《X射线光谱分析》PPT课件.ppt

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1、2023/7/8,第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法,一、概述generalization二、X射线与X射线谱X-ray and X-ray spectrum三、X射线的吸收、散射和衍射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 spectroscopy,X-ray and X-ray spectrum analysis,2023/7/8,一、概述 generalization,X-射线：波长0.00150nm；X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同

2、；,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；,2023/7/8,电子能谱分析,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；,2023/7/8,共同点,(1)属原子发射光谱的范畴；(2)涉及到元素内层电子；(3)以X-射线为激发源；(4)可用于固体表层或薄层分析,2023/7/8,二、X射线与X射线光谱 X-ray and X-ray spectrum,1.初级X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(C

3、u、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；,2023/7/8,2.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；,2023/7/8,（2）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=1.097107 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光速；Z原子序数；不同元素具有自己的特征谱线定性基础。,2023/7/8,跃迁定则：,(1)主量子数 n

4、0(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；LK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、M2,2023/7/8,特征光谱定性依据,LK层；K 线系；n1=2，n2=1；,不同元素具有自己的特征谱线 定性基础；谱线强度定量；,2023/7/8,三、X射线的吸收、散射与衍射 absorption,diffuse and diffraction of X-ray,1.X射线的吸收 dI0=-I0 l dl l：线性衰减系数；dI0=-I0 m d

5、m m：质量衰减系数；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）；,2023/7/8,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；Z，越易吸收；，穿透力越强；,2023/7/8,元素的X射线吸收光谱,吸收限(吸收边)：一个

6、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(MK),吸收限(波长)，激发需要的能量。,2023/7/8,2.X射线的散射,X射线的强度衰减：吸收+散射；X射线的；Z，越易吸收，吸收散射；吸收为主；，Z；穿透力越强；对轻元素N,C,O，散射为主；(1)相干散射(Rayleigh散射，弹性散射),E 较小、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；,2023/7/8,（2）非相干散射,

7、Comptom 散射、非弹性散射；Comptom-吴有训效应；,波长、周相不同，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；衍射图上出现连续背景。,2023/7/8,3.X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=d sin n=2d sin 光程差为 的整数倍时相互加强；,2023/7/8,Bragg衍射方程及其作用,n=2d sin|sin|1；当n=1 时，n/2d=|sin|1，即 2d；只有当入射X射线的

8、波长 2倍晶面间距时，才能产生衍射,Bragg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射线荧光分析的基础。,2023/7/8,内容选择,第一节 X射线与X射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节 X射线荧光分析X-ray fluorescence spectrometry第三节 X射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节 X射线光电子能谱X-ray electron spectroscopy,结束,第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法,一、X-射线荧光的产生creati

9、on of X-ray fluorescence二、X-射线荧光光谱仪X-ray fluorescence spectrometer三、应用 applications,第二节 x-射线荧光分析,X-ray spectrometry and electron spectroscopy,X-ray fluorescence spectrometry,2023/7/8,一、X-射线荧光的产生 creation of X-ray fluorescence,特征X射线荧光-特征X射线光谱,X射线荧光 次级X射线(能量小)(能量大)激发过程能量稍许损失；依据发射的X射线荧光，确定待测元素定性 X射线荧光强

10、度定量,2023/7/8,Auger 效应,Auger电子：次级光电子各元素的Auger电子能量固定；（电子能谱分析法的基础）,Auger效应,荧光辐射,竞争几率,Z11的元素；重元素的外层空穴；,重元素内层空穴；K,L层；,2023/7/8,Moseley 定律,元素的荧光X射线的波长()随元素的原子序数(Z)增加，有规律地向短波方向移动。,K，S常数，随谱系(L，K，M，N)而定。定性分析的数学基础；测定试样的X射线荧光光谱，确定各峰代表的元素。,2023/7/8,二、X射线荧光光谱仪 X-ray fluorescence spectrometer,波长色散型：晶体分光能量色散型：高分辨半

11、导体探测器分光1.波长色散型X射线荧光光谱仪,四部分：X光源；分光晶体；检测器；记录显示；按Bragg方程进行色散；测量第一级光谱n=1；检测器角度 2；分光晶体与检测器同步转动进行扫描。,2023/7/8,晶体分光型X射线荧光光谱仪扫描图,分光晶体与检测器同步转动进行扫描。,2023/7/8,（1）X射线管(光源),分析重元素：钨靶分析轻元素：铬靶 靶材的原子序数越大，X光管压越高，连续谱强度越大。,2023/7/8,（2）晶体分光器,晶体色散作用；=2dsin平面晶体分光器弯面晶体分光器,2023/7/8,（3）检测器,正比计数器(充气型)：工作气 Ar；抑制气 甲烷 利用X射线使气体电离

