作者：杜芳林、王兆波、肖海连 等 编著
出版社：化学工业出版社
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实用材料科学与工程虚拟仿真实验教程试读：
前言
前 言实验教学是创新人才培养体系的重要组成部分，高等学校的实验教学也是实践教育环节的重要组成部分，对于提高学生的综合素质、培养学生的创新意识、创新精神以及实践能力，有着不可替代的作用。实验教学不仅能够巩固课堂教学的理论内容，增加感性认识，而且能够培养学生实事求是的精神及理论联系实际的学风、严谨治学的态度。总之，实验教学与理论教学是相辅相成的，也是统筹协调的。
大型仪器的资源有限，目前高等学校的大型仪器实验教学仍然大多仅限于演示性实验，学生没有动手实践的机会，难以达到实验教学的预期目的。针对这一问题，引入大型仪器虚拟仿真操作平台，依据实验室实际布局搭建模型，每个虚拟仿真实验操作均可提示正确的操作步骤及实验过程中的注意事项，操作画面具有环境真实感、操作灵活性和独立自主性；为学生提供一个三维高仿真度、高交互操作、全程参与式、可提供实时信息反馈与操作指导的虚拟操作平台。总之，虚拟仿真实验是一条可行性高的大型仪器实验教学改革之路，也是学生自主地获取知识和技能，体验和了解科学研究的过程和方法，形成和提高创新意识的活动过程，必将对实验教育教学的改革与发展起到积极的促进作用。
基于上述原则，本书在编写时强调通过对虚拟仿真实验课程的学习，重视对实验技能、创新能力的培养和训练。本书中涉及的虚拟仿真软件是由北京欧倍尔软件技术开发有限公司及山东星科智能科技股份有限公司制作的，本书内容也主要参照本软件进行编写。通过本书能帮助学生更加深刻地掌握本专业学习的各门专业课基础知识，从而为培养出有探索精神的创新型人才打下坚实的基础。全书力求覆盖面宽、内容精选、简明适用，既可以作为材料科学与工程相关专业师生的教学参考书或教材，也可供从事材料科学的技术人员和科研人员参考。
本书由杜芳林、王兆波、肖海连等编著。此外，白强、于薛刚、于寿山、李斌、孙瑞雪、李成栋、刘春廷、单妍、刘静、董红周、张萍萍、隋静、姜迎静、赵云琰等老师也参与了本书的编写工作。全书由白强老师负责进行核校。本书的出版得到了青岛科技大学材料科学与工程学院有关老师的热情支持和帮助，在此谨表谢意！
限于编著者的水平和经验，书中一定有很多不完善和不妥之处，望读者不吝指正。 编著者 2019年1月第一章 X射线和光电子能谱分析仿真实验实验1 X射线衍射物相分析仿真实验一、实验目的（1）了解X射线衍射仪的结构及工作原理。（2）掌握X射线衍射样品的制备。（3）掌握X射线衍射仪的操作。（4）了解运用X射线衍射分析软件进行物相分析的方法。二、实验仪器
Smart Lab（9kW，日本理学）X射线衍射仪虚拟仿真软件一套。三、实验原理
晶体结构可以用三维点阵来表示。每个点阵点代表晶体中的一个基本单元，如离子、原子或分子等。空间点阵可以从各个方向予以划分，而成为许多组平行的平面点阵。因此，晶体可以看成是由一系列具有相同晶面指数的平面按一定距离分布形成的。各种晶体具有不同的基本单元、晶胞大小、对称性，因此，每一种晶体都必然存在着一系列特定的晶面间距d值，可以用于表征不同的晶体。
X射线波长λ与晶面间距相近，可以产生衍射。晶面间距d和X射线波长的关系可以用布拉格方程来表示：2dsinθ=nλ（hkl）n
根据布拉格方程，不同的晶面，其对X射线的衍射角也不同。
每一种结晶物质都有各自独特的化学组成和晶体结构。没有任何两种物质，它们的晶胞大小、质点种类及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，当X射线被晶体衍射时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个衍射晶面间距d和衍射线的相对强度I/I来表征。晶面间距d与晶胞的形状和大小有关，相对强度1则与质点的种类及其在晶胞中的位置有关。所以，任何一种结晶物质的衍射数据d和I/I是其晶体结构的必然反映。因此，通过测定晶体对1X射线的衍射，就可以得到它的X射线粉末衍射图，与数据库中的已知X射线粉末衍射图对照就可以确定其物相。四、实验操作（1）仪器开机
