儀器分析：第七章 X射線光譜和表面分析法 X射線熒光分析

*第七章

X射線光譜和表面分析法7.1.1

概述7.1.2

X射線熒光分析法的基本原理7.1.3X射線熒光光譜儀7.1.4分析方法與應(yīng)用第一節(jié)X射線熒光光譜法X-rayspectrometryandsurfaceanalysisX-rayfluorescencespectrometry*7.1.1概述

材料科學(xué)的發(fā)展，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、表面微區(qū)、剖面逐層分析有更高要求。晶體：晶胞參數(shù)、晶體構(gòu)型。材料表面：?jiǎn)卧訉拥綆孜⒚字饘臃治?。催化劑：表面特性分析。古董：古畫、陶瓷等，無損檢測(cè)。

X射線光譜分析和電子能譜分析發(fā)揮著重要作用*概述

X射線：波長(zhǎng)0.001～10nm。X射線的能量與原子軌道能級(jí)差的數(shù)量級(jí)相同。*

X射線熒光分析X射線光譜X射線熒光分析X射線吸收光譜X射線衍射分析利用元素內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的熒光光譜，應(yīng)用于元素的定性、定量分析；固體表面薄層成分分析。電子能譜分析利用元素受激發(fā)射的內(nèi)層電子或價(jià)電子的能量分布進(jìn)行元素的定性、定量分析；固體表面薄層成分分析。電子能譜分析紫外光電子能譜X射線光電子能譜Auger電子能譜*共同點(diǎn)(1)同屬原子發(fā)射光譜的范疇。(2)涉及元素內(nèi)層電子。(3)以X射線為激發(fā)源。(4)可用于固體表層或薄層分析。

*7.1.2X射線熒光法的基本原理1.初級(jí)X射線的產(chǎn)生

X-射線：波長(zhǎng)0.001～10nm的電磁波；波長(zhǎng)0.01～2.4nm，超鈾K系譜線～鋰K系譜線；高速電子撞擊陽極(Cu，Cr等重金屬)：熱能(99%)+X射線(1%)。

高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)，產(chǎn)生X射線輻射。*2.X射線光譜（1）連續(xù)X射線光譜

電子→靶原子，產(chǎn)生連續(xù)的電磁輻射，連續(xù)的X射線光譜。成因：大量電子的能量轉(zhuǎn)換是一個(gè)隨機(jī)過程，多次碰撞；陰極發(fā)射電子方向差異，能量損失隨機(jī)。

*（2）X射線特征光譜特征光譜產(chǎn)生：碰撞→躍遷↑(高)→空穴→躍遷↓(低)特征譜線的頻率：

R=1.097×107m-1,Rydberg常數(shù)；σ核外電子對(duì)核電荷的屏蔽常數(shù)；n電子殼層數(shù)；c光速；Z原子序數(shù)；

不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎(chǔ)。

*躍遷定則：(1)主量子數(shù)

n≠0(2)角量子數(shù)

L=±1(3)內(nèi)量子數(shù)

J=±1，0J為L(zhǎng)與磁量子數(shù)矢量和S；

n=1,2,3，

線系,線系,線系。L→K層K

：K1、K2M→K層K

：K1、K2N→K層K

：K

1、K

2M→L

層L

：L1、L2N→L層L

：

L1、L2N→M層M

：M1、M2*特征光譜——定性依據(jù)L→K層；K

線系；n1=2，n2=1，則不同元素具有自己的特征譜線——定性基礎(chǔ)；譜線強(qiáng)度——定量。*3.X射線的吸收、散射與衍射(1)X射線的吸收

dI0=-I0

l

dl

l：線性衰減系數(shù)；

dI0=-I0

m

dm

m：質(zhì)量衰減系數(shù)；

dI0=-I0

n

dn

n：原子衰減系數(shù)；

衰減系數(shù)的物理意義：?jiǎn)挝宦烦?cm)、單位質(zhì)量(g)、單位截面(cm2)遇到一個(gè)原子時(shí)，強(qiáng)度的相對(duì)變化（衰減）；

符合光吸收定律：

I=I0

exp(-

l

l)

