X射线荧光分析技术

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第三节 X射线荧光分析
• 1.1 X射线荧光方法的物理基础 • 1.2 X射线荧光方法和技术 • 1.3 X射线荧光的室内分析
3Hale Waihona Puke 1.1 X射线荧光方法的物理基础
• 一、X射线的本质与特点 • 二、X射线荧光的产生与莫塞莱定律 • 三、俄歇效应与荧光产额
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1.1 X射线荧光方法的物理基础
一、X射线的本质与特点
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荧光产额的计算比较复杂，这里介绍一个半经 验公式:
(
ω
1
)4
=A+BZ+CZ3
1-ω
式中:Z为原子序数。
A、B、C:为系数;
K层荧光产额(ωk)、L层荧光产额(ωL)和M层 荧光产额(ωM)具有相同形式的半经验公式，但其系 数不同。
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不同壳层系数值
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用X荧光方法适于分析 中等以上的原子序数元素。
光电吸收，非相干散射， 气体电离和产生闪光等现象， 以一定的能量和动量为特征；
能量色散X荧光分析
E=h , =c /
微粒性
能量、电离、光电吸 收、非相干散射
能量单位：eV
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波动性 光速、反射、折射、偏 振、相干散射
波长单位：10－10m
E=h , =c /
微粒性 能量、电离、光电吸收 、非相干散射
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显示X射线的波动性有:
光速，反射，折射，偏振 和相干散射等，以一定的波长 和频率为特征。
实验证实：
波动性
a、1906年 巴克拉 偏振现象 b、1912年 劳厄 晶格衍射实验
光速、反射、折射 、偏振、相干散射
c、1913年 莫塞莱和布拉格 进一步证实
波长色散X荧光分析
波长单位：10－10m
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显示X射线的微粒性有:
量大于原子某外层电子的结合能时，则有可能将能 量传递给原子本身的外层电子，使之成为自由电 子，而不再发射特征X射线。这一物理过程称为俄歇 效应，相应的电子称为俄歇电子，俄歇电子的动能 为特征X射线的能量与该外层电子结合能之差。
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2、荧光产额
发射特征X射线的几率称为荧光产额，用ω表示。
荧光产额可分为K层，L层，M层，…等不同的荧光
能量单位：eV
12400
Ex (A) (eV)
同一切微观粒子一样，X射线也具有波动和微粒的 双重性;显然，无论是测量能量还是波长，都可以实现 对相应元素的分析，其效果是一样的。
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二、X射线荧光的产生与莫塞莱定律
1)特征X射线的产生过程：
其一，高能粒子与原子发生碰撞并从中驱逐一个 内层电子，出现一个电子空位,此时原子处于受激态
L
△j = 0,±1
K
3d5/2 3d3/2 2P3/2 2P1/2 2S1/2
L线系
2P3/2 2P1/2 2S1/2
Kα1和Kα2
1S1/2
K线系 Kβ1、Kβ2、Kβ3
特征X射线能级图解
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3）X荧光谱线的概念壳与层 谱系命名
原子能级及K、L系X荧光谱线产生示意图 14
K系谱线包括Ka1、Ka2、Kβ1、Kβ2、Kβ3等。并且它 们之间的X射线照射量率相差很大。
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1.2 X射线荧光方法和技术
进行X射线荧光方法测量时，要有相应的 仪器，它一般由激发源、滤片、探测器和测 量系统（后端电子学仪器）组成。
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一、激发源 1、放射性同位素源
。 其二，经过10-12～10-14s，外层电子向内跃迁，填 补内层电子空位，同时放出X射线。
第一个过程是吸收入射粒子能量，因而入射离子 的能量必须略高于内层电子的结合能；
第二个过程是放出能量，其特征X射线能量等于两 个能级的能量差。
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2）特征X射线谱的结构
M
跃迁选择定则:
△n≠0 △l =±1
第三章 核分析技术与方法
第三节 X射线荧光分析技 术(XRF)
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X射线荧光分析 （X-ray fluorescence analysis technique）:
利用外界辐射激发待分析样品中的原子， 使原子发出特征X射线（荧光），通过测定这 些特征X射线的能量和强度，可以确定样品中 微量元素的种类和含量，这就是X射线荧光分 析，也叫做源激发X荧光分析。
式中，a和b均为常数。这就是莫塞莱定律。
EX=Rhc(Z-an)2(n112-n122) (2)
式中，R为里德伯常数；h为普朗克常数；c为光速。
an—正数，与内壳层电子数目有关 n1,n2---壳层电子跃迁前后所处壳层的主量子数
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三、俄歇效应与荧光产额
1、俄歇效应 X射线荧光产生过程中，若产生特征X射线的能
1、伦琴发现X射线
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2、本质和特点
X射线（次级X射线荧光）是在原子核周 围，由电子或其它粒子轰击内层轨道电子 ，并使之脱离原子而形成电子空位，在邻 近壳层电子补充空位时，其剩余能量释放 后产生的高频电磁波，具有波动性；波长 为：0.13～0.48Å
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日常生活中的射频图谱
E=h , =c /
产额。K层荧光产额(ωk)定义为单位时间内K层发射 特征X射线光子，除以K层在同一时间形成的电子空
位数。
ω K=
(nK)i =nK a1+nK a2+nK β1+...
N K
N K
式中：NK为K层单位时间内形成的电子空位数; (nK)为单位时间内i射线谱发射的光子数。
L层、M层的荧光产额ωL和ωM的确定方法也类似。
各线系相比，应尽量利 用K系谱线，这对X荧光 的产生和测量均有利。
对于轻元素，荧光产额 低，给测量带来很大困 难，这也是一般条件下分 析低原子序数元素时，精 度不高的根本原因。
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1.2 X射线荧光方法和技术
• 一、激发源 • 二、X射线探测器 • 三、平衡滤片对 • 四、Ｘ射线荧光照射量率的基本公式 • 五、基体效应概述
b、激发效率（ξ），表征入射粒子的激发特性
定义：一个入射粒子与单位面积上一个靶原子作用 时，在某壳层上产生X荧光的几率。
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4）莫塞莱定律
1913年，莫塞莱（H.G.J.Moseley)发现，每个谱
系的X射线能量的平方根与原子序数Z之间存在着以
下简单的线性关系： 1 ν 2 = a(Z - b)
（1）
大致比例为： I(Ka1):I(Ka2):I(Kβ1):I(Kβ2)=100:50:25:5
各谱系之间X射线强度也相差很大，近似为： K:L:M=100:10:1
这表明，每一元素的X射线谱的结构很复杂，其中， Ka线相对强度是最大的．
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两个概念：
a、能驱逐一个内层电子所需的入射粒子的最低能量称 之为吸收限。