①开启循环水机电闸，开启循环水机开关：
②开启仪器电闸开关，然后开启仪器背部总电源开关：
③开启仪器控制面板电源开关：
④按下“DOOR LOCK”键，然后右击舱门，点击“开启舱门”下拉菜单：
⑤在菜单栏“仪器配置”栏目中，选择实验时需要用到的样品台：（2）样品制备
①在菜单栏“样品制备”栏目中，选择实验时需要的样品：
②右击对应的样品片，点击“装入样品”：
③右击对应的样品片，点击“压片”：
④右击对应的样品片，点击“放入样品台”：
⑤关闭舱门，按“DOOR LOCK”键锁紧：（3）测试过程
①开启电脑主机电源：
②点击桌面上Smart lab图标，打开工作站：
③输入用户名后，点击“OK”进入工作站主界面。
④在菜单栏“Control”选项中选择“XG Control”：
在“XG Control”窗口下“Vacuum”栏目中点击“START”键，开始抽真空：
⑤此时观察左下角状态栏真空参数，该参数小于200 mV时，点击“XG Control”窗口中“X-Ray”栏目中的“ON”按钮，开启X射线开关：
⑥关闭“XG Control”窗口，在菜单栏打开“Aging”窗口，点击“Execute”键，开始老化过程：
当“Hardware Control”窗口消失后，老化过程完毕。
当老化过程完毕后，在“Aging”窗口中点击“OK”键关闭该窗口。
⑦左侧栏目中点击“1 Optics Alignment （BB）”栏目，在弹出窗口中点击“Execute”键：
在“Optics Alignment”窗口中，点击“OK”键关闭该窗口。
⑧左侧栏目中点击“2 Smaple Alignment（BB）”栏目，在弹出窗口中点击“Execute”键：
在“Sample Alignment（BB）”窗口中，点击“OK”键关闭该窗口。
⑨左侧栏目中点击“3 General Measurement （BB）”栏目，在弹出窗口中设置参数。
点击“File name”栏目后，点击按钮设置保存路径：
根据实验需求在参数栏中设置参数：
● Scan axis扫描轴。通常采用“Theta/2Theta”，意为联动扫描，即测试过程中X射线发生器和探测器一起联动。
● Mode测量模式。通常选择“Continuous”，“Step”代表步进扫描，“Continuous”代表连续扫描。
● Range区间选择。通常选择“Absolute”（绝对的）。
● Start/Stop起始/终止角度。有机样品为3°～90°，无机样品为10°～90°；也可以调到小范围观察某一个峰，具体根据不同实验要求来设置。
● Step步长。通常为0.02°，即每走0.02°采集一个数据点；对于Speed扫描速度，通常为4°～10°，即扫描速度为每分钟4°～10°；扫描速度过快会导致误差变大。
● IS/RS1/RS2表示DS狭缝、SS狭缝和RS狭缝，设置值为2/3、2/3、0.45。
● Attenuator衰减期吸收片，一定调成“Auto”。因为闪烁计数器接收强度范围不能超过400 kcps。本仪器为自动选择吸收片（大多数仪器要手动插拔），这是为了防止探测器被打坏。
设置完成后，勾选需要测试的实验；勾选后点击“Execute”开始测试。
在弹出窗口中点击“OK”关闭窗口，然后等待反应结束。
反应结束后，关闭“General measurement”窗口。（4）关机过程
①打开“XG Control”窗口，在电压栏目中输入20mV、电流栏目中输入10mA，然后点击“Set”键：
②在“X-Ray”栏目中点击“OFF”键，关闭X射线；关闭X射线后在“Vacuum”栏目中点击“STOP”关闭真空。
③关闭“Smart lab”工作站。
④按下“DOOR LOCK”键，拉开舱门，右击样品片，点击“取回并清理”：
⑤关闭舱门，按下“DOOR LOCK”键锁紧。
⑥关闭仪器背部总电源，关闭循环水机电源。