固體試樣時(shí)，采用

m

=

l

/

（

：密度）*X射線的吸收

X射線的強(qiáng)度衰減：吸收+散射；總的質(zhì)量衰減系數(shù)

m

：

m

=

m

+

m

m

：質(zhì)量吸收系數(shù)；

m：質(zhì)量散射系數(shù)；

NA：Avogadro常數(shù)；Ar

：相對(duì)原子質(zhì)量；k：隨吸收限改變的常數(shù)；Z：吸收元素的原子序數(shù)；

：波長(zhǎng)。

X射線的

↑，Z

↑，越易吸收；

↓，穿透力越強(qiáng)。*元素的X射線吸收光譜

吸收限(吸收邊)：一個(gè)特征X射線譜系的臨界激發(fā)波長(zhǎng)；在元素的X射線吸收光譜中，質(zhì)量吸收系數(shù)發(fā)生突變；呈現(xiàn)非連續(xù)性；上一個(gè)譜系的吸收結(jié)束，下一個(gè)譜系的吸收開始處。能級(jí)(M→K)↓,

吸收限(波長(zhǎng))↓，激發(fā)需要的能量↑。*(2)X射線的散射

X射線的強(qiáng)度衰減：吸收+散射。X射線的

↑，Z

↑，越易吸收，吸收>>散射，吸收為主；

↓，Z↓，穿透力越強(qiáng)，對(duì)輕元素N,C,O，散射為主。(a)

相干散射(Rayleigh散射，彈性散射)

E較小、

較長(zhǎng)的X射線→碰撞(原子中束縛較緊、Z較大電子)→新振動(dòng)波源群（原子中的電子）；與X射線的周期、頻率相同，方向不同。實(shí)驗(yàn)可觀察到該現(xiàn)象；測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)。

X射線碰撞新振動(dòng)波源群相干散射*（b）非相干散射Comptom散射、非彈性散射；Comptom-吳有訓(xùn)效應(yīng)。

X射線非彈性碰撞

，方向，變反沖電子波長(zhǎng)、周相不同，無相干=-=K(1-cos

)K

與散射體和入射線波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)；

Z↓，非相干散射↑；衍射圖上出現(xiàn)連續(xù)背景。*(3)X射線的衍射

相干散射線的干涉現(xiàn)象；

相等，相位差固定，方向同，n

中n不同，產(chǎn)生干涉。

X射線的衍射線：

大量原子散射波的疊加、干涉而產(chǎn)生最大程度加強(qiáng)的光束；Bragg衍射方程：

DB=BF=dsin

n=2dsin

光程差為

的整數(shù)倍時(shí)相互加強(qiáng)。*Bragg衍射方程及其作用

n=2dsin

|sin

|≤1；當(dāng)n=1

時(shí)，n/2d=|sin|≤1，即

≤2d只有當(dāng)入射X射線的波長(zhǎng)

≤2倍晶面間距時(shí)，才能產(chǎn)生衍射。Bragg衍射方程重要作用：(1)已知

，測(cè)

角，計(jì)算d；(2)已知d的晶體，測(cè)

角，得到特征輻射波長(zhǎng)

，確定元素，X射線熒光分析的基礎(chǔ)。*4.X-射線熒光的產(chǎn)生特征X射線熒光—特征X射線光譜碰撞內(nèi)層電子躍遷↑H空穴外層電子躍遷↓LX射線熒光X射線熒光

>初級(jí)X射線

(能量小)(能量稍大)激發(fā)過程能量稍許損失；依據(jù)發(fā)射的X射線熒光

，可以確定待測(cè)元素——定性X射線熒光強(qiáng)度——定量*Auger效應(yīng)Auger電子：次級(jí)光電子各元素的Auger電子能量固定。（電子能譜分析法的基礎(chǔ)）碰撞內(nèi)層電子躍遷↑H空穴外層電子躍遷↓L原子內(nèi)吸收另一電子激發(fā)Auger效應(yīng)熒光輻射競(jìng)爭(zhēng)幾率電子能譜分析自由電子Z<11的元素；重元素的外層空穴。重元素內(nèi)層空穴；K,L層。*莫斯萊（Moseley）定律

元素的熒光X射線的波長(zhǎng)()隨元素的原子序數(shù)(Z)增加，有規(guī)律地向短波方向移動(dòng)。K，S

常數(shù)，隨譜系(L，K，M，N)而定。定性分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。測(cè)定試樣的X射線熒光光譜，確定各峰代表的元素。*熒光產(chǎn)率

