現(xiàn)代分析技術預備知識學習教案

1、會計學1第一頁，共57頁。2.1 電磁輻射(din c f sh)與電磁波譜(1) 電磁輻射(din c f sh)與波粒二象性 在空間傳播時，主要表現(xiàn)為波動性，如反射、折射、干涉、衍射、偏振等。用波長() 、頻率() 等參數(shù)描述。 在與物質(zhì)相互作用時，主要表現(xiàn)為粒子性，如光電效應等。用光子能量(E)和光子動量(p)等描述。第1頁/共56頁第二頁，共57頁。2.1 電磁輻射(din c f sh)與電磁波譜(2) 電磁波譜 10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm 射線射線x射線射線紫外光紫外光紅外光紅外光微波微波無線電波無線電

2、波可可 見見 光光第2頁/共56頁第三頁，共57頁。磁共振) 等。中間部分:包括紫外線、可見光和紅外線，2.1 電磁輻射(din c f sh)與電磁波譜第3頁/共56頁第四頁，共57頁。2.1 電磁輻射(din c f sh)與電磁波譜第4頁/共56頁第五頁，共57頁。2.1 電磁輻射(din c f sh)與電磁波譜第5頁/共56頁第六頁，共57頁。電磁輻射電磁輻射(din c f sh) (-X-U-V-I-M-R)反射反射(fnsh)折射折射(zhsh)散射散射干干涉涉衍射衍射偏振偏振發(fā)發(fā)射射電子電子離子離子吸收吸收熒光熒光(二次電磁輻射二次電磁輻射)電電離離電磁輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生

3、的主要現(xiàn)電磁輻射與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的主要現(xiàn)象象2.2 電磁輻射與物質(zhì)的相互作用第6頁/共56頁第七頁，共57頁。2.2 電磁輻射(din c f sh)與物質(zhì)的相互作用第7頁/共56頁第八頁，共57頁。2.2.1 輻射(fsh)的吸收與發(fā)射(1) 輻射(fsh)的吸收與吸收光譜第8頁/共56頁第九頁，共57頁。2.2.1 輻射的吸收(xshu)與發(fā)射第9頁/共56頁第十頁，共57頁。2.2.1 輻射的吸收(xshu)與發(fā)射吸吸光光度度(gungd)A 或或 吸收吸收(xshu)峰峰(帶帶)透透過過率率T吸收峰吸收峰(帶帶) 或或 吸收光譜示意圖吸收光譜示意圖不同物質(zhì)具有各自的特征吸收光譜。第1

4、0頁/共56頁第十一頁，共57頁。2.2.1 輻射的吸收(xshu)與發(fā)射(2) 輻射(fsh)的發(fā)射與發(fā)射光譜前后兩個能級的能量(E2與E1)之差，即第11頁/共56頁第十二頁，共57頁。2.2.1 輻射(fsh)的吸收與發(fā)射物質(zhì)(wzh)的激發(fā)方式： 熱激發(fā)：通過熱運動的粒子碰撞而使物質(zhì)激發(fā)，如電弧、火花等放電光源和火焰等。 電(子)激發(fā)：通過被電場加速的電子轟擊使物質(zhì)激發(fā)。 非電磁輻射激發(fā)(非光激發(fā)) 第12頁/共56頁第十三頁，共57頁。2.2.1 輻射(fsh)的吸收與發(fā)射作為激發(fā)源的輻射光子稱一次光子，而物質(zhì)微粒受激后輻射躍遷發(fā)射的光子(二次光子)稱為熒光或磷光(ln un)。 吸

5、收一次光子與發(fā)射二次光子之間延誤時間很短(10-810-4s)則稱為熒光；延誤時間較長(10-410s)則稱為磷光(ln un)。第13頁/共56頁第十四頁，共57頁。2.2.1 輻射的吸收(xshu)與發(fā)射物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強度對或的分布稱為發(fā)射光譜。光致發(fā)光者，則稱為熒光(ynggung)或磷光光譜。不同(b tn)物質(zhì)粒子具有各自的特征發(fā)射光譜。發(fā)發(fā)射射強強度度 或或 發(fā)射光譜示意圖用膠片或感光玻璃記錄第14頁/共56頁第十五頁，共57頁。形態(tài))可分為線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜。(3) 光譜(gungp)的分類2.2.1 輻射的吸收(xshu)與發(fā)射第15頁/共56頁第十六頁，共57頁。線