⑦关闭仪器总电闸，关闭循环水机电闸。五、思考题（1）X射线衍射仪的工作过程是怎样的？（2）为什么待测试样表面必须为平面？（3）在连续扫描测量中，为什么要采用θ-2θ联动的方式？实验2 X射线单晶衍射仪测定溶菌酶晶体结构仿真实验一、实验目的（1）了解X射线单晶衍射仪基本结构及工作原理。（2）了解X射线单晶衍射仪操作流程及注意事项。（3）掌握挑单晶、对单晶的基本方法。二、实验仪器
日本理学MicroMax-007HF，X射线单晶衍射仪虚拟仿真软件。三、实验原理（1）单晶衍射实验功能介绍
X射线衍射在材料学、化学、矿物学及晶体学中起着极其重要的作用，它是研究一切结晶物质结构和物相的主要手段。单晶结构分析应用范围十分广泛，凡是可获得单晶体的样品均可用于分析。该方法样品用量少，只需0.5mm大小的晶体一粒，即可获得被测样品的全部三维信息，结构包括原子间的键长、键角，分子在晶体中的堆积方式，分子在晶体中的相互作用以及氢键关系，π-π相互作用等各种有用信息。单晶结构分析是有机合成、不对称化学反应、配合物研究、新药合成、天然提取物分子结构、矿物结构以及各种新材料结构与性能关系研究中不可缺少的最直接、最有效、最权威的方法之一。（2）单晶的培养
晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速率：晶核形成快就会形成大量微晶，并易出现晶体团聚；生长速率太快会引起晶体缺陷。品质好的晶体应该是透明、没有裂痕、表面干净、有光泽、外形规整并且有一定的几何形状、大小合适。对单晶分析样品的要求是选择和安装上机的样品应尽可能选择成球形的单晶或晶体碎片，直径大小在0.1～0.7mm。（3）晶体结构和晶体学参数分析
①单晶结构分析结果主要由以下参数表达：晶胞参数、原子坐标参数、键长和键角、电子密度和结构振幅等。其中，晶胞参数、原子坐标参数、键长和键角等数据的准确度，通常采用最大可能的偏差值表示。结构振幅的计算值和实验值的偏差，常用偏差因子R表示，R的数值小，表示结构的准确度高；正确的结构模型，经过精细修整，R可达到0.05以下。R=∑（|F|-|F|）/∑|F|aca
式中，F为实测的各网面结构因子；F为对应结构因子的计算值。ac
②精修质量好坏的另一个指标是“拟合优度”S：21/2S=［（∑wΔ）/（m-n）］
S值也称为GOOF（goodness fit）值，m为衍射点数目，n为参加精修的参量数目。如果权重方案合适，结构正确，S值接近于1。
③在数据解析完成后，应将.cif文件上传至国际晶体学会（http：//checkcif.iucr.org），检查有无错误。四、实验步骤（1）仪器开机
①开启循环水机开关。
②打开液氮供应控制仪开关、液氮程序控制开关、液氮体积控制开关：
③打开左侧舱门，开启仪器主电源开关：
④打开右侧舱门，开启真空泵电源开关：
⑤开启单晶衍射仪操作面板总开关：
⑥开启真空泵电源开关，直到真空度125mV以下时打开Xray电源：（2）运行液氮冷却程序
①点击Cryopad工作站图标，打开控制供给液氮的工作站，选择“Cool”模式，在“Target Temp”栏目中设定目标温度，然后点击“Execute Now”执行：
②点击液氮控制面板上“START”，运行冷却程序。（3）运行升电压程序
①点击切换系统按钮，切换至“Linux”系统，打开“X-Ray Generator Control”工作站：
②点击工具栏“Instrument”中“XG Script Tool”选项，在下拉菜单中选中“MM007HFCuRamp Up.xgr”条目，然后点击“Run”按钮运行升电压程序：（4）挑单晶过程
①将X射线单晶衍射仪舱门拉开。
②开启舱门后，取下光束截捕器，放于实验桌上：
③打开单晶盒盖：
④移至显微镜下观察，确定晶体位置：
⑤观察结束后，取回单晶盒：
⑥从载玻片盒中取出载玻片至单晶盒盖上：
⑦在载玻片上滴防冻液：
⑧右击单晶盒，点击取出晶体：
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]