________晶體作為單色器。7.晶體學(xué)中，描述晶體宏觀對稱性的基本要素包括旋轉(zhuǎn)軸、鏡面、________、反演中心。8.納米材料由于其尺寸在________量級，表現(xiàn)出許多與塊體材料不同的特殊性質(zhì)。9.理解材料結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系是分子科學(xué)與工程領(lǐng)域的核心問題之一。10.表征材料結(jié)構(gòu)的技術(shù)選擇需要綜合考慮材料的________、研究目的以及技術(shù)的________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述X射線衍射（XRD）技術(shù)的基本原理及其在材料結(jié)構(gòu)研究中的主要應(yīng)用。2.比較透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）在成像原理、分辨率、樣品制備和應(yīng)用方面的主要區(qū)別。3.什么是點缺陷？列舉三種常見的點缺陷類型，并簡述它們對晶體材料性能可能產(chǎn)生的影響。4.簡述核磁共振波譜（NMR）技術(shù)在確定分子結(jié)構(gòu)方面的作用原理。四、論述題（每題7分，共14分）1.論述材料的微觀結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶粒取向、存在缺陷等）對其力學(xué)性能（如強(qiáng)度、韌性）可能產(chǎn)生的影響，并結(jié)合具體實例說明。2.針對一個你感興趣的新型功能材料（例如：一種納米復(fù)合材料、一種量子點、一種特定結(jié)構(gòu)的聚合物），設(shè)想至少三種不同的材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，并簡要說明選擇這些技術(shù)的理由。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.A6.C7.C8.B9.A10.A二、填空題1.晶胞2.非晶3.差異4.位錯5.鍵力常數(shù)，原子質(zhì)量6.晶體7.螺旋軸8.納米9.性能10.本質(zhì)，局限性三、簡答題1.解析思路：首先回答XRD原理，即利用X射線與晶體電子發(fā)生相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。關(guān)鍵在于布拉格方程（nλ=2dsinθ）及其物理意義（d為晶面間距，θ為布拉格角）。然后說明其應(yīng)用，主要是利用衍射峰的位置（d值）確定晶胞參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)，利用峰強(qiáng)度分析物相組成，利用峰寬分析晶粒尺寸、微應(yīng)變等。2.解析思路：對比TEM和SEM的核心區(qū)別：成像原理（TEM利用電子波與物質(zhì)相互作用，SEM利用二次電子或背散射電子）；分辨率（TEM通常遠(yuǎn)高于SEM）；樣品制備（TEM需要制備超薄TEM樣品，通常是薄膜或粉末，SEM樣品制備要求相對寬松）；主要應(yīng)用（TEM更側(cè)重微結(jié)構(gòu)和晶體缺陷的觀察，SEM更側(cè)重樣品表面形貌和成分的觀察）。3.解析思路：定義點缺陷為發(fā)生在晶體點陣節(jié)點或節(jié)點之間的一維、二維或三維空位。列舉三種典型點缺陷：空位、間隙原子、填隙原子。分析影響：空位的存在通常使晶體發(fā)生畸變，降低堆垛層錯能，可能影響擴(kuò)散速率和力學(xué)性能；間隙原子會強(qiáng)烈畸變周圍的晶格，影響電子性質(zhì)和力學(xué)性能；置換式雜質(zhì)原子（也可視為點缺陷）可能改變晶格參數(shù)，引起固溶強(qiáng)化或產(chǎn)生其他物理效應(yīng)。4.解析思路：說明NMR原理基于原子核的自旋角動量在與磁場相互作用時發(fā)生能級分裂（塞曼效應(yīng)）。原子核從低能級躍遷到高能級需要吸收特定頻率的射頻脈沖。不同原子核（自旋量子數(shù)不同）或同一原子核在不同化學(xué)環(huán)境（受鄰近原子核及電場環(huán)境影響的微擾不同）下，其能級分裂的頻率（化學(xué)位移）不同。通過測量吸收的射頻脈沖頻率，可以確定原子核的種類及其所處的化學(xué)環(huán)境，從而推斷分子的結(jié)構(gòu)信息。四、論述題1.解析思路：*晶粒尺寸影響：遵循奧斯特瓦爾德熟化或Hall-Petch關(guān)系。晶粒越細(xì)，晶界越多，晶界對位錯運動的阻礙作用越強(qiáng)，材料抵抗塑性變形的能力越強(qiáng)，即強(qiáng)度和硬度越高。但晶粒過細(xì)可能導(dǎo)致晶界偏析或脆性相聚集，韌性可能下降。*晶粒取向影響：晶粒在基體中的取向不同，會導(dǎo)致晶界處存在取向差異，形成位錯胞或亞晶界。這些結(jié)構(gòu)會影響整體材料的變形均勻性，從而影響其各向異性和韌性。*缺陷影響：點缺陷（如空位）促進(jìn)擴(kuò)散，可能影響疲勞性能；線缺陷（位錯）是塑性變形的主要載體，位錯密度影響強(qiáng)度；面缺陷（晶界）如前所述影響強(qiáng)度和韌性。特定類型的缺陷（如納米孿晶界）可能顯著強(qiáng)化材料并提高其韌性。*實例：多晶金屬材料通常比單晶金屬材料具有更高的強(qiáng)度和硬度（Hall-Petch效應(yīng)）。細(xì)化奧氏體晶粒是提高鋼材強(qiáng)度和韌性的重要途徑。納米晶材料通常具有優(yōu)異的強(qiáng)度和硬度。2.解析思路：*選擇技術(shù)原則：根據(jù)待研究材料的種類、結(jié)構(gòu)特征（宏觀形貌、微觀晶相、細(xì)觀結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、元素價態(tài)、表面信息等）和研究目的（定性/定量、宏觀/微觀、靜態(tài)/動態(tài)）來選擇合適的技術(shù)組合。*設(shè)想技術(shù)1（SEM）：如果需要了解材料的整體宏觀或微觀形貌、表面特征、顆粒大小和分布、相分布（通過背散射電子像差分析成分襯度），SEM是首選，制備相對簡單。*設(shè)想技術(shù)2（TEM）：如果需要觀察更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、晶界類型和特征、納米尺度結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線/管、層狀結(jié)構(gòu)）、晶體缺陷（位錯、點缺陷等），TEM的高分辨率和明場/暗場/衍射襯度成像能力是必要的，通常需要制備TEM薄樣品。*設(shè)想技術(shù)3（XPS）：如果需要精確確定材料表面或近表面（通常幾百納米內(nèi)）的元素組成、各元素的含量、化學(xué)態(tài)（即元素價態(tài)或結(jié)合能）信息，以判斷表面元素分布和化學(xué)環(huán)境，XPS是強(qiáng)大的工具。