6、光譜線光譜(gungp)(gungp)(鈉蒸氣吸收光譜鈉蒸氣吸收光譜(gungp)(gungp)線光譜線光譜(gungp)(gungp)(氫原子發(fā)射光譜氫原子發(fā)射光譜(gungp)(gungp)帶光譜帶光譜(gungp)(gungp)(苯蒸氣吸收光譜苯蒸氣吸收光譜(gungp)(gungp)帶光譜帶光譜( (氰分子發(fā)射光譜氰分子發(fā)射光譜) )線光譜與帶光譜示例2.2.1 輻射的吸收與發(fā)射第16頁/共56頁第十七頁，共57頁。2.2.1 輻射(fsh)的吸收與發(fā)射吸收光譜(x shu un p)分類第17頁/共56頁第十八頁，共57頁。2.2.1 輻射(fsh)的吸收與發(fā)射發(fā)射光譜(f sh u

7、n p)分類第18頁/共56頁第十九頁，共57頁。的電子等，取決于物質(zhì)結構及的電子等，取決于物質(zhì)結構及入射線波長大小等因素。入射線波長大小等因素。2.2.2 輻射(fsh)的散射第19頁/共56頁第二十頁，共57頁。2.2.2 輻射(fsh)的散射(1) 分子(fnz)散射 第20頁/共56頁第二十一頁，共57頁。2.2.2 輻射(fsh)的散射(2) 晶體(jngt)中的電子散射 相干散射是指入射線光子與原子內(nèi)受束縛較緊的電子（如內(nèi)層電子）發(fā)生的彈性碰撞作用，又稱為彈性散射。第21頁/共56頁第二十二頁，共57頁。2.2.2 輻射(fsh)的散射相干散射的經(jīng)典電動力學解釋：當入射線光子能量不

8、足以使原子電離，也不足以使原子發(fā)生能級躍遷時，原子中的電子可能在入射線電場力的作用下作受迫振動并成為新的電磁波源，向四周發(fā)射與入射線同頻率的電磁波。這些次級電磁輻射與入射線具有(jyu)確定的相位關系，可以相互干涉，故稱為相干散射。相干散射是材料X射線衍射分析的技術基礎。第22頁/共56頁第二十三頁，共57頁。2.2.2 輻射(fsh)的散射反沖電子反沖電子(dinz)(dinz)非相干散射的產(chǎn)生非相干散射的產(chǎn)生 第23頁/共56頁第二十四頁，共57頁。譜。2.2.3 光電離eMhvM第24頁/共56頁第二十五頁，共57頁。2.2.3 光電離Ag的X射線光電子能譜第25頁/共56頁第二十六頁，

9、共57頁。2.3 X射線的產(chǎn)生(chnshng)及其與物質(zhì)的相互作用 有許多有許多(xdu)(xdu)位科學家在該領域位科學家在該領域獲諾貝爾物理學獎。獲諾貝爾物理學獎。第26頁/共56頁第二十七頁，共57頁。2.3 X射線的產(chǎn)生(chnshng)及其與物質(zhì)的相互作用科學家姓名科學家姓名研究內(nèi)容研究內(nèi)容獲獎年份獲獎年份倫琴倫琴1895年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)X射線射線1901勞厄勞厄1912年年 X射線衍射射線衍射1914巴克拉巴克拉發(fā)現(xiàn)元素的發(fā)現(xiàn)元素的X射線標識光譜射線標識光譜1917勞倫斯勞倫斯布拉格布拉格亨利亨利布拉格布拉格提出提出X射線衍射公式射線衍射公式創(chuàng)建創(chuàng)建X射線分光儀射線分光儀1915康普

10、頓康普頓康普頓效應康普頓效應1927卡爾卡爾西格班西格班1923年發(fā)表年發(fā)表倫琴射線譜學倫琴射線譜學1924凱凱西格班西格班X射線光電子能譜學射線光電子能譜學1981第27頁/共56頁第二十八頁，共57頁。2.3 X射線的產(chǎn)生(chnshng)及其與物質(zhì)的相互作用第28頁/共56頁第二十九頁，共57頁。2.3 X射線的產(chǎn)生(chnshng)及其與物質(zhì)的相互作用 穿透能力強。能穿透可見光不能穿透的物質(zhì)，如生物的軟組織等。 X射線穿過不同媒質(zhì)時折射和反射(fnsh)極小，仍可視為直線傳播。 通過晶體時發(fā)生衍射，因而可用X射線研究晶體的內(nèi)部結構。第29頁/共56頁第三十頁，共57頁。2.3 X射線的

