《X射线光谱分析》PPT课件.ppt
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1、第十五章第十五章 X射线光谱与电射线光谱与电子能谱分析法子能谱分析法一、概述一、概述generalization二、二、X射线与射线与X射线谱射线谱X-ray and X-ray spectrum三三、X射线的吸收、散射和射线的吸收、散射和衍射衍射absorption,diffuse and diffraction of X-ray第一节 X射线和X射线光谱分析X-ray spectrometry and electron spectroscopyX-ray and X-ray spectrum analysis2023/1/17一、概述一、概述 generalization X-射线:波长0
2、.00150nm;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-X-射线荧光分析射线荧光分析 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;2023/1/17 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;2023/1/17 共同点共同点(1)(1)属原子发射光谱的范畴;属原子发射光谱的范畴;(2)(2)涉及到元素内层电子;涉及到元素内层电子;(3)(3)以以
3、X-X-射线为激发源;射线为激发源;(4)(4)可用于固体表层或薄层分析可用于固体表层或薄层分析 2023/1/17二、二、X射线与射线与X射线光谱射线光谱 X-ray and X-ray spectrum1.1.初级初级X X射线的产生射线的产生 X-射线:波长0.00150nm的电磁波;0.0124 nm;(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;2023/1/172.2.X X射线光谱射线光谱(1 1)连续连续X X射线光谱射线光谱 电子靶原子,产生连续的电磁辐射,连续的X射线
4、光谱;成因: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;2023/1/17(2 2)X X射线特征光谱射线特征光谱特征光谱产生:特征光谱产生:碰撞跃迁(高)空穴跃迁(低)特征谱线的频率:特征谱线的频率:R=1.097107 m-1,Rydberg常数;核外电子对核电荷的屏蔽常数;n电子壳层数;c c光速;Z原子序数;不同元素具有自己的特征谱线不同元素具有自己的特征谱线定性基础定性基础 。2023/1/17跃迁定则:跃迁定则:(1)主量子数 n0(2)角量子数 L=1(3)内量子数 J=1,0J为L与磁量子数矢量和S;n=1,2,3,线系,线系,线系;L
5、K层K;K1、K2 MK层K;K1、K2 NK层K;K 1、K 2M L 层L;L1、L2NL层L ;L 1、L 2 NM层M;M1、M2 2023/1/17特征光谱特征光谱定性依据定性依据LK层;K 线系;n1=2,n2=1;不同元素具有自己的特征谱线不同元素具有自己的特征谱线 定性基础定性基础;谱线强度谱线强度定量定量;2023/1/17三、三、X X射线的吸收、散射与衍射射线的吸收、散射与衍射 absorption,diffuse and diffraction of X-ray1.X射线的吸收射线的吸收 dI0=-I0 l dl l:线性衰减系数;dI0=-I0 m dm m:质量衰减
6、系数;dI0=-I0 n dn n: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=I0 exp(-l l)固体试样时,采用 m=l/(:密度);2023/1/17X X射线的吸收射线的吸收 X射线的强度衰减:吸收+散射;总的质量衰减系数m:m=m+mm:质量吸收系数;m: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;:波长;X射线的射线的 ;Z,越易吸收;,越易吸收;,穿透力越强;,穿透力越强;2023/1/17元素的元素的X X射
7、线吸收光谱射线吸收光谱 吸收限吸收限(吸收边吸收边):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突变变;呈现非连续性非连续性;上一个谱系的吸收结束,下一个谱系的吸收开始处;能级能级(MK),吸收限吸收限(波长波长),激发需要的能量激发需要的能量。2023/1/172.X射线的散射射线的散射 X射线的强度衰减:吸收+散射;X射线的射线的 ;Z,越易吸收,越易吸收,吸收吸收散射散射;吸收为主;吸收为主;,Z;穿透力越强;穿透力越强;对轻元素N,C,O,散射为主;(1)相干散射相干散射(Rayleigh散射,弹性散射散射,弹性散射)E 较小、较长的X射线 碰撞(原
8、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2023/1/17(2 2)非相干散射)非相干散射Comptom 散射、非弹性散射;散射、非弹性散射;Comptom-吴有训效应;吴有训效应;X射线非弹性碰撞,方向,变反冲电子波长、周相不同,波长、周相不同,无相干无相干 =-=K(1-cos)K 与散射体和入射线波长有关的常数;Z,非相干散射,非相干散射;衍射图上出现连续背景。2023/1/173 3.X射线的衍射射线的衍射 相干散射线的干涉现象;相等,相位差固定,方向同,n 中
