關(guān)于電磁波在高分子材料測試課程教學(xué)中的思考*

張予東，李潤明，常海波

(河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004)

高分子材料是材料科學(xué)中重要的一類，其理論與應(yīng)用隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展也在越來越被重視。其中高分子材料的檢測和分析技術(shù)對于材料的發(fā)展起著關(guān)鍵的作用，該課程的主要教學(xué)內(nèi)容通常包括材料的結(jié)構(gòu)鑒定方法、分子量研究方法、形態(tài)與形貌表征方法、熱性能、流變性能和力學(xué)性能表征等[1]，不同教材的側(cè)重點會有所不同。高分子材料分析測試與研究方法是一門實踐性很強的課程，同時它又涉及到許多大型儀器的測試原理，理論性部分不易理解。由于涉及的都是大型設(shè)備儀器，存在著設(shè)備量少、精密、貴重等特點，導(dǎo)致在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中多是以參觀或演示性實驗為主，學(xué)生對設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理及操作方法的掌握往往停留在表觀認(rèn)識，其綜合實驗?zāi)芰八季S方法并不能得到很好的鍛煉，針對這樣的共性問題，許多同行都提出了不同的教學(xué)手段來進(jìn)行彌補和改善[2-4]，我們也曾在這方面的教學(xué)過程中進(jìn)行過一些探索[5-6]。然而，高分子材料分析測試技術(shù)這門課程的主要教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解現(xiàn)代材料分析的常用方法，熟悉各種分析設(shè)備的基本原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)和測試方法，以及學(xué)習(xí)如何對所得測試結(jié)果進(jìn)行分析。尤其是怎么準(zhǔn)確清楚地掌握不同測試技術(shù)的基本原理，是我們授課中一直在思考的問題。我們在教學(xué)中選用的是陳厚主編的《高分子材料分析測試與研究方法》[1]這本教材，結(jié)合多年的授課經(jīng)驗，本文重點分析電磁波作為不同檢測手段的光源，從共性光源的角度分析電磁波的作用，希望對學(xué)生們理解不同測試儀器的基本原理起到綱舉目張的作用。

1 電磁波的特點

眾所周知，電磁波是由相同且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，根據(jù)近代量子力學(xué)理論，電磁波具有波粒二象性，它是由一粒一粒的運動著的粒子組成的粒子流，這些粒子又稱為光子。根據(jù)電磁波波長的不同，可將電磁波及能量變化簡單示意如圖1所示。

圖1 電子波譜及能量躍遷示意圖Fig.1 Schematic diagram of electron spectrum and energy transition

常用的測試技術(shù)僅僅是涉及電磁波譜中的某一特定波段，這些波段被用來命名各種測試技術(shù)。所以可以用電磁波作為一條線，將各個測試技術(shù)串起來，找出共性的測試規(guī)律，以電磁波為特定理解符號，幫助理解不同測試技術(shù)的基本原理。

2 電磁波在高分子材料測試中的作用

材料的組成結(jié)構(gòu)決定其性能，許多分析測試技術(shù)作為橋梁將材料的組成結(jié)構(gòu)和性能結(jié)合起來。現(xiàn)代測試技術(shù)為人們認(rèn)識材料微區(qū)微觀結(jié)構(gòu)，研究微觀機理，以及新材料的開發(fā)和材料工藝的優(yōu)化設(shè)計等方面發(fā)揮著重要作用。材料的宏觀性能是由材料的組成、表面界面特性和微觀結(jié)構(gòu)所決定的。新材料研制、微區(qū)微觀結(jié)構(gòu)和性能研究，新現(xiàn)象、新機理和新效應(yīng)、新模型的建立都是建立在大量的數(shù)據(jù)測試基礎(chǔ)上的，都需要分析表征技術(shù)作支撐。