11、產(chǎn)生(chnshng)及其與物質(zhì)的相互作用第30頁/共56頁第三十一頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜(1) X射線的產(chǎn)生(chnshng)第31頁/共56頁第三十二頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜冷卻水冷卻水靶（陽極）靶（陽極）銅銅X射線射線X射線射線真空真空鎢絲鎢絲玻璃玻璃管座（接變壓器）管座（接變壓器）鈹窗鈹窗聚焦罩聚焦罩結構原理：把用一定材料(Cu等)制作的陽極(靶)和陰極(鎢絲) 密封在一個(y )玻璃-金屬管殼內(nèi)。當鎢絲被34A的電流加熱后，發(fā)出熱電子。第32頁/共56頁第三十三頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生

12、(chnshng)與X射線譜冷卻水冷卻水靶（陽極）靶（陽極）銅銅X射線射線X射線射線真空真空鎢絲鎢絲玻璃玻璃管座（接變壓器）管座（接變壓器）鈹窗鈹窗聚焦罩聚焦罩 在陽極和陰極間加直流高壓V，陰極產(chǎn)生的熱電子將在電場作用下奔向陽極，并撞擊金屬靶。 電子的突然減速或停止運動,使大部分( 99% ) 能量轉(zhuǎn)變成熱能(rnng),小部分( 1%)轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線。第33頁/共56頁第三十四頁，共57頁。1.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜冷卻水冷卻水靶（陽極）靶（陽極）銅銅X射線射線X射線射線真空真空鎢絲鎢絲玻璃玻璃管座（接變壓器）管座（接變壓器）鈹窗鈹窗聚焦罩聚焦罩 為避免靶材熔解，加循

13、環(huán)(xnhun)冷卻水。X射線在與靶面約成6角處的強度最大，按此角度在管上開一窗口，讓X射線透過。窗口材料：對X射線吸收少的Be第34頁/共56頁第三十五頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜 X射線管發(fā)出(fch)的X射線分為兩類：即連續(xù)譜和特征譜。例：Mo靶，當管壓=15kV，發(fā)出連續(xù)譜, 當管壓 25kV，則出現(xiàn)(chxin)特征譜.第35頁/共56頁第三十六頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜(2) 連續(xù)(linx)X射線譜定義：由某一最短波(dunb)長(0，稱短波(dunb)限)開始，強度(I)隨波長連續(xù)變化的X射線譜。 0

14、I第36頁/共56頁第三十七頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜產(chǎn)生的機理：當高速運動(yndng)的電子擊靶后，電子被減速。電子所減少的能量（E）轉(zhuǎn)為所發(fā)射X射線光子能量（h），即h=E。 由于擊靶的電子數(shù)目極多，擊靶時穿透的深淺不同、損失的動能不等，因此，由電子動能轉(zhuǎn)換為X射線光子的能量有多有少，從而形成一系列不同頻率(或波長(bchng)的X射線，構成了連續(xù)譜。 第37頁/共56頁第三十八頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜短波限的產(chǎn)生: 電子與靶材相撞(xin zhun)，其能量（eV）全部轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛涔庾幽芰?，此時光子能量最大

15、、波長最短，因此連續(xù)譜有一個下限波長0。0hchveVnmKVVeVhc)(24. 10第38頁/共56頁第三十九頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜連續(xù)(linx)X射線譜及管電壓(V)對連續(xù)(linx)譜的影響(鎢靶)當管電流(dinli)不變時， V 0I() 曲線上移第39頁/共56頁第四十頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜V不變，i I()曲線(qxin)上移 (0不變)在V和i均不變下, 靶材原子序數(shù)(yunz xsh)(Z) I()曲線上移 (0不變)第40頁/共56頁第四十一頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(c

16、hnshng)與X射線譜(3) 特征(tzhng)X射線譜定義：在某些特定波長(bchng)位置出現(xiàn)的疊加在連續(xù)譜上的高而狹仄的譜線。特征X射線的產(chǎn)生機理較外層電子將向內(nèi)層躍遷較外層電子將向內(nèi)層躍遷產(chǎn)生輻射即產(chǎn)生輻射即特征特征X射射線線或產(chǎn)生俄歇電子或產(chǎn)生俄歇電子 。 管電壓增至某一臨界值管電壓增至某一臨界值( (稱稱激發(fā)電壓激發(fā)電壓) )使撞擊靶材的電子具有足夠能量時，使撞擊靶材的電子具有足夠能量時，可使靶可使靶原子內(nèi)層產(chǎn)生空位原子內(nèi)層產(chǎn)生空位h LK=EL-EK 第41頁/共56頁第四十二頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜特征(tzhng)X射線的命名 若K

