Рентгеноспектральный анализ

1.

Кафедра естественнонаучных дисциплин
имени профессора В. М. Финкеля
Подготовил: ст. гр. МЧМу15 Киселёв Иван Сергеевич
Руководитель: ст.пр. Зенцова Светлана Витальевна
Группа в контакте «Живая Химия» : http://vk.com/sibsiukoax
1

2.

Термины и определения
Рентгеновские лучи, открытые в 1895 г. В. Рентгеном – это
электромагнитные колебания весьма малой длины
волны, сравнимой с атомными размерами,
возникающими при воздействии на вещество быстрыми
электронами. Длины волн рентгеновских лучей,
используемых в практических целях, лежат в пределах от
нескольких ангстрем до долей ангстрема (Å), что
соответствует энергии электронов, вызывающих
рентгеновское излучение от 10³ до 105 эв. Различают два
типа излучения: тормозное и характеристическое.
Тормозное излучение возникает при торможении
электронов антикатодом рентгеновской трубки. Оно
разлагается в сплошной спектр, имеющий резкую границу
со стороны малых длин волн. Характеристические
рентгеновские лучи образуются при выбивании электрона
одного из внутренних слоёв атома с последующим
переходом на освободившуюся орбиту электрона с
какого-либо внешнего слоя.

3. Цели и задачи метода

Рентгеноспектральный анализ это раздел аналитической
химии, использующий рентгеновские спектры элементов
для химического анализа веществ. Рентгеноспектральный
анализ по положению и интенсивности линий
характеристического спектра позволяет установить
качественный и количественный состав вещества и служит
для экспрессного неразрушающего контроля состава
вещества.

4.

Классификация, структура метода
Рентгеноспектральный анализ основан на использовании
зависимости частоты излучения линий характеристического
спектра элемента от их атомного номера и связи между
интенсивностью этих линий и числом атомов, принимающих
участие в излучении. Рентгеновское возбуждение атомов
вещества может возникать в результате бомбардировки
образца электронами больших энергий или при его облучении
рентгеновскими лучами. Первый процесс называется прямым
возбуждением, последний – вторичным или флуоресцентным.
В обоих случаях энергия электрона или кванта первичной
рентгеновской радиации, бомбардирующих излучающий атом,
должна быть больше энергии, необходимой для вырывания
электрона из определённой внутренней оболочки атома.
Электронная бомбардировка исследуемого вещества
приводит к появлению не только характеристического спектра
элемента, но и, как правило, достаточно интенсивного
непрерывного излучения. Флуоресцентное излучение
содержит только линейчатый спектр.

5.

Основные законы метода
В рентгеновской спектроскопии для получения спектра
используется явление дифракции лучей на кристаллах
или, в области 15-150 Å, на дифракционных штриховых
решётках, работающих при малых (1-12°) углах
скольжения. Основой рентгеновской спектроскопии
высокого разрешения является закон Вульфа-Брэга,
который связывает длину волны рентгеновских лучей l,
отраженных от кристалла в направлении q, с
межплоскостным расстоянием кристалла d.
nl=2 d sinq (1)

6. Оборудование для рентгеноспектрального анализа

Схема рентгеновского
многоканального
флуоресцентного
спектрометра с плоским (а)
изогнутым (б) кристаллами
1 – рентгеновская трубка; 2 – анализируемый образец; 3 –
диафрагма Соллера; 4 – плоский и изогнутый (радиус –
2R) кристалл – анализаторы; 5 – детектор излучения; 6 –
так называемый монитор, дополнительное
регистрирующее устройство, позволяющее осуществлять
измерение относительной интенсивности спектральных
линий при отсутствии стабилизации интенсивности
источника рентгеновского излучения; R – радиус так
называемой окружности изображения

7.

Рентгеновский флуоресцентный спектрометр состоит из
трёх основных узлов: рентгеновской трубки, излучение
которой возбуждает спектр флуоресценции исследуемого
образца, кристалла – анализатора для разложения лучей в
спектр и детектора для измерения интенсивности
спектральных линий.
В наиболее часто используемой на практике конструкции
спектрометра источник излучения и детектор
располагаются на одной окружности, называемой
окружностью изображения, а кристалл – в центре.
Кристалл может вращаться вокруг оси, проходящей через
центр этой окружности. При изменении угла скольжения на
величину q детектор поворачивается на угол 2q.

