关于电磁波在高分子材料测试课程教学中的思考*

张予东，李润明，常海波

(河南大学化学化工学院，河南 开封 475004)

高分子材料是材料科学中重要的一类，其理论与应用随着国民经济的快速发展也在越来越被重视。其中高分子材料的检测和分析技术对于材料的发展起着关键的作用，该课程的主要教学内容通常包括材料的结构鉴定方法、分子量研究方法、形态与形貌表征方法、热性能、流变性能和力学性能表征等[1]，不同教材的侧重点会有所不同。高分子材料分析测试与研究方法是一门实践性很强的课程，同时它又涉及到许多大型仪器的测试原理，理论性部分不易理解。由于涉及的都是大型设备仪器，存在着设备量少、精密、贵重等特点，导致在传统的实验教学环节中多是以参观或演示性实验为主，学生对设备的结构、原理及操作方法的掌握往往停留在表观认识，其综合实验能力及思维方法并不能得到很好的锻炼，针对这样的共性问题，许多同行都提出了不同的教学手段来进行弥补和改善[2-4]，我们也曾在这方面的教学过程中进行过一些探索[5-6]。然而，高分子材料分析测试技术这门课程的主要教学目标是使学生了解现代材料分析的常用方法，熟悉各种分析设备的基本原理、设备结构和测试方法，以及学习如何对所得测试结果进行分析。尤其是怎么准确清楚地掌握不同测试技术的基本原理，是我们授课中一直在思考的问题。我们在教学中选用的是陈厚主编的《高分子材料分析测试与研究方法》[1]这本教材，结合多年的授课经验，本文重点分析电磁波作为不同检测手段的光源，从共性光源的角度分析电磁波的作用，希望对学生们理解不同测试仪器的基本原理起到纲举目张的作用。

1 电磁波的特点

众所周知，电磁波是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，根据近代量子力学理论，电磁波具有波粒二象性，它是由一粒一粒的运动着的粒子组成的粒子流，这些粒子又称为光子。根据电磁波波长的不同，可将电磁波及能量变化简单示意如图1所示。

图1 电子波谱及能量跃迁示意图Fig.1 Schematic diagram of electron spectrum and energy transition

常用的测试技术仅仅是涉及电磁波谱中的某一特定波段，这些波段被用来命名各种测试技术。所以可以用电磁波作为一条线，将各个测试技术串起来，找出共性的测试规律，以电磁波为特定理解符号，帮助理解不同测试技术的基本原理。

2 电磁波在高分子材料测试中的作用

材料的组成结构决定其性能，许多分析测试技术作为桥梁将材料的组成结构和性能结合起来。现代测试技术为人们认识材料微区微观结构，研究微观机理，以及新材料的开发和材料工艺的优化设计等方面发挥着重要作用。材料的宏观性能是由材料的组成、表面界面特性和微观结构所决定的。新材料研制、微区微观结构和性能研究，新现象、新机理和新效应、新模型的建立都是建立在大量的数据测试基础上的，都需要分析表征技术作支撑。

电磁波作为一种客观存在的现象，具有几个显著的特征，如图1所示：可分别用波长、频率和能量来对其展谱。如果以其波长由短到长来展开，则其频率是由高到低，其能量同样是由高到低。如何将电磁波的这些特点与高分子材料的结构建立起容易理解并且能牢固掌握的关系链是我们上课时强调的重点。这部分授课内容直接联系着《波谱分析》这门课程，但多年的授课情况却是，在课堂上询问学生《波谱分析》的内容时，许多同学都记忆不深。这既有与《波谱分析》课程涉及的理论比较多有关，也存在学生是在大一大二期间学习该课，时间久有遗忘的因素。所以每当讲授这部分内容时，我们常常对学生们强调一个观点，具体的某个测试仪器的理论细节可能会记忆不完整，但关于这类仪器宏观理论必需要在理解的基础上掌握。要做到纲举目张，这也是一种必要的学习方法。针对《高分子材料分析测试与研究方法》[1]教材中涉及到材料结构鉴定这部分内容我们强调“利用一根主线，联系测试技术，对应材料结构”来帮助学生掌握涉及到波谱分析理论知识点。具体分析如下：