17、層產(chǎn)生空位，L層或M層或更外層電子向K層躍遷，產(chǎn)生的X射線統(tǒng)稱(tngchng)為K系特征輻射，分別按順序記為K，K，射線。 距K層越遠的能級，電子向K層躍遷的幾率越KLMKKL小，輻射光子數(shù)越少，故通常除K，K，忽略其它輻射。第42頁/共56頁第四十三頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜 若M或N層電子L層（空位）躍遷(yuqin)，譜線記為L，L，射線，稱為L系特征輻射等。 M系等依此類推。 依據(jù)特征X射線的產(chǎn)生機理：K，L，系譜線激發(fā)電壓VK，VL，不同，有VKVL；同系 各 譜 線 按， 波 長 順 序 減 少 ， 如KK 等。 第43頁/共56頁第四十四

18、頁，共57頁。1.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜特征X射線譜及管電壓(diny)對特征譜的影響 鉬鈀K系20kV25kV35kV特征(tzhng)譜線的位置只與靶材的原子序數(shù)Z有關，而與V和I無關。 K K 第44頁/共56頁第四十五頁，共57頁。莫賽萊(Moseley)定律(dngl)2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜表明特征(tzhng)譜線波長與物質(zhì)原子序數(shù)的關系)(1zc c與與線系有關的常數(shù)。 可見：原子序數(shù) K線系波長例：Cu (Z=29) 靶X射線： K1 = 1.5406 Mo (Z=42) 靶X射線： K1 = 0.7093 電子探針和X射

19、線熒光光譜元素定性分析的基礎第45頁/共56頁第四十六頁，共57頁。2.3.1 X射線的產(chǎn)生(chnshng)與X射線譜特征(tzhng)X射線的多重線系K 1：L3 KK 2：L2 K實際上，K是一個雙重(shungchng)躍遷， 原因：分別由L3層及L2層電子向K層(空位)躍遷而產(chǎn)生。L L層層K K層層K射線的雙重線K1與K2(鉬靶)第46頁/共56頁第四十七頁，共57頁。2.3.2 X射線與物質(zhì)(wzh)的相互作用熱能熱能透射透射X射線射線強度強度It = I0 exp(- *t) 散射散射X射線射線電子電子熒光熒光X射線射線相干的相干的非相干的非相干的反沖電子反沖電子俄歇電子俄歇電

20、子 光電子光電子康普頓效應康普頓效應俄歇效應俄歇效應 光電效應光電效應入射入射X射線射線 強度強度 I0tX射線光電子能譜射線光電子能譜X射線激發(fā)射線激發(fā)(jf)俄歇電子能譜俄歇電子能譜X射線衍射射線衍射(ynsh)X射線熒光光譜射線熒光光譜X射線與物質(zhì)相互作用及據(jù)此建立的主要分析方法第47頁/共56頁第四十八頁，共57頁。2.3.2 X射線與物質(zhì)(wzh)的相互作用 當入射X射線光子能量達到某一閾值可擊出物質(zhì)原子(yunz)內(nèi)層電子時，產(chǎn)生光電效應。 光電效應產(chǎn)生光電子，是X射線光電子能譜分析的技術基礎。 光電效應使原子(yunz)產(chǎn)生空位后的退激發(fā)過程產(chǎn)生俄歇電子或X射線熒光輻射是X射線激

21、發(fā)俄歇能譜分析和X射線熒光分析方法的技術基礎。光電效應(un din xio yng) 第48頁/共56頁第四十九頁，共57頁。2.3.3 X射線的衰減(shui jin)朗 伯 定 律 ： X 射 線 通 過(tnggu)物質(zhì)時，其強度按指數(shù)規(guī)律衰減。tttmeIeII00定義：入射X射線通過物質(zhì)，沿透射方向強度顯著下降的現(xiàn)象。原因：X射線通過物質(zhì)時的衰減(shui jin)，是吸收和散射造成的,其中吸收是主要原因。第49頁/共56頁第五十頁，共57頁。2.3.3 X射線的衰減(shui jin)tttmeIeII00為吸收系數(shù)，表示X射線通過單位長度物質(zhì)時強度（或單位體積物質(zhì)時能量）的衰減。m為質(zhì)量(zhling)吸收系數(shù)，表示X射線通過單位質(zhì)量(zhling)物質(zhì)時(強度)的衰減，亦稱單位質(zhì)量(zhling)物質(zhì)對X射線吸收。/m物質(zhì)(wzh)的密度第50頁/共56頁第五十一頁，共57頁。若物質(zhì)是由n(n2)個元素組成(z ch