12、的作用，辐射能转化电能；,脉冲信号,闪烁计数器：瞬间发光光电倍增管；半导体计数器：下图,2023/7/8,（4）记录显示,记录显示：放大器、脉冲高度分析器、显示；三种检测器给出脉冲信号；脉冲高度分析器：分离次级衍射线，杂质线，散射线,2023/7/8,2.能量色散型X射线荧光光谱仪,采用半导体检测器；多道脉冲分析器(1000多道)；直接测量试样产生的X射线能量；无分光系统，仪器紧凑，灵敏度高出23个数量级；,无高次衍射干扰；同时测定多种元素；适合现场快速分析；检测器在低温(液氮)下保存使用，连续光谱构成的背景较大；,2023/7/8,能量色散型X射线荧光光谱图,2023/7/8,能量色散型X射

13、线荧光光谱图,2023/7/8,三、应用 applications,1.定性分析 波长与元素序数间的关系；特征谱线；查表：谱线2表；例：以LiF(200)作为分光晶体，在2=44.59处有一强峰，谱线2表显示为：Ir(K)，故试样中含Ir；（1）每种元素具有一系列波长、强度比确定的谱线；Mo(Z42)的K系谱线K1、K2、K1、K2、K3 强度比 100、50、14、5、7（2）不同元素的同名谱线，其波长随原子序数增加而减小 Fe(Z=26)Cu(Z=29)Ag(Z=49)K1：1.936 1.540 0.559 埃（A）,2023/7/8,2.定量分析 谱线强度与含量成正比；（1）标准曲线法

14、（2）增量法（3）内标法3.应用 可测原子序数592的元素，可多元素同时测定；特点：(1)特征性强，内层电子跃迁，谱线简单(2)无损分析方法，各种形状试样，薄层分析(3)线性范围广，微量常量 缺点：灵敏度低(0.0X%)；,2023/7/8,内容选择：,第一节 X射线与X射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节 X 射线荧光分析X-ray fluorescence spectrometry第三节 X 射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节 X 射线光电子能谱X-ray electron spectroscopy,结束,2023/

15、7/8,第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法,第三节 X射线衍射分析,一、晶体特性property of crystal 二、多晶粉末衍射分析法multiple crystal powder diffraction analysis三、单晶衍射分析法single crystal diffraction analysis,X-ray spectrometry and electron spectroscopy,X-ray diffraction analysis,2023/7/8,一、晶体特性 property of crystal,晶体：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

16、点阵结构；点阵+结构基元；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：三个向量a、b、c，及夹角、；r,s,t；1/r,1/s,1/t：晶面在三个晶轴上的截数和倒易截数1/r1/s1/t=hkl；晶面(110)与C 轴平行；,2023/7/8,二、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X射线源样品台检测器,2023/7/8

17、,1.仪器特点,X射线衍射仪与X射线荧光仪相似；主要区别：(1)单色X射线源;(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；,2023/7/8,2.应用,Bugger 方程：2d sin=n 将晶面间距d和晶胞参数a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；例：求Al的晶胞参数，用Cu(K1)射线（=1.5405埃）照射样品，选取=81.17 的衍射线(3 3 3)，则：,2023/7/8,三、单晶衍射分析 single crystal diffraction analysis,仪器：计算机化 单晶X射线四圆衍射仪四圆：、2 圆：

18、围绕安置晶体的轴旋转的圆；圆：安装测角头的垂直圆，测角头可在此圆上运动；圆：使垂直圆绕垂直轴转动的圆即晶体绕垂直轴转动的圆；,2023/7/8,应用,能提供晶体内部三维空间的电子云密度分布，晶体中分子的立体构型、构像、化学键类型，键长、键角、分子间距离，配合物配位等。,2023/7/8,内容选择：,第一节 X射线与X射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节 X射线荧光分析X-ray fluorescence spectrometry第三节 X射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节 X射线光电子能谱X-ray electron s

