第1章 绪论
【思维导图】 001
【思政案例】 爱国奉献——科学家精神 001
1.1 材料科学的概念 001
1.2 材料结构与研究方法 002
参考文献 003

第2章 原子结构与表征
【本章导读】 004
【思维导图】 004
【思政案例】 爱国奉献——“两弹一星”精神 005
2.1 量子力学基础 005
2.1.1 微观粒子的运动特征 005
2.1.2 量子力学基本假设 008
2.1.3 箱中粒子的薛定谔方程及其解 013
2.1.4 扫描隧道显微镜 015
【思政案例】 勇于创新——勇攀高峰 019
2.2 原子结构和性质 019
2.2.1 单电子原子的薛定谔方程及其解 020
2.2.2 多电子原子的结构 030
2.3 电子与固体物质的相互作用 036
【思政案例】 求真务实——责任担当 037
2.4 扫描电子显微分析 037
2.4.1 扫描电子显微镜原理 037
2.4.2 扫描电镜主要结构 038
2.4.3 扫描电镜主要指标 040
2.4.4 扫描电子显微镜在材料分析中的应用 041
【思政案例】 独出新材——绿色低碳 049
2.5 电子探针X 射线显微分析 049
2.5.1 电子探针的构造和工作原理 049
2.5.2 电子探针在材料分析中的应用 054
思考题 058
参考文献 059

第3章 分子结构及光谱分析（一）
【本章导读】 060
【思维导图】 060
【思政案例】 求真务实——化学键理论的发展史 061
3.1 化学键概述 061
3.2 H2+的分子轨道和共价键的本质 061
3.2.1 氢分子离子的薛定谔方程 062
3.2.2 变分原理与线性变分法 062
3.2.3 H2+的变分原理 063
3.2.4 关于特殊积分的讨论和H2+能量曲线 064
3.3 分子轨道理论 066
3.3.1 简单分子轨道理论 066
3.3.2 分子轨道的分类和分布特点 066
3.3.3 同核双原子分子的结构 069
3.3.4 异核双原子分子的结构 072
3.3.5 双原子分子的光谱项 073
3.4 双原子分子光谱 074
【思政案例】 勇于创新——光谱分析的起源故事 074
3.4.1 分子光谱简介 074
3.4.2 双原子分子的转动光谱 076
3.4.3 双原子分子的振动光谱 078
3.4.4 双原子分子的振动-转动光谱 081
3.5 多原子分子的结构和性质 082
3.5.1 价电子对互斥理论（VSEPR） 082
3.5.2 杂化轨道理论 083
3.5.3 离域分子轨道理论 084
3.5.4 休克尔分子轨道法（HMO 法） 084
3.6 多原子分子光谱概论 084
【思政案例】 爱国奉献——青春中国，光谱计划 084
3.6.1 多原子分子光谱的分类 085
3.6.2 多原子分子的振动光谱 085
思考题 086
参考文献 086

第4章 分子结构及光谱分析（二）
【本章导读】 087
【思维导图】 087
4.1 拉曼散射光谱 088
【思政案例】 求真务实——拉曼光谱铸“慧眼” 088
4.1.1 拉曼散射光谱概述 088
4.1.2 拉曼散射的条件 088
4.1.3 拉曼散射光谱的应用 089
4.1.4 拉曼散射光谱技术的特点 089
4.1.5 拉曼散射光谱在材料研究中的应用 090
4.2 光电子能谱 097
【思政案例】 爱国奉献——中国光谱新时代 098
4.2.1 光电子能谱简介 098
4.2.2 光电子能谱实验技术 101
4.2.3 光电子能谱在材料研究中的应用 106
4.3 紫外可见吸收光谱 110
4.3.1 紫外可见吸收光谱简介 110
4.3.2 紫外可见吸收光谱仪 110
4.3.3 紫外可见吸收光谱分类 110
4.3.4 紫外可见吸收光谱测定试样制备 113
4.3.5 紫外可见吸收光谱在材料研究中的应用 113
4.4 红外吸收光谱 117
【思政案例】 勇于创新——红外光谱的发现史 117
4.4.1 红外光谱概述 117
4.4.2 傅里叶红外吸收光谱仪 119
4.4.3 红外测试试样制备 119
4.4.4 红外光谱解析 120
4.4.5 红外光谱在材料研究中的应用 124
4.5 俄歇电子能谱 131
【思政案例】 勇于创新——俄歇电子能谱的奠基人皮埃尔·俄歇 131
4.5.1 俄歇电子能谱概述 131
4.5.2 俄歇电子能谱分析 134
4.5.3 俄歇电子能谱在材料研究中的应用 138
4.6 核磁共振吸收波谱 140
4.6.1 核磁共振基本原理及核磁共振波谱仪 140
4.6.2 试样制备 141
4.6.3 化学位移与自旋分裂 141
4.6.4 核磁共振氢谱及应用 143
思考题 145
参考文献 146

