XRF培训第二期物理基础实用教案

1、 一. X-射线的定义1. 电磁辐射(波长) 波长为：0.01 nm - 10.0 nm2. 微观粒子(能量) 能量为：124 keV - 0.124 keV3. 波粒双重性 ： 1nm = 10 = 10-9m = 10-6mm E=hcg-raysX-raysUVVisual0.0010.01 0.11.0 10.0 100 200 nm第1页/共56页第一页，共57页。 X X射线的二重性射线的二重性表现为波动性时：以光速直线传播；与物质相遇发生反射、 折射、衍射和透射。表现微粒特性时：具有能量；与原子相遇发生散射、吸收、 感光(gn gung)、电离、光化反应等第2页/共56页第二页，

2、共57页。 二. X-. X-射线(shxin)(shxin)的起源 电磁理论：X射线起源于高能粒子与原子的相互作用 即高速电子(dinz)在阳极原子核场中运动受阻;量子理论：X射线起源于原子内层轨道电子(dinz)的跃迁。第3页/共56页第三页，共57页。 X光管的简单(jindn)原理 X射线阴极灯丝 阳极RhBe窗口1. 阴极发射的电子在电场作用下飞向阳极;2. 2. 高速电子与阳极靶原子相遇突然停止，并转移能量(nngling)，3. 发射X射线光子；4. 3. 高速电子的能量(nngling)99%以热能释放，仅有1 的能量(nngling)5. 转变成X射线光子。第4页/共56页第

3、四页，共57页。 X光管的基本(jbn)结构X射线管由阳极(靶)、阴极(灯丝)、真空管壳、铍窗口(chungku)及高压插座组成第5页/共56页第五页，共57页。X光管的分类(fn li) 高功率超尖锐(jinru)管(SST) 低功率(gngl)透射管(TTT)第6页/共56页第六页，共57页。 X光管发射(fsh)效率的比较 光强与距离(jl)的关系第7页/共56页第七页，共57页。三三. X. X射线的分类射线的分类(fn li)(fn li)X-射线分为 ：连续X射线和特征X射线两类： 连续X射线(韧致辐射)：波长连续变化； 特征X射线 ：波长分立的线条，与原子序数有关 连续X射线与特

4、征X射线叠加共存； 光子(gungz)激发时，不产生连续X射线；第8页/共56页第八页，共57页。1.连续X射线及光谱连续光谱波长 光谱强度IK iZ()=-min112第9页/共56页第九页，共57页。连续光谱(lin x un p)与特征X射线迭加共存特征(tzhng)X射线光谱第10页/共56页第十页，共57页。连续连续(linx)X(linx)X射线的特点射线的特点 连续谱的强度分布(fnb)(fnb)随电压升高向短波方向移动 峰值强度随电压、电流和原子序数升高而增大 每个分布(fnb)(fnb)都有一个最短波长0 0 和等效波max max 0 =1.24/V ; max =1.50

5、 0 =1.24/V ; max =1.50 ； 第11页/共56页第十一页，共57页。 光管连续X射线光谱强度公式 称为(chn wi)连续谱 - 克拉马公式 连续(linx)X射线光谱强度的计算I =KiZ()min- 11第12页/共56页第十二页，共57页。电压对连续分布(fnb)的影响I()=KiZmin- 11向短波(dunb)方向移动第13页/共56页第十三页，共57页。 电流 (i)对强度(qingd)分布的影响I()=KiZmin- 11峰位不变，强度(qingd)随电流增加而增加第14页/共56页第十四页，共57页。靶材(阳极)对强度的影响IWCrRh(nm)峰位不变，强度

