55 第十五章 X射线光谱分析法 第一节X射线光谱分析基本原理.ppt

第1页：X射线和X射线光谱分析

第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法 第一节 X射线和X射线光谱分析

• 概述
• X射线与X射线谱
• X射线的吸收、散射和衍射

第2页：概述

概述

• -
• 射线：波长0.001～50nm
• X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同
• X-射线光谱X-射线荧光分析X-射线吸收光谱X-射线衍射分析X-射线荧光分析利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定性、定量分析
• 固体表面薄层成分分析

第3页：电子能谱分析

电子能谱分析

• 电子能谱分析紫外光电子能谱X-射线光电子能谱Auger电子能谱利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行元素的定性、定量分析
• 固体表面薄层成分分析

第4页：共同点

共同点

• 属原子发射光谱的范畴
• 涉及到元素内层电子
• 以X-射线为激发源
• 可用于固体表层或薄层分析

第5页：X射线与X射线光谱

X射线与X射线光谱

• 1.初级X射线的产生X-
• 射线：波长0.001～50nm的电磁波
• 0.01～24nm
• (超铀K系谱线)～(锂K系谱线)高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%)高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发
• 产生X射线辐射

第6页：X射线光谱（1）连续

X射线光谱（1）连续

• X射线光谱电子→靶原子，产生连续的电磁辐射，连续的X射线光谱
• 成因：大量电子的能量转换是一个随机过程，多次碰撞
• 阴极发射电子方向差异，能量损失随机

第7页：X射线特征光谱

X射线特征光谱

• 特征光谱产生：碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
• 特征谱线的频率：R=1.097×107常数
• σ核外电子对核电荷的屏蔽常数
• n电子壳层数
• c光速
• Z原子序数
• 不同元素具有自己的特征谱线——定性基础

第8页：跃迁定则

跃迁定则

• 主量子数Δn≠0
• 角量子数ΔL=±1
• 内量子数ΔJ=±1，0J为L与磁量子数矢量和S；Δn=1,2,3，α线系,β线系,γ线系；L→K层Kα；Kα1、Kα2M→K层Kβ；Kβ1、Kβ2N→K层Kγ；Kγ1、Kγ2M→L层Lα；Lα1、Lα2N→L层Lβ；Lβ1、Lβ2N→M层Mα；Mα1、Mα2

第9页：特征光谱——定性依据

特征光谱——定性依据

• L→K层
• Kα线系
• n1=2，n2=1
• 不同元素具有自己的特征谱线——定性基础
• 谱线强度——定量

第10页：X射线的吸收、散射与衍射

X射线的吸收、散射与衍射

• 射线的吸收dI0=-I0μldlμl：线性衰减系数
• dI0=-I0μmdmμm：质量衰减系数
• dI0=-I0μndnμn：原子衰减系数
• 衰减系数的物理意义：单位路程(cm)、单位质量(g)、单位截面(cm2)遇到一个原子时，强度的相对变化（衰减）
• 符合光吸收定律：I=I0exp(-μll)固体试样时，采用μm=μl/ρ（ρ：密度）

第11页：X射线的吸收

X射线的吸收

• X
• 射线的强度衰减：吸收+散射
• 总的质量衰减系数μm：μm=τm+σmτm：质量吸收系数
• σm：质量散射系数
• NA：Avogadro常数
• Ar：相对原子质量
• k：随吸收限改变的常数
• Z：吸收元素的原子序数
• λ：波长
• X射线的λ↑
• Z↑，越易吸收
• λ↓，穿透力越强

第12页：元素的

元素的

• X射线吸收光谱吸收限(吸收边)：一个特征X射线谱系的临界激发波长
• 在元素的X射线吸收光谱中，质量吸收系数发生突变
• 呈现非连续性
• 上一个谱系的吸收结束，下一个谱系的吸收开始处
• 能级(M→K)↓,吸收限(波长)↓，激发需要的能量↑

第13页：X射线的散射

X射线的散射

• X；射线的强度衰减：吸收+散射；X射线的λ↑；Z↑，越易吸收，吸收>>散射；吸收为主；λ↓，Z↓；穿透力越强；对轻元素N,C,O，散射为主
• 相干散射(Rayleigh散射，弹性散射)E较小、λ较长的X射线→碰撞(原子中束缚较紧、Z较大电子)→新振动波源群（原子中的电子）；与X射线的周期、频率相同，方向不同。实验可观察到该现象；测量晶体结构的物理基础；X射线碰撞新振动波源群相干散射

第14页：非相干散射

非相干散射

• Comptom散射、非弹性散射
• Comptom-吴有训效应
• X射线非弹性碰撞λ，方向，变反冲电子波长、周相不同，无相干Δλ=λ′-λ=K(1-cosθ)K与散射体和入射线波长有关的常数
• Z↓，非相干散射↑
• 衍射图上出现连续背景

第15页：X射线的衍射相干散

X射线的衍射相干散

• 射线的干涉现象
• λ相等，相位差固定，方向同，nλ中n不同，产生干涉
• X
• 射线的衍射线：大量原子散射波的叠加、干涉而产生最大程度加强的光束
• Bragg
• 衍射方程：DB=BF=dsinθnλ= 2dsinθ光程差为λ的整数倍时相互加强

第16页：Bragg衍射方程及

Bragg衍射方程及

• 其作用nλ= 2dsinθ|sinθ| ≤1；当n= 1时，n/ 2d=|sinθ| ≤1，即λ≤ 2d；只有当入射X射线的波长λ≤2倍晶面间距时，才能产生衍射Bragg；衍射方程重要作用
• 已知λ，测θ角，计算d
• 已知d的晶体，测θ角，得到特征辐射波长λ，确定元素，X射线荧光分析的基础

第17页：X射线光谱与电子能谱分析法内容选择

X射线光谱与电子能谱分析法内容选择

• X射线与X射线光谱分析
• X射线荧光分析
• X射线衍射分析
• X射线光电子能谱