第5章 晶体结构与表征
【本章导读】 147
【思维导图】 147
【思政案例】 爱国奉献——科技报国 148
5.1 晶体 148
5.1.1 晶体的形成 148
5.1.2 点阵、结构基元和晶胞 148
5.1.3 点阵参数和晶胞参数 149
5.2 晶面与晶向 151
5.2.1 晶面指数与晶向指数 151
5.2.2 晶面间距、晶面夹角 153
5.2.3 倒点阵（倒格子） 155
5.3 X 射线衍射几何条件 158
5.3.1 Bragg 定律 159
5.3.2 倒易空间与衍射条件（厄瓦尔德图解） 161
5.4 X 射线衍射仪法分析 163
5.4.1 衍射仪法 163
5.4.2 衍射仪的调整与工作方式 168
5.4.3 X 射线衍射分析在材料分析中的应用 169
5.5 透射电子显微分析 174
【思政案例】 勇于创新——勇攀高峰 174
5.5.1 透射电子显微镜结构 174
5.5.2 透射电镜的主要性能指标 178
5.5.3 电子衍射 179
5.5.4 透射电子显微镜在材料分析中的应用 181
5.6 热分析技术 182
5.6.1 差热分析 183
5.6.2 差示扫描量热分析 187
5.6.3 热重分析 190
5.6.4 热分析技术的应用 194
思考题 200
参考文献 201

第6章 金属的结构与表征
【本章导读】 202
【思维导图】 202
【思政案例】 独出新材——钢渣碳中和 203
6.1 金属的性质 203
6.1.1 金属键的自由电子模型 203
6.1.2 固体能带理论 204
6.2 等径圆球的密堆积 206
6.2.1 等径圆球的最密堆积 206
6.2.2 等径圆球的体心立方密堆积 209
6.2.3 等径圆球密堆积中空隙的大小和分布 209
6.3 合金的结构和性质 210
6.3.1 金属固溶体 211
6.3.2 金属化合物 212
6.3.3 金属间隙化合物 213
6.4 固体的表面结构和性质 213
6.5 场离子显微镜 214
【思政案例】 求真务实——踏实肯干 214
6.5.1 场离子显微镜的结构和成像原理 215
6.5.2 场离子显微镜的应用 215
6.6 离子散射谱 218
6.6.1 低能离子散射与高能离子散射 218
6.6.2 低能离子散射谱仪 219
6.6.3 LEISS 应用 220
6.7 穆斯堡尔谱法 222
6.7.1 穆斯堡尔效应 222
6.7.2 穆斯堡尔效应的测量 223
6.7.3 化学位移 224
6.7.4 四极分裂 224
6.7.5 磁超精细场 225
6.7.6 穆斯堡尔谱的应用 226
思考题 229
参考文献 229

第7章 材料计算模拟方法
【本章导读】 230
【思维导图】 230
【思政案例】 爱国奉献——邓稼先科学家的“计算焦虑” 231
7.1 计算机模拟的起源 231
7.2 第一性原理计算——密度泛函理论 233
7.2.1 密度泛函理论背景 233
【思政案例】 独出新材——第一性原理计算2019-nCoV 病毒分子3CL 水解酶结构 234
7.2.2 密度泛函理论基础 234
7.2.3 第一性原理的研究现状及计算常用软件 243
7.2.4 第一性原理在材料研究中的应用 245
7.3 分子动力学 251
7.3.1 分子动力学基本原理 252
7.3.2 分子动力学方法在材料研究中的应用 259
7.4 蒙特卡洛法 269
7.4.1 基本思想和一般过程 269
7.4.2 随机数与伪随机数 270
7.4.3 随机抽样 277
7.4.4 蒙特卡洛法的精度与改进 285
7.4.5 蒙特卡洛法在材料研究中的应用 287
思考题 289
参考文献 290

第8章 材料复杂综合问题解决案例分析
【本章导读】 292
【思维导图】 292
8.1 医用钛合金梯度复合材料复杂综合问题解决实操案例 293
8.1.1 工程问题案例背景 293
8.1.2 问题分析总体思路 293
8.1.3 拟采用的测试手段 294
8.1.4 与专业知识点关系 294
8.1.5 实操过程分析结果 295
8.1.6 案例分析总结反思 304
8.2 耐高温聚苯腈合金树脂复杂综合问题解决实操案例 306
8.2.1 工程问题案例背景 306
8.2.2 问题分析总体思路 306
8.2.3 拟采用的测试手段 306
8.2.4 与专业知识点关系 306
8.2.5 实操过程分析结果 306
8.2.6 案例分析总结反思 319
8.3 钢渣捕获二氧化碳材料复杂综合问题解决实操案例 319
8.3.1 工程问题案例背景 319
8.3.2 问题分析总体思路 319
8.3.3 拟采用的测试手段 319
8.3.4 与专业知识点关系 319
8.3.5 实操过程分析结果 320
8.3.6 案例分析总结反思 330
思考题 330
参考文献 330