1、11:16:29,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,11:16:29,一、概述 generalization,X-射线：波长0.00150nm；X-射线的能量与原子轨道能级差
2、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；,11:16:29,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；,11:16:29,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,11:16:29,二、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) (
3、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；,11:16:29,2.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；,11:16:29,（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 。,11
4、:16:29,跃迁定则：,(1)主量子数 n0 (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； LK层K； K1 、 K2 MK层K ； K1 、 K2 NK层K ； K 1 、 K 2 M L 层L ； L1 、 L2 NL层L ； L 1 、 L 2 NM层M； M1 、 M2,11:16:29,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；,11:16:29,三、X射线的吸收、散射与衍射 absorption, diffuse and diffra
5、ction 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）；,11:16:29,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 + m m ：质量吸收系数； m ：质量散射系数；,NA：Avogadro常数；Ar ：相对原子质量；
6、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；,11:16:29,元素的X射线吸收光谱,吸收限(吸收边)：一个特征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。,11:16:29,2.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
7、 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；,11:16:29,（2）非相干散射,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。,11:16:29,3. 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=
8、d sinn = 2d sin光程差为 的整数倍时相互加强；,11:16:29,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。,11:16:29,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 s
9、pectrometry 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 creation 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 spect
10、rometry,11:16:29,一、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射线荧光强度定量,11:16:29,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；,11:16:29,Moseley 定律,元素的荧光X射线的波长( )随元素的原子序数( Z )
11、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。,11:16:29,二、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。,11:16:29,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。,11:16:29,（1）
12、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。,11:16:29,（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,11:16:29,（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,11:16:29,（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,11:16:29,2. 能量色散型X射线荧光光谱仪,采用半
13、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；,11:16:29,能量色散型X射线荧光光谱图,11:16:29,能量色散型X射线荧光光谱图,11:16:29,三、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；
14、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）,11:16:29,2.定量分析谱线强度与含量成正比； （1）标准曲线法 （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%)；,11:16:29,内容选择：,
15、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,11:16:29,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
16、、单晶衍射分析法 single crystal diffraction analysis,X-ray spectrometry and electron spectroscopy,X-ray diffraction analysis,11:16:29,一、 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(
17、110)与C 轴平行；,11:16:29,二、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,11:16:29,1.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；,11:16:29,2.应用,Bugger
18、 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：,11:16:29,三、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：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；,11:16:29,应用,能提供晶体内部三维空间的电子云密度分布，晶体
19、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。,11:16:29,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,11:16:29,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
20、-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 spectroscopy,11:16:29,一、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
21、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）；,11:16:29,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+ Ek Eb：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
22、； 通常：取样深度 d = 3 ；表面无损分析技术；,11:16:29,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。,11:16:29,11:16:29,电子结合能,11:16:29,二、X射线光电子能谱分析法 X-ray photoelectron spectros
23、copy,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。,11:16:29,1.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),11:16:29,2. 谱峰的物理位移和化学位移,物理位移：固体的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
24、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,11:16:29,3. 电负性对化学位移的影响,三氟乙酸乙酯 电负性：FOCH 4个碳元素所处化学环境不同；,11:16:29,4. 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%；,产物有氧化现象,11:16:29,特殊样品的元素分析,11:16:29,可从B12中180个不同原子中
25、，检测出其中的一个Co原子,11:16:29,(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。,11:16:29,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；,11:16:29,(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。,11:16:29,三、紫外光电子能谱分析法 ultraviolet pho
26、toelectron 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 + ErI 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；,11:16:29,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；,11:16:29,精细结构,11:16:29,紫外光电子能谱：,AB(X
27、)：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；,11:16:29,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；,11:1
28、6:29,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,11:16:29,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,11:16:29,2. 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
29、数 ( =1/21/3)； 通式：,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；,11:16:29,3. 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- KX Z90%; 由图可见，Auger电子能谱更适合轻元素分析, Z32 。,11:16:29,4. 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
30、(Ep)有关；Ep Ei 电离不能发生，则Auger产额为零；Ep / Ei 3 ，可获得较大Auger峰强度。,11:16:29,5. 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；,11:16:29,Auger电子能谱图,锰的价态与形态分析。,11:16:29,五、电子能谱分析仪（多功能） electron spectroscopy,11:16:2
31、9,1. 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； Auger电子能谱：强度较大的电子枪(5-10 keV)；,11:16:29,2. 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；,11:16:29,3. 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 。,11:16:29,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,