電磁波作為一種客觀存在的現(xiàn)象，具有幾個顯著的特征，如圖1所示：可分別用波長、頻率和能量來對其展譜。如果以其波長由短到長來展開，則其頻率是由高到低，其能量同樣是由高到低。如何將電磁波的這些特點與高分子材料的結(jié)構(gòu)建立起容易理解并且能牢固掌握的關(guān)系鏈?zhǔn)俏覀兩险n時強調(diào)的重點。這部分授課內(nèi)容直接聯(lián)系著《波譜分析》這門課程，但多年的授課情況卻是，在課堂上詢問學(xué)生《波譜分析》的內(nèi)容時，許多同學(xué)都記憶不深。這既有與《波譜分析》課程涉及的理論比較多有關(guān)，也存在學(xué)生是在大一大二期間學(xué)習(xí)該課，時間久有遺忘的因素。所以每當(dāng)講授這部分內(nèi)容時，我們常常對學(xué)生們強調(diào)一個觀點，具體的某個測試儀器的理論細(xì)節(jié)可能會記憶不完整，但關(guān)于這類儀器宏觀理論必需要在理解的基礎(chǔ)上掌握。要做到綱舉目張，這也是一種必要的學(xué)習(xí)方法。針對《高分子材料分析測試與研究方法》[1]教材中涉及到材料結(jié)構(gòu)鑒定這部分內(nèi)容我們強調(diào)“利用一根主線，聯(lián)系測試技術(shù)，對應(yīng)材料結(jié)構(gòu)”來幫助學(xué)生掌握涉及到波譜分析理論知識點。具體分析如下：

所謂“利用一根主線”，指的就是要時刻結(jié)合電磁波這一客觀存在的規(guī)律，即電磁波的不同波段有固定大小的能量。而“聯(lián)系測試技術(shù)”指的是不同波段的電磁波所具有的能量可以和紅外、拉曼、紫外、熒光、核磁等這些表征技術(shù)的原理聯(lián)系起來，表現(xiàn)為高分子材料會對特定波段的電磁波產(chǎn)生吸收、反射、散射、透過等物理現(xiàn)象。最后“對應(yīng)材料結(jié)構(gòu)”則指的是高分子材料由于自身結(jié)構(gòu)的特殊性對電磁波中的某一段特定的能量產(chǎn)生了上述的吸收、反射、散射、透過等物理現(xiàn)象，儀器將檢測到的這種特有的變化，再以譜線的形式表現(xiàn)出來，最終形成了某種測試技術(shù)。這里關(guān)鍵是要解釋清楚電磁波作為外界能量作用到材料上，材料是如何對電磁波的作用產(chǎn)生反應(yīng)的。我們知道，當(dāng)從微觀角度分析材料結(jié)構(gòu)時，不同的材料都有特定結(jié)構(gòu)的原子及分子組成，原子內(nèi)有原子核和核外電子，電子、原子核以及分子等都在一定軌道和層級中運動，也就是我們常說的原子軌道和分子軌道理論，根據(jù)量子力學(xué)的基本理論，原子或分子只能存在于以確定了能量為特征的某種狀態(tài)。在一定條件下，某種運動形式所處的最低能量狀態(tài)叫基態(tài)，而高于基態(tài)的各種能量狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)，體系能量以不連續(xù)的狀態(tài)存在。當(dāng)有外界能量作用到材料上時，比如，某段特定能量的電磁波照射材料，材料內(nèi)的原子或分子狀態(tài)相應(yīng)發(fā)生改變，對應(yīng)該原子或分子吸收或釋放出一定大小的能量恰好使其進(jìn)入另一狀態(tài)。即原子或分子吸收光子的能量從低能級躍遷到高能級，或發(fā)射光子的能量從高能級躍回到低能級。我們講課時重點強調(diào)，電磁波為不同的原子或分子狀態(tài)的能級變化提供了外在能量，進(jìn)而使人們結(jié)合材料的不同結(jié)構(gòu)特點開發(fā)出了紅外、拉曼、紫外、熒光、核磁等表征技術(shù)。形象的比喻就好像電磁波作為一條長線，串著一個個的表征技術(shù)，聯(lián)系這種現(xiàn)象的關(guān)鍵點就是能量與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。下面以幾種常用的結(jié)構(gòu)表征儀器的基本原理為例加以說明。