6、(qingd)随原子量增加而增加第15页/共56页第十五页，共57页。2.2.特征特征(tzhng)X(tzhng)X射线光谱射线光谱特征X X射线光谱产生于原子内部轨道电子的跃迁 . .由不连续的分立的特征线构成, ,其波长随原子序数变化，这种变化遵循物理学著名的莫塞(Moseley)(Moseley)定律(dngl)(dngl)。不同的元素，具有一组波长不同的特征谱线组成 。波长与原子序数的关系为：2)(1-=ZK第16页/共56页第十六页，共57页。特征特征(tzhng)X(tzhng)X射线光谱的产生射线光谱的产生 原子(yunz)内层轨道结构NoImage第17页/共56页第十七页，

7、共57页。特征特征X X射线光谱射线光谱(gungp)(gungp)的产生的产生 原子(yunz)内层轨道结构NoImage第18页/共56页第十八页，共57页。 原子原子(yunz)内层轨道的电子组态内层轨道的电子组态NoImage量子数 K 壳层电子组态n11最大电子数l00 m00 s 组态符1s1s2；1s2量子数 L 壳层电子组态n22222222l00111111m00110011s符号2s2s2p2p2p2p2p2p第19页/共56页第十九页，共57页。 量子力学(lin z l xu)选择定则： n 0 l = 1 j = 0 ,1 不符合以上原则的跃迁都是禁止的 原子能级间的

8、电子(dinz)跃迁选择定则第20页/共56页第二十页，共57页。 原子能级间的电子(dinz)跃迁与光发射 L K K1 L K K2 M K K1 K 系 M K K2 N K K3 M L L1 M L L2 M L L1 L系 N L L1第21页/共56页第二十一页，共57页。 各线系光谱线间的相对强度(qingd)关系K 系谱线的相对强度为： K1 ：K2 ：K ：K1：K2 100 ：50 ：150 ：15 ： 5L 系谱线的相对强度为： L1 ：L2 ：L1 ：L2 ：L3 ：L4 ：L1 ：L ：L 100 ：10 ：70 ：30 ： 10 ： 5 ：10 ：3 ： 1M 系

9、谱线的相对强度为: M1 ： M2 ： M1 ： M1 100 ： 10 ： 50 ： 5这里必须说明(shumng)：K 线的波长为： K = (2 K + K ) / 3 。第22页/共56页第二十二页，共57页。特征特征X X射线光谱射线光谱(gungp)(gungp)的强度计算的强度计算 式中：C为常数；i,V分别为X光管的工作电流和电压； VK为临界(ln ji)激发电位 7.1)(KVVCiKI-=第23页/共56页第二十三页，共57页。 四. X射线的基本性质 1. X射线的吸收：2. X射线的散射：3. X射线的衍射：光电吸收吸收定律吸收系数临界厚度相干散射非相干散射衍射现象布

10、拉格定律第24页/共56页第二十四页，共57页。 1. X射线的吸收 光电效应 相干散射 非相干散射 衍 射 所有效应同时发生第25页/共56页第二十五页，共57页。常规常规(chnggu)吸收的吸收公式吸收的吸收公式I = I0 e -x (Beer - Lambert) 式中：质量衰减系数cm2/g 密度g/cm3 x 辐射(fsh)通过吸收体的光路cm 线性衰减系数1/cm(比耳朗伯定律(dngl)第26页/共56页第二十六页，共57页。X射线的光电吸收射线的光电吸收(xshu) 逐出电子(dinz)产生特征X射线 光电效应是吸收的最大贡献者 其他(qt)光子(俄歇电子)特征X射线光子第

11、27页/共56页第二十七页，共57页。光电吸收光电吸收(xshu)引起光发射的荧光产额引起光发射的荧光产额 = 发射(fsh)的光子数光电离引起(ynq)的内层空由光电效应引起光发射的荧光产额与原子序数有关，随原子序数降低而降低。第28页/共56页第二十八页，共57页。 NK NK 表示(biosh)(biosh)单位时间内产生的K K层空位数；nknk，nknk，nknk1 1 是单位时间内产出特征线K K，K K K K的光子数。.121)(=NnNnNnNniiiiiKKKkK 荧光产额计算公式第29页/共56页第二十九页，共57页。镁原子(yunz)K层光电离产生的俄歇效应 光电吸收(

