0518121_利用x射线进行元素分析.docVIP

利用X射线对固体样品进行元素分析 （复旦大学材料科学系 张芷英 上海 200433） 摘要：本文利用吸收边的莫塞莱定律以及吸光度的Lambert-Beer定律讨论了用莱宝X光仪对固体样品进行元素定性、定量分析的可行性与方法。 关键词：X射线、元素分析、吸收边、分辨率、吸光度。 引言 在X光系列实验中，在实验六“检验莫塞莱定律”中，发现元素的吸收边与元素的原子序数有如下关系： 即特定元素对于X光的吸收存在特定的吸收边，即在处吸收系数陡然下降，在实验中我们得到Zr的吸收边图像如下图一所示。吸收边表现了特定元素的存在，对于需要进行元 图一 实验得到的Zr吸收边曲线 素分析的样品，只要观测其X光吸收系数曲线，对于每个吸收边进行分析，就可以得到样品元素成分的定性信息。 X射线的吸收 为什么元素的吸收曲线上会出现吸收边呢？我们可以将元素的吸收边分为K吸收边、L吸收边、M吸收边，在L吸收边中又含有三个小的吸收边LI、LII、LIII，在M吸收边则含有五个小的吸收边MI、MII、MIII、MIV、MV。 这是因为当光子的能量足以使一个1S电子脱离原子时，将引起原子的共振吸收，此时吸收系数有了突然的增加；当光子波长增大，光子能量减小不足以激发该电子电离时，原子不再共振吸收光子，此时吸收系数骤然下降，对应于一个吸收边沿；当光子波长减小，能量增大时，X射线的能量已超出电子逸出功的范围，使光电效应达到饱和，多余的能量穿透过吸收体，此外光子的贯穿能力也增强了，随着波长的进一步减小，吸收系数进一步下降，这对应于K吸收边。同样，LI表示光子的能量足以使一个2S电子脱离原子的吸收边，LII和LIII分别表示使2P1/2和2P3/2层上的电子脱离原子的吸收边（如右图二示）。图一中Zr只有单一吸收边，对应的是K吸收边。 由上面的物理图像我们可以很好的解释莫塞莱定律。由玻尔理论光谱项为 其中为里德伯常数，为激发电子的屏蔽数。对线波数为 此即莫塞莱定律。屏蔽数对依赖于被测元素是轻核、中等核还是重核，据有关资料显示它们大致分别为1、3.6和7.4。 用莱宝实验仪分析的分辨率可行性 我们还要考虑实验仪能否将元素的吸收边分得足够开的问题。对于实验中Zr、Mo、Ag、In的吸收边数据如下 元素 Zr Mo Ag In 原子序数Z 40 42 47 49 吸收边（pm） 66.8 0.7 60.4 0.6 48.2 0.7 43.3 0.7 由表格中数据可见每隔一个原子序数吸收边的间隔大致在2pm左右，实验中单色器是由NaCl晶体衍射来实现。 当=时，由布拉格衍射公式可得一级衍射波长为=0.988pm的位置，此时对应= 的==0.988pm。最大理论上应该可以去到45，当=45时，一级衍射波长=400.22pm的位置，此时对应于= 的==0.699pm。实际上=0.988pm的X光是无法激发出来的，考虑短波限，高压设为35kV时，=35.47pm，它对应的衍射角为=3.59。 下面再具体分析一下与的关系。考虑相邻的两个元素和=+1，由莫塞莱定律有 === = 考虑，并用表示则有 = 可见随着的增大逐渐减小，给几个具体的例子，当=15时，54pm，而当=50时，1.458pm，此时能分辨的0.98pm，还是大致可以分辨的。 由此可见可以分辨最小约1pm的距离，在约35.47~400.22pm的范围，由莫塞莱公式可得的范围在15~51，于是我们发现轻核和重核元素在该方法中是无法分析的，只有中等核素能够分析的。 实际上，对于重核无法分析是因为其K线激发能太大所致，我们可以采用激发能较小的L线来进行分析。由前面分析可知，对于L线的莫塞莱定律，右边应乘上一个，即 这样就会大于了，能量减小，可以激发了。此时，对应于在约35.47~400.22pm的范围的的范围为30~101。另外，实际谱线的也会相应地增大4倍，当=80时，1.424pm，这时能分辨的0.983pm，大致可以分辨。所以实际能测量的Z范围大致在30~80。 可见，对于中等重核可用K吸收边来测量，我们平时用到的很大一部分金属都属于这个范围，如Ti、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ge、Zr、Mo、Ag、In、Sn等，且此范围屏蔽常数变化也不大，简化了分析。而对于重核则可用L吸收边来进行。 定性分析 进行定性分析的目的是测出固体样品中所含元素的组成。其设计实验步骤如下： 首先将固体样品制成一定厚度的薄片，并将之贴在X射线出射缝上，或制作一个支架，将其放在出射缝和靶台之间，并保证能够挡住X光的光路。 在靶台上装上NaCl晶体，然后设置高压为35kV、管流1mA，角步幅= ，按COUPLED按钮，激活靶与传感器角扫描耦合，设置靶位角=3.6，，设置测量时间=5s。 打开程序，按SCAN启动测量和数据采集。 采集完毕后，打开Set