X射线分析技术

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1、西南科技大学分析测试中心X射线分析技术射线分析技术西南科技大学分析测试中心X射线分析的两种基本方法nX射线衍射分析（射线衍射分析（XRD） 识别样品中的化合物，研究材料的晶体结构物相分析nX射线荧光光谱分析（射线荧光光谱分析（XRF） 测定样品中元素的浓度成分分析宏观宏观微观微观西南科技大学分析测试中心主要内容1. X射线物理学基础2. X射线衍射基本原理3. X射线衍射分析及应用4. X射线荧光光谱分析及应用 以上以上理论课部分为理论课部分为4个学时个学时，实习部分实习部分4个个学时学时西南科技大学分析测试中心参考书目n粉末X射线物相分析，地质出版社，南京大学nX射线分析简明教程，地质出版社

2、，彭志忠主编n材料近代分析测试方法，哈工大出版社，常铁军 等主编nX射线荧光光谱分析，科学出版社，吉昂等主编西南科技大学分析测试中心1 X 射线物理学基础1.1 X 射线的发现n1895年伦琴（W.C. Roentgen）研究阴极射线管时，发现阴极管能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。1901年，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。n这一伟大发现很快在医学上获得了应用X射线透视技术。n在物理学上具有划时代的意义。西南科技大学分析测试中心1.2 X射线的性质nX射线的本质是一种电磁波，它具有波粒二象性；即它既具波动性，又具有粒子性。可使照相底片感光、荧光板发光和使气体电离，能透过可见

3、光不能透过的物体等。nX射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播。X射线的波长范围为0.01100之间（实验室常用0.52.5 ）。nX射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定的能量和动量。这种量子性质在X射线与物质相互作用（如吸收、散射）时可以表现出来。西南科技大学分析测试中心1.3 X射线的产生nX射线的产生原理：X射线的产生是通过高速运动的电子撞击在一个物体上（靶），由于高速运动电子受急剧阻止，将使电子所携带动能转化为其他能量，大部分是热能，小部分将以电磁波即X射线形式辐射出来。q阴极：如同灯丝，一般为钨丝，用于产生大量电子。q阳极：又称靶，由不同的金属组成

4、不同金属制成的靶产生的X射线是不同的。q冷却系统：当电子束轰击阳极靶时，其中只有约1%能量转换为X射线，其余约99%均转变为热能。q窗口：X射线射出的通道，一般用对X射线穿透性好的轻金属铍铍密封，以保持X射线的真空。西南科技大学分析测试中心1.4 X射线谱n由X射线管发出的X射线包含两部分：一种连续X射线，另一种是特征X射线。它们的性质不同、产生的机理不同，用途也不同。nX射线荧光光谱分析利用的是连续X射线；而X射线衍射分析利用的是特征X射线。西南科技大学分析测试中心连续X射线及产生机理n正如太阳光包含许多不同波长的光一样，从X射线管中发出的X射线也不是单色的，而是包含有许多不同波长的X射线，

5、故称连续X射线或白色X射线。n快速运动的电子在靶面突然停止，每一个电子把它的动能的一部分变为热能，一部分变为一个或几个X射线光子。由于各个电子的动能转变为X射线能量的有多有少，所放出的X射线的频率也各不相同。因此，由此产生的X射线谱是连续的。n若电子将其能量完全转换为一个光子的能量 ，则此光子能量最大、波长最短、频率最高。西南科技大学分析测试中心特征X射线及产生机理n特征X射线谱的产生机理与阳极物质（靶）的原子内部结构紧密相关。原子内部的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能

6、量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X射线谱。n产生特征X射线的最低电压称激发电压。qCu: 8.86kVn特征X射线的波长取决于靶材原子序数。西南科技大学分析测试中心特征X射线nK波长比K长，K与K强度比约为5：1；放大看，K还分为K1和K2两条线。K1和K2强度比约为2：1。n因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长较长而容易被吸收。西南科技大学分析测试中心选择定则nK双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层8个电子的能量并不相同，除不能发生跃迁的处于s

7、轨道上的2个电子外，另6个p轨道电子分别位于三个亚层上。K双线系电子分别由L和L两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而由LI亚层到K层因不符合选择定则（此时L0），因此没有辐射。 n选择定则选择定则：n0，l1和j1,0（除j=00的跃迁外），其中n、l、j分别表示主量子数，轨道角动量量子数和总角动量量子数。西南科技大学分析测试中心1.5 X射线与物质相互作用 nX射线辐射到物质上时，可产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。西南科技大学分析测试中心1.5.1 X射线的散射nX射线通过物质时，

8、部分X射线将改变它们前进的方向，即发生散射现象。X射线的散射包括两种：相干散射和非相干散射。q当入射X射线光子与物质原子中束缚较紧的内层电子发生弹性碰撞时，X射线光子的能量不足以使电子摆脱束缚，其结果仅使光子的前进方向发生了改变，即散射的光子的能量并没有发生损耗，即散射线波长与入射线波长相同。因此，各散射线之间将相互产生干涉，这种散射称相干散射。相干散射是引起晶体衍射的根源。西南科技大学分析测试中心q当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子发生非弹性碰撞时，X射线光子将一部分能量传给电子并使电子脱离原子成为反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。由于散射X射线中各个光子能量减少

9、的程度不相等，因此所散射的光子相互之间不会发生干涉，这种散射称为非相干散射或康普顿散射。西南科技大学分析测试中心1.5.2 X射线的吸收 n物质对X射线的吸收指的是X射线在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。碰撞碰撞内层电子跃迁内层电子跃迁空位空位外层电子跃迁外层电子跃迁X射线荧光射线荧光西南科技大学分析测试中心光电效应n当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电子

10、产生跃迁，发射新的特征X射线。n我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧光X射线。西南科技大学分析测试中心Moseley 定律n由于各类原子的能级差有别，所以特征X射线的波长随阳极的材料而异。特征X射线的波长与阳极材料的原于序数的平方成反比。nMoseley 定律：元素荧光X射线的波长( )随元素原子序数( Z )增加，有规律地向短波方向移动。 式中K为与靶中主元素有关的常数，S为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。n反过来，如果能测出材料中元素发射的特征X射线的波长，就能判断产生这些特征X射线的元素种类。这也就是X射线荧光光谱和电子探针分析的理论基础。)(12/1SZK西南科技大学分析测

11、试中心俄歇效应n当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的。故称俄歇效应俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。n二次电子具有特定的能量值，可以用来表征这些原子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。西南科技大学分析测试中心荧光产率n俄歇效应与X射线荧光发射是两种相互竞争的过程。 但随着原子序数的增加，发射X射线荧光的几率逐渐增加。重元素主要以发射X射线荧光为主。L3能级的荧光产额和俄歇电子产额随能级的荧光产额和俄歇电子产额随原子序数原子序数Z的变化的变化 K能级的荧