内蒙古大学：《仪器分析化学》课程教学资源（PPT课件）第十五章 X射线光谱分析法 第一节 X射线光谱分析基本原理

第十五章 一、概述 X射线光谱与电 generalization 子能谱分析法 二、X射线与X射线谱 X-ray spectrometry and X-ray and X-ray spectrum electron spectroscopy 三、X射线的吸收、散射和 第一节 衍射 X射线和X射线 光谱分析 absorption,diffuse and diffraction of X-ray X-ray and X-ray spectrum analysis 下一页 23:11:14

23:11:14 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

概述 generalization X-射线：波长0.001~50nm; X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同； 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； X-射线光谱 X-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析 23:11:14

23:11:14 一、概述 generalization X-射线：波长0.001～50nm； 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-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析 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；

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： 电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱 Auger电子能谱 23:11:14

23:11:14 电子能谱分析 电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱 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；

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 20 100 90 80 70 6050 4030 20 Ni Ka Co Ka NiK Mo Ka Mo Ka 8 1030 E/ev 图 种高温合金的X射线荧光光谱 图 月球土壤的X射线光电子能谱 23:11:14

23:11:14 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

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0.001~50nm的电磁波； 0.01≈24nm; (超铀系谱线)~（锂系谱线） 高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%) X射线 高速电子撞 击使阳极元素的 冷却水 钨丝加 热电源 内层电子激发； 阴极 产生X射线辐射： 高压 X射线管结构示意图 23:11:15

23:11:15 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0.001～50nm的电磁波； 0.01～24 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；

2.X射线光谱 (1)连续X射线光谱 =K.Z.i.U 电子→靶原子，产生连 续的电磁辐射，连续的X射 b (© 线光谱；成因： 50 mA 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 30 能量损失随机； i02 0.010.050.10.15 /nm E。=eU=5mvo 图 X射线管电流、电压和靶材的改变对连续光谱的影响 (a)管压、靶材（原子序数Z)固定时，连续光谱强度Ici (b)管流、靶材（原子序数Z)固定时，连续光谱强度IcU2 (c)管压、管流固定时，连续光谱强度IcZ 23:11:15

23:11:15 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； 0 2 1 Ee = eU = m 2 I m = K Z iU

(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： =z-2》 R1.097×107m1,Rydberg常数； 0核外电子对核电荷的屏蔽常数； X射线 4特征光谱 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。 23:11:15

23:11:15 （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：         − = − − → = 2 1 2 2 2 1 ( ) 1 2 1 2 n n cR Z h En En  n n  R=1.097×107 m -1,Rydberg常数； σ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

跃迁定则： (1)主量子数4n0 (2)角量子数4L=±1 (3)内量子数4J=±1,0 J为L与磁量子数矢量和S; 4n=1,2,3,0线系，B线系 线系； L→K层K; Kal、K2 M M→K层K; KB1、K2 N→K层K；K1、K2 M→L层La;La1N La2 N→L层LB;LB1、 L B2 N→M层Ma: Ma、Ma2 23:11:15

23:11:15 跃迁定则： (1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0 J为L与磁量子数矢量和S；  n=1,2,3，线系, 线系,  线系； L→K层K； K1 、 K2 M→K层K ； K1 、 K2 N→K层K ； K 1 、 K 2 M→ L 层L ； L1 、 L2 N→L层L  ； L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、 M2

特征光谱一 定性依据 En-En.=cR(Z-0) h L→K层；K线系； Ka n1=2,n2=1; Ka=(cR(Z-o) Ka C 4 -<104m 3R(Z-) K 不同元素具有自己的特征谱 线 一定性基础； 0.02 0.04 0.06 0.080.10.0700.0710.072 谱线强度一定量； /nm 图 钼的特征谱线 23:11:15

23:11:15 特征光谱——定性依据 L→K层；K 线系； n1 =2，n2 =1；         − = − − → = 2 1 2 2 2 1 ( ) 1 2 1 2 n n cR Z h En En  n n  2 ) ( ) 4 3  K = ( cR Z − 2 3 ( ) 4      − = = R Z c K K 不同元素具有自己的特征谱 线 ——定性基础； 谱线强度——定量；

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 d lo=-lo dI 山1：线性衰减系数： d lo=1o um dm u:质量衰减系数： d lo=-loun dn un: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(cm)遇到一个原子时，强度的相对变化（衰减）； 符合光吸收定律： I=To exp(-1) 固体试样时，采用m=1p (p: 密度)； 23:11:15

23:11:15 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 dm 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）；