19、pectroscopy,结束,2023/7/8,第十五章 X射线光谱与电子能谱分析法,第四节 X射线电子能谱分析法,一、基本原理principles二、X射线光电子能谱分析X-ray photoelectron spectroscopy 三、紫外光电子能谱分析ultraviolet photoelectron spectroscopy四、Auger电子能谱Auger photoelectron spectroscopy五、电子能谱仪 electron spectroscopy,X-ray spectrometry and electron spectroscopy,X-ray electron

20、 spectroscopy,2023/7/8,一、基本原理 principles,电子能谱法：光致电离；A+h A+*+e,单色X射线也可激发多种核内电子或不同能级上的电子，产生由一系列峰组成的电子能谱图，每个峰对应于一个原子能级（s、p、d、f）；,2023/7/8,光电离几率和电子逃逸深度,自由电子产生过程的能量关系：h=Eb+Ek+Er Eb+EkEb：电子电离能(结合能)；Ek：电子的动能；Er：反冲动能 光电离几率(光电离截面)：一定能量的光子在与原子作用时，从某个能级激发出一个电子的几率；与电子壳层平均半径，入射光子能量，原子序数有关；轻原子：1s/2 s 20 重原子：同壳层 随

21、原子序数的增加而增大；电子逃逸深度：逸出电子的非弹性散射平均自由程；：金属0.52nm；氧化物1.54nm；有机和高分子410nm；通常：取样深度 d=3；表面无损分析技术；,2023/7/8,电子结合能,原子在光电离前后状态的能量差：Eb=E2 E1 气态试样：Eb=真空能级 电子能级差 固态试样：(选Fermi能级为参比能级)Eb=h sa Ek h sp Ek,Fermi能级：0K固体能带中充满电子的最高能级；功函数：电子由Fermi能级自由能级的能量；每台仪器的sp固定，与试样无关，约3 4eV；Ek可由实验测出，故计算出Eb 后确定试样元素，定性基础。,2023/7/8,2023/7

22、/8,电子结合能,2023/7/8,二、X射线光电子能谱分析法 X-ray photoelectron spectroscopy,光电子的能量分布曲线：采用特定元素某一X光谱线作为入射光，实验测定的待测元素激发出一系列具有不同结合能的电子能谱图，即元素的特征谱峰群；谱峰：不同轨道上电子的结合能或电子动能；伴峰：X射线特征峰、Auger峰、多重态分裂峰。,2023/7/8,1.谱峰出现规律,(1)主量子数n小的峰比n大的峰强；,(2)n相同，角量子数L大的峰比L小的峰强；(3)内量子数J大的峰比L小的峰强；(J=LS；自旋裂分峰),2023/7/8,2.谱峰的物理位移和化学位移,物理位移：固体的

23、热效应与表面荷电的作用引起的谱峰位移化学位移：原子所处化学环境的变化引起的谱峰位移产生原因：(1)价态改变：内层电子受核电荷的库仑力和荷外其他电子的屏蔽作用；电子结合能位移Eb；,结合能随氧化态增高而增加，化学位移增大；为什么？(2)电负性：三氟乙酸乙酯中碳元素的,2023/7/8,3.电负性对化学位移的影响,三氟乙酸乙酯电负性：FOCH4个碳元素所处化学环境不同；,2023/7/8,4.X射线光电子能谱分析法的应用,(1)元素定性分析 各元素的电子结合能有固定值，一次扫描后，查对谱峰，确定所含元素(H、He除外)；,(2)元素定量分析 一定条件下，峰强度与含量成正比，精密度1-2%；,产物有

24、氧化现象,2023/7/8,特殊样品的元素分析,2023/7/8,可从B12中180个不同原子中，检测出其中的一个Co原子,2023/7/8,(3)固体化合物表面分析,取样深度 d=3；金属0.52nm；氧化物1.54nm；有机和高分子410nm；表面无损分析技术；钯催化剂在含氮有机化合物体系中失活前后谱图变化对比。,2023/7/8,固体化合物表面分析,三种铑催化剂X射线电子能谱对比分析；,2023/7/8,(4)化学结构分析,依据：原子的化学环境与化学位移之间的关系；例：化合物中有两种碳原子，两个峰；苯环上碳与羰基上的碳；羰基碳上电子云密度小，1s电子结合能大（动能小）；峰强度比符合碳数比