12、xshu)引起的俄歇效应 原子在L至K壳层电子跃迁过程中引起的光子未能逸出原子被吸收转而发射(fsh)高层电子的现象，称为俄歇效应，也称内转换。第30页/共56页第三十页，共57页。俄歇效应俄歇效应(xioyng)(xioyng)发射的伴线发射的伴线( (非图标线非图标线) )SiK伴线SiSK俄歇效应与荧光效应是相互竞争光电效应(un din xio yng)，原子序数越小荧光产额越低，俄歇效应就越高。轻元素荧光产额低，俄歇效应高。第31页/共56页第三十一页，共57页。质量吸收质量吸收(xshu)(衰减衰减)系数系数元素(Z)对入射X射线的质量(zhling)吸收系数()与波长的函数关系；

13、其值取决于：波长和原子序数Z；吸收曲线存在吸收限影响第32页/共56页第三十二页，共57页。化合物的质量化合物的质量(zhling)吸收系数吸收系数 式中： i 为元素I的质量吸收(衰减(shui jin)系数 (cm2/g) wi 为元素I在化合物中的重量分数； (化合物) = i().wi第33页/共56页第三十三页，共57页。化合物质量吸收系数计算化合物质量吸收系数计算(j sun)实例实例KBr(CuK)=(148cm2/g x 0.329)+(91cm2/g x0.671)KBr(CuK)=(K.wK) + (Br.wBR)KBr(CuK)=48.7cm2 /g + 61.7cm2

14、/g =110.4cm2/gKBr对CuK的质量(zhling)吸收系数KBr第34页/共56页第三十四页，共57页。临界临界(ln ji)吸收厚度计算吸收厚度计算 入射光束元素(yun s)的特征辐射 临界(ln ji)厚度密 度 X射线能够穿透的最大厚度称为临界厚度第35页/共56页第三十五页，共57页。 由于(yuy) 故 当光谱仪的取出角2为350时： cm 或 m 临界临界(ln ji)厚度的计算公式厚度的计算公式2sin61.4=d6.2=d26000=d2Sinxd=第36页/共56页第三十六页，共57页。常用的临界厚度常用的临界厚度(hud)数据数据 吸收体材料 MgK CrK

15、 SnK 铅 0.6 4.0 50 铁 0.9 30.0 260 SiO2 7.0 100.0 0.8cm Li2B4O7 12.0 800.0 4.1cm H2O 14.0 900.0 4.7cm第37页/共56页第三十七页，共57页。 X射线光子(gungz)与原子中的电子相遇时发生散射 2.X射线(shxin)的散射 相干(xinggn)散射非相干散射散射体入射辐射第38页/共56页第三十八页，共57页。非相干散射(snsh)发生于光子与原子中结合松驰的电子相遇将其能量传递给该电子，并改变方向离开原子。散射(snsh)强度随波长变短而增加。 - = 0.00243 (1 -cos )非相

16、干非相干(xinggn)(康普顿康普顿)散射散射第39页/共56页第三十九页，共57页。铑靶管靶线的康普顿散射铑靶管靶线的康普顿散射(snsh)Rh靶的康普顿散射强度(qingd)随散射体的平均原子量或质量衰减系数的减小而增加。有机玻璃(yuj b l)样品散射铅样品的散射第40页/共56页第四十页，共57页。 X射线的相干(xinggn)散射 相干散射又称为瑞利（Rayleigh ）散射， 又称弹性散射。 根据经典电动力学理论。原子中结合牢固(log)的电子，在入射X 射线的电磁场作用下，受迫振动， 并以波的形式向四周传 播形成相干散射。 相干散射的频率与入射波的频率相同； 只是传播方向与入