所谓“利用一根主线”，指的就是要时刻结合电磁波这一客观存在的规律，即电磁波的不同波段有固定大小的能量。而“联系测试技术”指的是不同波段的电磁波所具有的能量可以和红外、拉曼、紫外、荧光、核磁等这些表征技术的原理联系起来，表现为高分子材料会对特定波段的电磁波产生吸收、反射、散射、透过等物理现象。最后“对应材料结构”则指的是高分子材料由于自身结构的特殊性对电磁波中的某一段特定的能量产生了上述的吸收、反射、散射、透过等物理现象，仪器将检测到的这种特有的变化，再以谱线的形式表现出来，最终形成了某种测试技术。这里关键是要解释清楚电磁波作为外界能量作用到材料上，材料是如何对电磁波的作用产生反应的。我们知道，当从微观角度分析材料结构时，不同的材料都有特定结构的原子及分子组成，原子内有原子核和核外电子，电子、原子核以及分子等都在一定轨道和层级中运动，也就是我们常说的原子轨道和分子轨道理论，根据量子力学的基本理论，原子或分子只能存在于以确定了能量为特征的某种状态。在一定条件下，某种运动形式所处的最低能量状态叫基态，而高于基态的各种能量状态叫激发态，体系能量以不连续的状态存在。当有外界能量作用到材料上时，比如，某段特定能量的电磁波照射材料，材料内的原子或分子状态相应发生改变，对应该原子或分子吸收或释放出一定大小的能量恰好使其进入另一状态。即原子或分子吸收光子的能量从低能级跃迁到高能级，或发射光子的能量从高能级跃回到低能级。我们讲课时重点强调，电磁波为不同的原子或分子状态的能级变化提供了外在能量，进而使人们结合材料的不同结构特点开发出了红外、拉曼、紫外、荧光、核磁等表征技术。形象的比喻就好像电磁波作为一条长线，串着一个个的表征技术，联系这种现象的关键点就是能量与结构的关系。下面以几种常用的结构表征仪器的基本原理为例加以说明。

首先以红外光谱理论讲解为例，红外光谱法是利用物质分子对电磁波中红外光谱辐射的吸收，在发生振动跃迁的同时，分子转动能级也同样会发生改变。并由其振动或者转动而引起的偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动和转动能级的变化从而产生振动-转动光谱。当红外照射光的能量E=hv等于两个振动能级间的能量差ΔE，从而产生红外吸收光谱。讲解红外光谱的基本理论时我们重点强调的是，分子振动和转动能级的差别是材料结构决定的，正是这样的客观存在才有了和电磁波中红外波段不同能量的客观存在的对应关系，从而结合上述的吸收条件产生了红外光谱。当然，涉及到红外光谱中近红外、中红外和远红外以及不同官能团区和指纹区的吸收波数的差别，则要具体问题具体分析，这是在理解测试基本原理的基础是上进一步应用的问题。

再以紫外-可见吸收光谱原理为例。紫外-可见吸收光谱法，是利用某些物质对200 ～800 nm光谱区辐射的吸收进行分析测定的一种方法。紫外吸收光谱属于分子吸收光谱，是由于价电子利用物质的分子或离子最外层电子在不同能级轨道上跃迁产生的，反应了价电子在不同能级轨道跃迁时的能量变化与化合物所含发色基团之间的关系，从而可以对物质的组成、含量、结构进行分析测定。由于各种材料的分子内部结构不同，分子的能级千差万别，各种能级之间的间隔也互不相同，这样就决定了它们对不同波长光的选择吸收。这里所选用的不同波长光就是电磁波谱中紫外-可见这个波段。这也与红外光谱吸收类似，材料的分子内部结构不同的客观存在通过能量级差的不同对应于紫外-可见波段的电磁波的能量。

第三种仪器以核磁共振为例，核磁共振波谱的基本原理是，在强磁场中，一些具有磁性的原子核和能量可以裂分为2个或2个以上的能级，如果此时外加的能量等于相邻2个能级之差，则该原子核就会吸收能量，产生共振吸收，从低能态跃迁到高能态。而这里所吸收能量的大小相当于频率范围在0.1～100 MHz的电磁波，这也是利用电磁波这一客观规律来反映不同磁性核处在特定结构中具有一定化学位移值的一种体现。

3 结 语

我们在授课当中，首先强调电磁波在高分子材料结构表征中的重要作用，通过电磁波能量的不同与不同表征技术的基本原理结合起来。其它相关表征技术如荧光光谱、拉曼光谱等均可类似理解。当然，通过上述不同测试仪器基本原理的理解，同学们会进一步加深理解应用电磁波这一客观存在分析研究材料结构的重要作用，随着人们对测试技术的深入研究，也许，将来还会有新的利用电磁波的某一波段来揭示材料结构的新的仪器或测试技术会被发明。