25、。,2023/7/8,三、紫外光电子能谱分析法ultraviolet photoelectron spectroscopy,1.原理 紫外光 外层价电子自由光电子（激发态分子离子）入射光能量h=I+Ek+Ev+Er I 外层价电子电离能；Ev分子振动能；Er 分子转动能。紫外光源：He I(21.2eV)；He II(40.8eV)I Er；高分辨率紫外光电子能谱仪可测得振动精细结构；,2023/7/8,为什么电子能谱不能获得振动精细结构内层电子结合能振动能；X射线的自然宽度比紫外大；He I 线宽：0.003eV；Mg K 0.68eV；振动能级间隔：0.1eV；,2023/7/8,精细结构

26、,2023/7/8,紫外光电子能谱：,AB(X)：基态中性分子；AB+(X)：分子离子；AB(X)AB+(X)(最高轨道电离跃迁)AB(X)AB+(A)(次高轨道电离跃迁)成键电子电离跃迁AB(X)AB+(B)反键电子电离跃迁第一谱带I1：对应于第一电离能；分子基态(0)离子基态(0)裂分 峰：位于振动基态的分子，光电离时，跃迁到分子离子的不同振动能级；第二谱带I2：第二电离能；非键电子；,2023/7/8,谱带形状与轨道的键合性质,I：非键或弱键轨道电子电离跃迁II、III：成键或反键轨道电子电离跃迁；IV：非常强的成键或反键轨道电子电离跃迁；V：振动谱叠加在离子的连续谱上；VI：组合谱带；

27、,2023/7/8,紫外光电子能谱图,两种结构相似有机硫化物紫外电子能谱对比分析,2023/7/8,M+*M+h(荧光X射线)M+*M+e(Auger电子)两个过程竞争；双电离态；三(或两)个能级参与；标记：K LI LII；L MI MII 等；H、He不能发射Auger电子；,四、Auger电子能谱分析法 Auger photoelectron spectroscopy,1.原理,Auger电子,2023/7/8,2.Auger电子能量,(1)Auger电子动能与所在能级和仪器功函数有关；(2)二次激发，故与X射线的能量无关；(3)双重电离，增加有效核电荷的补偿数(=1/21/3)；通式：

28、,Ew(Z)-EX(Z)：x轨道电子跃迁到w轨道空穴给出的能量；Ey(Z+)：y轨道电子电离的电离能；,2023/7/8,3.Auger电子产额,用几率来衡量两个竞争过程，发射X射线荧光的几率PKX；发射K系 Auger电子的几率PKX，则K层X射线荧光产额：,K层Auger电子几率产额：KA=1-KXZ90%;由图可见，Auger电子能谱更适合轻元素分析,Z32。,2023/7/8,4.Auger峰强度,Auger峰强度：IA Qi PA Qi 电离截面；Auger电子发射几率；电离截面Qi与束缚电子的能量(Ei)和入射电子束的能量(Ep)有关；Ep Ei 电离不能发生，则Auger产额为零

29、；Ep/Ei 3，可获得较大Auger峰强度。,2023/7/8,5.Auger电子能谱图,Auger电子能量与元素序数和产生的能级有关，具有特征性；对于 3 14 的元素，Auger峰类型为：KLL 型；对于14 40的元素，Auger峰类型为：LMM 型；,如图，按X射线能谱记录的曲线上，Auger谱峰淹没在本底中，采用微分曲线，则Auger谱峰明显；,2023/7/8,Auger电子能谱图,锰的价态与形态分析。,2023/7/8,五、电子能谱分析仪（多功能）electron spectroscopy,2023/7/8,1.激发源,X射线电子能谱：X射线管；紫外电子能谱：He、Kr的共振线

30、；Auger电子能谱：强度较大的电子枪(5-10 keV)；,2023/7/8,2.电子能量分析器,(1)半球型电子能量分析器 改变两球面间的电位差，不同能量的电子依次通过分析器；分辨率高；,(2)筒镜式电子能量分析器（CMA)同轴圆筒，外筒接负压、内筒接地，两筒之间形成静电场；灵敏度高、分辨率低；二级串联；,2023/7/8,3.检测器,产生的光电流：10-310-9；电子倍增器作为检测器；单通道电子倍增器；多通道电子倍增器；4.真空系统 光源、样品室、电子能量分析器、检测器都必须在高真空条件下工作；真空度：1.3310-6 Pa。,2023/7/8,内容选择：,第一节 X 射线与X射线光谱分析X-ray and X-ray spectrometry第二节 X 射线荧光分析X-ray fluorescence spectrometry第三节 X 射线衍射分析X-ray diffraction analysis第四节 X 射线光电子能谱X-ray electron spectroscopy,结束,