X射線熒光光譜儀中X射線的由來和性質分析
X射線熒光光譜儀(XRF)由激發源(X射線管)和探測系統構成。X射線管產生入射X射線(一次X射線),激發被測樣品。受激發的樣品中的每一種元素會放射出二次X射線,并且不同的元素所放射出的二次X射線具有特定的能量特性或波長特性。探測系統測量這些放射出來的二次X射線的能量及數量。然后,儀器軟件將探測系統所收集到的信息轉換成樣品中各種元素的種類及含量,達到定性定量分析的目的。
根據經典電磁理論,運動的帶電粒子的運動速度發生改變時會向外輻射電磁波。實驗室中常用的X射線源便是利用這一原理產生的:利用被高壓加速的電子轟擊金屬靶,電子被金屬靶所減速,便向外輻射X射線。X射線是一種波長較短的電磁輻射,通常是指能量范圍在0.1~100 keV的光子。
X射線性質:
1、X射線吸收
當X射線穿過物質時,一方面受散射作用偏離原來的傳播方向,另一方面還會經受光電吸收。光電吸收效應會產生X射線熒光和俄歇吸收,散射則包含了彈性和非彈性散射作用過程。
2、X射線散射
除光電吸收外,入射光子還可與原子碰撞,在各個方向上發生散射。散射作用分為兩種,即相干散射和非相干散射。
相干散射:當X射線照射到樣品上時,X射線便與樣品中的原子相互作用,帶電的電子和原子核就跟隨著X射線電磁波的周期變化的電磁場而振動。因為原子核的質量比電子大得多,原子核的振動可忽略不計,所以主要是原子中的電子跟著一起周期振動。由于帶電粒子的振動,又產生新的電磁波,以球面波形式向四面八方射出,其波長和位相與入射X射線相同。又由于不同的電子都發射電磁波,就構成了一群可以相干的波源,這種現象叫做X射線相干散射。
非相干散射:當X射線與原子中束縛力(結合能)較弱的電子或自由電子發生碰撞,電子被碰向一邊,而X射線光子也偏離了一個角度。此時,X射線光子的一部分能量傳遞給電子,轉化為電子的動能。X射線光子就失去一部分能量,因為E=hν=hc/λ,X射線光子碰撞后能量減小、頻率變小、波長變大。由于碰撞后,各光子的散射方向不一樣,各光子失去的能量也不一樣,這樣它們的波長各不相同,兩個散射波的位相之間沒有關系,因此不能形成干涉作用,故這種散射稱為非相干散射。
3、X射線的衍射
相干散射與干涉現象相互作用的結果可產生X射線的衍射。X射線衍射與晶格排列密切相關,可用于研究物質的結構。
其中一種用已知波長λ的X射線來照射晶體樣品,測量衍射線的角度與強度,從而推斷樣品的結構,這就是X射線衍射結構分析(XRD)。
另一種是讓樣品中發射出來的特征X射線照射晶面間距d已知的晶體,測量衍射線的衍射角θ,用布拉格衍射公式計算出樣品中發射出來的特征X射線的波長,從波長可以確認樣品中所含的元素,這就是波長色散X射線熒光光譜元素分析(XRF)。