產(chǎn)生X射線熒光發(fā)射的概率通常定義為熒光產(chǎn)率

：

Z=11的元素，

K的值非常小（

0.01），原子序數(shù)高的元素的

K值趨近于1。X射線熒光法對(duì)輕元素的靈敏度很低。*譜線系X射線的特征線可分成若干線系，由各能級(jí)上的電子向同一殼層躍遷的為同一線系。（1）K系譜線

由K層空穴產(chǎn)生的所有特征X射線；見圖：L3

K的躍遷產(chǎn)生能量為6.404keV(193.60pm)，以FeK-L3(K

1線)表示。L2

K(K

2線)。K

1和K

1能量差小，不能分辨，用符號(hào)K-L3,2（或K

）表示雙線。涉及M或N層的躍遷稱為K

線，K

線比K

線有較高的能量，相對(duì)強(qiáng)度較弱。*譜線表示符號(hào)Siegbahn

符號(hào)：K

，K

，…IUPAC推薦：K-L3，K-M3,2

，…(2)L系譜線和M系譜線L系譜線光譜復(fù)雜。L線常用于測(cè)定原子序數(shù)大于45的元素（Rh以后的元素）。M系譜線更為復(fù)雜，很少用。**7.1.3X射線熒光光譜儀波長(zhǎng)色散型：晶體分光；能量色散型：高分辨半導(dǎo)體探測(cè)器分光。1.波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀四部分：X光源，分光晶體，檢測(cè)器，記錄顯示。按Bragg方程進(jìn)行色散；測(cè)量第一級(jí)光譜n=1；檢測(cè)器角度2

。

分光晶體與檢測(cè)器同步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掃描。*晶體分光型X射線熒光光譜儀掃描圖分光晶體與檢測(cè)器同步轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掃描。*（1）X射線管(X光源)

靶材的原子序數(shù)越大，X光管壓越高，連續(xù)譜強(qiáng)度越大。分析重元素：鎢靶分析輕元素：鉻靶**（2）晶體分光器晶體色散作用；

=2dsin

平面晶體分光器彎面晶體分光器*（3）檢測(cè)器正比計(jì)數(shù)器(充氣型)：工作氣Ar；抑制氣甲烷利用X射線使氣體電離的作用，輻射能轉(zhuǎn)化電能。閃爍計(jì)數(shù)器：

瞬間發(fā)光—光電倍增管。半導(dǎo)體計(jì)數(shù)器：*（4）記錄顯示記錄顯示：放大器、脈沖高度分析器、顯示；三種檢測(cè)器給出脈沖信號(hào)；脈沖高度分析器：分離次級(jí)衍射線，雜質(zhì)線，散射線。*2.能量色散型X射線熒光光譜儀采用半導(dǎo)體檢測(cè)器；多道脈沖分析器(1000多道)；直接測(cè)量試樣產(chǎn)生的X射線能量；無分光系統(tǒng)，儀器緊湊，靈敏度高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。

無高次衍射干擾；同時(shí)測(cè)定多種元素；適合現(xiàn)場(chǎng)快速分析。檢測(cè)器在低溫(液氮)下保存使用，連續(xù)光譜構(gòu)成的背景較大。*能量色散型X射線熒光光譜儀兩種能量色散型儀器：二次靶和全反射。*能量色散型X射線熒光光譜圖*能量色散型X射線熒光光譜圖*7.1.4X射線熒光分析法的應(yīng)用1.定性分析

波長(zhǎng)與元素序數(shù)間的關(guān)系；特征譜線；查表：譜線-2

表。*定性分析例：以LiF(200)作為分光晶體，在2

=44.59處有一強(qiáng)峰,譜線—2

表顯示為：Ir(K

)，故試樣中含Ir。(1)每種元素具有一系列波長(zhǎng)、強(qiáng)度比確定的譜線；

Mo(Z42)的K系譜線K1，K2，K1，K2，K3

強(qiáng)度比100、50、14、5、7(2)不同元素的同名譜線，其波長(zhǎng)隨原子序數(shù)增加而減小

Fe(Z=26)Cu(Z=29)Ag(Z=49)K1：1.9361.5400.559埃（A）*2.定量分析譜線強(qiáng)度與含量成正比:（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線法（2）增量法（3）內(nèi)標(biāo)法“增強(qiáng)效應(yīng)”：由初級(jí)輻射產(chǎn)生的特征X射線的過程稱為初級(jí)熒光，而由樣品中產(chǎn)生的其他元素特征X射線引起另一元素發(fā)射特征X射線的過程稱為次級(jí)熒光。如果有次級(jí)熒光產(chǎn)生，