關于電磁波在高分子材料測試課程教學中的思考*

張予東，李潤明，常海波

(河南大學化學化工學院，河南 開封 475004)

高分子材料是材料科學中重要的一類，其理論與應用隨著國民經濟的快速發展也在越來越被重視。其中高分子材料的檢測和分析技術對于材料的發展起著關鍵的作用，該課程的主要教學內容通常包括材料的結構鑒定方法、分子量研究方法、形態與形貌表征方法、熱性能、流變性能和力學性能表征等[1]，不同教材的側重點會有所不同。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備儀器，存在著設備量少、精密、貴重等特點，導致在傳統的實驗教學環節中多是以參觀或演示性實驗為主，學生對設備的結構、原理及操作方法的掌握往往停留在表觀認識，其綜合實驗能力及思維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手段來進行彌補和改善[2-4]，我們也曾在這方面的教學過程中進行過一些探索[5-6]。然而，高分子材料分析測試技術這門課程的主要教學目標是使學生了解現代材料分析的常用方法，熟悉各種分析設備的基本原理、設備結構和測試方法，以及學習如何對所得測試結果進行分析。尤其是怎么準確清楚地掌握不同測試技術的基本原理，是我們授課中一直在思考的問題。我們在教學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，結合多年的授課經驗，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射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，根據近代量子力學理論，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。所以可以用電磁波作為一條線，將各個測試技術串起來，找出共性的測試規律，以電磁波為特定理解符號，幫助理解不同測試技術的基本原理。

2 電磁波在高分子材料測試中的作用

材料的組成結構決定其性能，許多分析測試技術作為橋梁將材料的組成結構和性能結合起來。現代測試技術為人們認識材料微區微觀結構，研究微觀機理，以及新材料的開發和材料工藝的優化設計等方面發揮著重要作用。材料的宏觀性能是由材料的組成、表面界面特性和微觀結構所決定的。新材料研制、微區微觀結構和性能研究，新現象、新機理和新效應、新模型的建立都是建立在大量的數據測試基礎上的，都需要分析表征技術作支撐。

電磁波作為一種客觀存在的現象，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構建立起容易理解并且能牢固掌握的關系鏈是我們上課時強調的重點。這部分授課內容直接聯系著《波譜分析》這門課程，但多年的授課情況卻是，在課堂上詢問學生《波譜分析》的內容時，許多同學都記憶不深。這既有與《波譜分析》課程涉及的理論比較多有關，也存在學生是在大一大二期間學習該課，時間久有遺忘的因素。所以每當講授這部分內容時，我們常常對學生們強調一個觀點，具體的某個測試儀器的理論細節可能會記憶不完整，但關于這類儀器宏觀理論必需要在理解的基礎上掌握。要做到綱舉目張，這也是一種必要的學習方法。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構鑒定這部分內容我們強調“利用一根主線，聯系測試技術，對應材料結構”來幫助學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”，指的就是要時刻結合電磁波這一客觀存在的規律，即電磁波的不同波段有固定大小的能量。而“聯系測試技術”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的原理聯系起來，表現為高分子材料會對特定波段的電磁波產生吸收、反射、散射、透過等物理現象。最后“對應材料結構”則指的是高分子材料由于自身結構的特殊性對電磁波中的某一段特定的能量產生了上述的吸收、反射、散射、透過等物理現象，儀器將檢測到的這種特有的變化，再以譜線的形式表現出來，最終形成了某種測試技術。這里關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生反應的。我們知道，當從微觀角度分析材料結構時，不同的材料都有特定結構的原子及分子組成，原子內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，根據量子力學的基本理論，原子或分子只能存在于以確定了能量為特征的某種狀態。在一定條件下，某種運動形式所處的最低能量狀態叫基態，而高于基態的各種能量狀態叫激發態，體系能量以不連續的狀態存在。當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，材料內的原子或分子狀態相應發生改變，對應該原子或分子吸收或釋放出一定大小的能量恰好使其進入另一狀態。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，電磁波為不同的原子或分子狀態的能級變化提供了外在能量，進而使人們結合材料的不同結構特點開發出了紅外、拉曼、紫外、熒光、核磁等表征技術。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，聯系這種現象的關鍵點就是能量與結構的關系。下面以幾種常用的結構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分子對電磁波中紅外光譜輻射的吸收，在發生振動躍遷的同時，分子轉動能級也同樣會發生改變。并由其振動或者轉動而引起的偶極矩的凈變化，產生分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，得到分子振動和轉動能級的變化從而產生振動-轉動光譜。當紅外照射光的能量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的是，分子振動和轉動能級的差別是材料結構決定的，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關系，從而結合上述的吸收條件產生了紅外光譜。當然，涉及到紅外光譜中近紅外、中紅外和遠紅外以及不同官能團區和指紋區的吸收波數的差別，則要具體問題具體分析，這是在理解測試基本原理的基礎是上進一步應用的問題。

再以紫外-可見吸收光譜原理為例。紫外-可見吸收光譜法，是利用某些物質對200 ～800 nm光譜區輻射的吸收進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的分子或離子最外層電子在不同能級軌道上躍遷產生的，反應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色基團之間的關系，從而可以對物質的組成、含量、結構進行分析測定。由于各種材料的分子內部結構不同，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，材料的分子內部結構不同的客觀存在通過能量級差的不同對應于紫外-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，產生共振吸收，從低能態躍遷到高能態。而這里所吸收能量的大小相當于頻率范圍在0.1～100 MHz的電磁波，這也是利用電磁波這一客觀規律來反映不同磁性核處在特定結構中具有一定化學位移值的一種體現。

3 結 語

我們在授課當中，首先強調電磁波在高分子材料結構表征中的重要作用，通過電磁波能量的不同與不同表征技術的基本原理結合起來。其它相關表征技術如熒光光譜、拉曼光譜等均可類似理解。當然，通過上述不同測試儀器基本原理的理解，同學們會進一步加深理解應用電磁波這一客觀存在分析研究材料結構的重要作用，隨著人們對測試技術的深入研究，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構的新的儀器或測試技術會被發明。