17、射波方向不同。 瑞利散射基本上发生在低能区和高原子量材料中。相干散射 是X射线晶体衍射的物理基础。每个原子瑞利散射的散射截 面由下式计算：)(cos2),( )cos1(2121120dZXFrR-=第41页/共56页第四十一页，共57页。1.相干散射是光谱仪晶体分光的工作基础，在测角仪中扫描的元素的分析线角，就是光谱线的位置。因此，相干散射也是光谱分析的基础。2.2. 非相干散射(康普顿散射)对于分析有两种作用：(1).散射构成光谱背景，特别是对于微量分析有害，降低分析灵敏度；(2)散射靶线或散射背景可作为内标线使用。用内标法补偿样品物理形态和基体(j t)状态差异对光谱强度产生的影响，这对

18、于分析是有益的。散射对光谱分析(un p fn x)的影响第42页/共56页第四十二页，共57页。3.X射线的衍射(ynsh)特性来自结晶(jijng)物质的相干散射强化同相位的相干散射光子流满足布拉格定律即发射衍射异相的相干散射光子消灭第43页/共56页第四十三页，共57页。X射线衍射射线衍射(ynsh)原理原理Sindx=dSinx=dSinxnd22=第44页/共56页第四十四页，共57页。 ( 1 ) ( 1 ) 射 线 和 衍 射 ( y n s h )( y n s h ) 线 与 衍 射 ( y n s h )( y n s h ) 晶 面 h k 1 h k 1 的 夹 角 相

19、 等 ； 2 2 射 线 , , 衍 射 ( y n s h )( y n s h ) 线 和 衍 射 ( y n s h )( y n s h ) 面 的 法 线 共 面 ； 3 3 在 衍 射 ( y n s h )( y n s h ) 方 面 中 上 各 个 原 子 发 出 的 波 相 位 相 衍射(ynsh)条件第45页/共56页第四十五页，共57页。五五.荧光荧光(ynggung)X射线激发射线激发1. 荧光X射线的激发2. 理论(lln)强度计算3. 多重荧光效应第46页/共56页第四十六页，共57页。1. 1. 荧光荧光(ynggung)X(ynggung)X射线的激发射线的激

20、发第47页/共56页第四十七页，共57页。样品荧光样品荧光(ynggung)(ynggung)(初级初级)X)X射线的激发射线的激发21t入射的原级辐射(fsh)IPf 样品(yngpn)原级荧光dt第48页/共56页第四十八页，共57页。二次荧光二次荧光(ynggung)X(ynggung)X射线的激发射线的激发t2t1dt1dt2 rISij21dr第49页/共56页第四十九页，共57页。三.次荧光X射线的激发t2t1dt1dt2dt3kjit3d1 r1drd31ITijkr2第50页/共56页第五十页，共57页。荧光荧光(ynggung)X(ynggung)X射线强度计算公式射线强度计

21、算公式(1) 初级荧光由X光管产生(chnshng)的原级辐射(包括连续谱和靶的特 (2) 征X射线)激发产生(chnshng)：其强度计算公式为：=SiiiiiiiiICGICGPdiabsS,min原级辐射激发样品时，计算初级荧光时需要在一个有效波长范围(波长小于待测元素(yun s)光谱对应的吸收限的波段)积分求和。第51页/共56页第五十一页，共57页。二次荧光二次荧光(ynggung)(ynggung)强度计算公式强度计算公式(2) 二次荧光(ynggung)X射线是由样品中其他元素的初级荧光(ynggung)辐射激 发产生的。例如FeNi合金：样品中的NiK和NiK波长 (0.1659nm和0.1500nm)均小于Fe的K系吸收限(0.1743 nm)。因此样品中Ni 的初级荧光(ynggung)均能激发Fe的二次荧 光。其强度计算公式(单色激发)为：ePCeICGSijijijSiiiij,=dCeICGSjijSiiiijjabs)(,min=多色激发(jf)强度计算公式：第52页/共56页第五十二页，共57页。三次三次(sn c)荧光强度的计算公式荧光强度的计算公式三次荧光是由样品(yngpn)中共存元素互致激发产生的二次荧光辐射激发元素而发