第3篇成分和价键1解说.ppt

第3篇 成分和价键(电子)结构分析 第10章 成分和价键分析概论第11章 X射线光谱分析第12章 X射线光电子能谱分析第13章 俄歇电子能谱 第10章 成分和价键分析概论 10.1原子中电子的分布和跃迁 10.2各种特征信号的产生机制 10.3各种成分分析手段的比较 成分和价键分析原理 核外电子的能级分布反映了原子的特征信息 利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在此过程中产生元素的特征信息 10.1原子中电子的分布和跃迁 原子内的电子遵从泡利不相容原理，分布在一系列不连续能级壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加EKELEM···。 电子按能量最低原理首先填充最靠近原子核的低能级壳层，然后按L,M,N ···由低到高依次填充各壳层。 这种激发态不稳定，有自发向低能态转化的趋势，因此原子较外层电子将跃迁（主动跌）入较内层填补空位，使总能量重新降低，趋于稳定。 跃迁的始态和终态的能量差为?E，能差?E为原子的特征（能量），由元素种类决定，并受原子所处环境的影响。 因此可以根据一系列的?E确定样品中的原子种类和价键结构。 10.2各种特征信号的产生机制 1.特征x射线 2.俄歇电子 3. 光电子 4.电子能量损失特征 1.特征x射线 激发态和基态的能量差能够以X射线光子的形式放出，形成特征X射线，波长由下式确定： ?E=Eh-El=h?=hc/? 对于原子序数为Z的物质，各原子能级所具有的能量是固定的，因此特征X射线波长为定值。 P118 图10-1 特征x射线产生机制 以特征x射线作为信号的分析手段 X射线荧光光谱分析(XFS) 电子探针X射线显微分析(EPMA) X射线荧光光谱分析(XFS) X射线入射 电子探针X射线显微分析(EPMA) 电子束入射 以特征x射线作为信号的分析仪器 能谱仪(EDS) 波谱仪（WDS) 能谱仪(EDS) 将样品放出的特征X射线光子按照能量大小进行分类和统计，最后显示的是以X射线光子能量为横坐标、能量脉冲数（表示X射线光子产额即荧光强度）为纵坐标的能谱图。 由于X射线光子能量（取决于原子能级结构）是元素种类的特征信息，而产率（强度）则与元素含量相关，根据能谱仪的图即可实现材料化学成分的定性分析与定量分析。 波谱仪（WDS) 将样品放出的特征X射线光子按照波长大小进行分类和统计，不同能量（或波长）的X射线信号的鉴别是由晶体衍射进行的，最后显示的是以X射线光子波长为横坐标、脉冲数为纵坐标的波谱图。 2.俄歇电子 激发态和基态的能量差（也可以以结合能差表示）能够转移给外层电子，使该外层电子脱离原子核的束缚，成为自由电子发射出去，该电子称为俄歇电子。 ?E?E1(Z)-E2(Z)-E3(Z) 俄歇化学位移 主要由元素种类和跃迁轨道决定 化学环境造成电子结合能微小差异 俄歇电子能谱仪(AES) 激发源为电子束 定性 半定量 3. 光电子 当一束能量为h?的单色光与原子发生相互作用，而入射光量子的能量大于被激发原子某一能级电子结合能时，此光量子的能量很容易被电子吸收，获得能量的电子便可脱离原子核束缚，并带有一定的动能从内层逸出，成为自由电子，这种效应称为光电效应。在光激发下发射的电子，称为光电子。 h?=EB+Ek EB = h? -Ek 爱因斯坦光电发射定律 各原子的不同轨道电子的结合能是一定的，具有标识性； 同种原子处于不同化学环境会引起电子结合能变化，因此，可以检测光电子的动能。 由光电发射定律得知相应能级结合能，来进行元素的鉴别、原子价态的确定以及原子所处的化学环境的探测。 光电子仪器 X射线光电子谱仪(XPS) 紫外光电子谱仪(UPS) 紫外光电子谱仪(UPS) 紫外光入射 X射线光电子谱仪(XPS) X射线入射 表面元素分析 化学态分析 能带结构分析 微区化学态成像分析 4.电子能量损失特征 当入射电子与样品原子的核外电子相互作用时，入射电子的部分能量传递给核外电子，使核外电子跃迁到费米能级以上的空能级，由于跃迁的终态与费米能级以上的空能级分布有关，而始态为核外电子的初始能级，因此跃迁吸收的能量由原子种类决定，并受周围化学环境的影响。 进一步地，入射电子损失的能量由样品中的原子种类和化学环境决定。 因此检测透过样品的入射电子（透射电子）的能量，并按其损失能量的大小对透射电子进行分类，可以得到能量损失谱。 电子能量损失谱仪(EELS) 利用电子的能量损失特征进行元素分析的仪器。 分辨率高（0.3eV） 适合轻元素 10.3各种成分分析手段的比较 10.3.1 x光谱的特点和分析手段比较 10.3.2 电子能谱的特点和分析手段比较 10.3.1 x光谱的特点和分析手段比较 内部（500n