9、n不同,产生干涉。X X射线的衍射线: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=d sin n=2d sin 光程差为 的整数倍时相互加强;2023/1/17BraggBragg衍射方程及其作用衍射方程及其作用 n =2d sin|sin|1;当当n=1 时,时,n/2d=|sin|1,即即 2d;只有当入射只有当入射X X射线的波长射线的波长 2倍晶面间距时,才能产生衍射倍晶面间距时,才能产生衍射BraggBragg衍射方程重要作用:衍射方程重要作用:(1)已知,测角,计算d;(2)已知d 的晶体,测角,得到特征辐射波长,确定元素,X射
10、线荧光分析的基础。2023/1/17内容选择内容选择第一节第一节 X射线与射线与X射线光谱分析射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节第二节 X射线荧光分析射线荧光分析X-ray fluorescence spectrometry第三节第三节 X射线衍射分析射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节第四节 X射线光电子能谱射线光电子能谱X-ray electron spectroscopy结束结束2023/1/17第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法一、一、X-射线荧光的产生射线荧光的产生creation of X-ray fluo
11、rescence二、二、X-射线荧光光谱仪射线荧光光谱仪X-ray fluorescence spectrometer三、应用三、应用 applications第二节 x-射线荧光分析X-ray spectrometry and electron spectroscopyX-ray fluorescence spectrometry2023/1/17一、X-射线荧光的产生 creation of X-ray fluorescence特征特征X X射线荧光射线荧光-特征特征X X射线光谱射线光谱碰撞内层电子跃迁H空穴外层电子跃迁LX射线荧光射线荧光X射线荧光 次级X射线(能量小)(能量大)激发过
12、程能量稍许损失;依据发射的X射线荧光 ,确定待测元素定性定性 X射线荧光强度定量定量2023/1/17Auger 效应Auger电子:次级光电子电子:次级光电子各元素的各元素的Auger电子能量固定;(电子能量固定;(电子能谱分析法电子能谱分析法的基础的基础)碰撞内层电子跃迁H空穴外层电子跃迁L原子内吸收原子内吸收另一电子激发Auger效应荧光辐射竞争竞争几率几率电电子子能能谱分析谱分析自由电子Z0.0X%);2023/1/17内容选择:第一节第一节 X X射线与射线与X X射线光谱分析射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节第二节 X 射线荧光分析射线荧光分
13、析X-ray fluorescence spectrometry第三节第三节 X 射线衍射分析射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节第四节 X 射线光电子能谱射线光电子能谱X-ray electron spectroscopy结束结束2023/1/17第十五章第十五章 X射线光谱与电射线光谱与电子能谱分析法子能谱分析法第三节第三节 X射线衍射分析射线衍射分析一、晶体特性一、晶体特性property of crystalproperty of crystal 二、多晶粉末衍射分析法二、多晶粉末衍射分析法multiple crystal powder diffrac
14、tion analysis三、单晶衍射分析法三、单晶衍射分析法single crystal diffraction analysisX-ray spectrometry and electron spectroscopyX-ray diffraction analysis2023/1/17一、一、晶体特性晶体特性 property of crystal 晶晶体体:原子、离子、分子在空间周期性排列而构成的固态物,三维空间点阵结构;点阵+结构基元;晶胞晶胞:晶体中空间点阵的单位,晶体结构的最小单位;晶胞参数晶胞参数:三个向量a、b、c,及夹角、;r,s,t;1/r,1/s,1/t:晶面在三个晶轴上
15、的截数截数和倒易截数倒易截数1/r1/s1/t=hkl;晶面(110)与C 轴平行;2023/1/17二、多晶粉末衍射分析二、多晶粉末衍射分析 multiple crystal powder diffraction analysis 在入射X光的作用下,原子中的电子构成多个X辐射源,以球面波向空间发射形成干涉光;强度与原子类型、晶胞内原子位置有关;衍射图:晶体化合物的“指纹”;多晶粉末衍射法:测定立方晶系的晶体结构;单色单色X射线源射线源样品台样品台检测器检测器2023/1/171.仪器特点仪器特点 X射线衍射仪与射线衍射仪与X射线荧光仪相似;主要区别:射线荧光仪相似;主要区别:(1)单色X射
16、线源;(2)不需要分光晶体;试样本身为衍射晶体,试样平面旋转;光源以不同 角对试样进行扫描;2023/1/172.应用应用 Bugger 方程:方程:2d sin =n 将晶面间距将晶面间距d和晶胞参数和晶胞参数a的关系带入:的关系带入:由测定试样晶体的衍射线出现情况,可确定晶体结构类型;由测定试样晶体的衍射线出现情况,可确定晶体结构类型;例:求例:求Al的晶胞参数,用的晶胞参数,用Cu(K 1)射线(射线(=1.5405埃埃)照射)照射样品,选取样品,选取 =81.17 的衍射线的衍射线(3 3 3),则:,则:2023/1/17三、单晶衍射分析三、单晶衍射分析 single crystal
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