0518121_利用x射线进行元素分析

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1、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。一、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

2、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。二、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。1S2S2P1/22P3/2KLILIILIII电离能级图二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，

3、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。一、用莱

4、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ZrMoAgIn原子序数Z40424749吸收边（pm）66.80.760.40.648.20.743.30.7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

5、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

6、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。一、定性分析进行定性分析的目的是测出

7、固体样品中所含元素的组成。其设计实验步骤如下：1.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。2.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。3.打开程序，按SCAN启动测量和数据采集。4.采集完毕后，打开Setting对话框，在Crystal选