首先以紅外光譜理論講解為例，紅外光譜法是利用物質(zhì)分子對電磁波中紅外光譜輻射的吸收，在發(fā)生振動躍遷的同時，分子轉(zhuǎn)動能級也同樣會發(fā)生改變。并由其振動或者轉(zhuǎn)動而引起的偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，得到分子振動和轉(zhuǎn)動能級的變化從而產(chǎn)生振動-轉(zhuǎn)動光譜。當(dāng)紅外照射光的能量E=hv等于兩個振動能級間的能量差ΔE，從而產(chǎn)生紅外吸收光譜。講解紅外光譜的基本理論時我們重點強調(diào)的是，分子振動和轉(zhuǎn)動能級的差別是材料結(jié)構(gòu)決定的，正是這樣的客觀存在才有了和電磁波中紅外波段不同能量的客觀存在的對應(yīng)關(guān)系，從而結(jié)合上述的吸收條件產(chǎn)生了紅外光譜。當(dāng)然，涉及到紅外光譜中近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外以及不同官能團區(qū)和指紋區(qū)的吸收波數(shù)的差別，則要具體問題具體分析，這是在理解測試基本原理的基礎(chǔ)是上進(jìn)一步應(yīng)用的問題。

再以紫外-可見吸收光譜原理為例。紫外-可見吸收光譜法，是利用某些物質(zhì)對200 ～800 nm光譜區(qū)輻射的吸收進(jìn)行分析測定的一種方法。紫外吸收光譜屬于分子吸收光譜，是由于價電子利用物質(zhì)的分子或離子最外層電子在不同能級軌道上躍遷產(chǎn)生的，反應(yīng)了價電子在不同能級軌道躍遷時的能量變化與化合物所含發(fā)色基團之間的關(guān)系，從而可以對物質(zhì)的組成、含量、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析測定。由于各種材料的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，分子的能級千差萬別，各種能級之間的間隔也互不相同，這樣就決定了它們對不同波長光的選擇吸收。這里所選用的不同波長光就是電磁波譜中紫外-可見這個波段。這也與紅外光譜吸收類似，材料的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的客觀存在通過能量級差的不同對應(yīng)于紫外-可見波段的電磁波的能量。

第三種儀器以核磁共振為例，核磁共振波譜的基本原理是，在強磁場中，一些具有磁性的原子核和能量可以裂分為2個或2個以上的能級，如果此時外加的能量等于相鄰2個能級之差，則該原子核就會吸收能量，產(chǎn)生共振吸收，從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。而這里所吸收能量的大小相當(dāng)于頻率范圍在0.1～100 MHz的電磁波，這也是利用電磁波這一客觀規(guī)律來反映不同磁性核處在特定結(jié)構(gòu)中具有一定化學(xué)位移值的一種體現(xiàn)。

3 結(jié) 語

我們在授課當(dāng)中，首先強調(diào)電磁波在高分子材料結(jié)構(gòu)表征中的重要作用，通過電磁波能量的不同與不同表征技術(shù)的基本原理結(jié)合起來。其它相關(guān)表征技術(shù)如熒光光譜、拉曼光譜等均可類似理解。當(dāng)然，通過上述不同測試儀器基本原理的理解，同學(xué)們會進(jìn)一步加深理解應(yīng)用電磁波這一客觀存在分析研究材料結(jié)構(gòu)的重要作用，隨著人們對測試技術(shù)的深入研究，也許，將來還會有新的利用電磁波的某一波段來揭示材料結(jié)構(gòu)的新的儀器或測試技術(shù)會被發(fā)明。