8.

Наряду со спектрометрами с плоским кристаллом
широкое распространение получили фокусирующие
рентгеновские спектрометры, работающие «на
отражение» (методы Капицы – Иоганна и Иогансона) и на
«прохождение» (методы Коуша и Дю-Монда). Они могут
быть одно- и многоканальными. Многоканальные, так
называемые рентгеновские квантометры, аутрометры и
другие, позволяют одновременно определять большое
число элементов и автоматизировать процесс анализа.
Обычно они снабжаются специальными рентгеновскими
трубками и устройствами, обеспечивающими высокую
степень стабилизации интенсивности рентгеновских
лучей. Область длин волн, в которой может
использоваться спектрометр, определяется
межплоскостным расстоянием кристалла – анализатора
(d). В соответствии с уравнением (1) кристалл не может
«отражать» лучи, длина волн, которых превосходит 2d.

9.

Этапы анализа
Рентгеноспектральный анализ может быть использован
для количественного определения элементов от Mg12 до
U92 в материалах сложного химического состава – в
металлах и сплавах, минералах, стекле, керамике,
цементах, пластмассах, абразивах, пыли и различных
продуктах химических технологий. Наиболее широко
рентгеноспектральный анализ применяют в металлургии и
геологии для определения макро- (1-100%) и
микрокомпонентов (10-1 – 10-3 %).
Иногда для повышения чувствительности
рентгеноспектрального анализа его комбинируют с
химическими и радиометрическими методами.
На результаты анализа влияют общий состав пробы
(поглощение), эффекты селективного возбуждения и
поглощения излучения элементами – спутниками, а также
фазовый состав и зернистость образцов.

10.

Особенности, достоинства и
недостатки метода
Предельная чувствительность рентгеноспектрального
анализа зависит от атомного номера определяемого
элемента и среднего атомного номера определяемого
образца. Оптимальные условия реализуются при
определении элементов среднего атомного номера в
образце, содержащем лёгкие элементы. Точность
рентгеноспектрального анализа обычно 2-5
относительных процента, вес образца – несколько
граммов. Длительность анализа от нескольких минут до 1
– 2 часов.

11.

Применение метода
Рентгеноспектральный анализ хорошо зарекомендовал
себя при определении Pb и Br в нефти и бензинах, серы в
газолине, примесей в смазках и продуктах износа в
машинах, при анализе катализаторов, при осуществлении
экспрессных силикатных анализов и других.
В тех случаях, когда не требуется высокого разрешения в
разделении характеристического излучения от образца и
анализируемые элементы отличаются по атомному
номеру более чем на два, с успехом может быть
применён бескристальный метод рентгеноспектрального
анализа. В нём используется прямая пропорциональность
между энергией кванта и амплитудой импульса, который
создаётся им в пропорциональном или
сцинтилляционном счётчиках. Это позволяет выделить и
исследовать импульсы, соответствующие спектральной
линии элемента с помощью амплитудного анализатора.

12.

Самостоятельным разделом рентгеноспектрального
анализа является исследование тонкой структуры
рентгеновских спектров поглощения и эмиссии атомов в
химических соединениях и сплавах. Детальное изучение
этого явления открывает пути для экспериментального
исследования характера междуатомного взаимодействия
в химических соединениях, металлах и сплавах и
изучения энергетической структуры электронного спектра
в них, определения эффективных зарядов,
сосредоточенных на различных атомах в молекулах, и
решения других вопросов химии и физики
конденсированных сред.

13. Список использованных источников

1) Отто М. Современные методы аналитической химии:в 2 т.:
пер. с нем. Т. 1/ М. Отто; под. ред. А.В. Тармаша. – М.:
Техносфера, 2003, 2004. – 412, 281 с. : ил.
2) Аналитический контроль в металлургическом производстве:
Учебное пособие / Ю.А. Карпов, А.П. Савостин, В.Д. Сальников
– М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 352 с.
3) Брандон Д. Микроструктура материалов. Методы
исследования и контроля: учебное пособие: пер. с англ. / Д.
Брандон, У. Каплан. – М.: Техносфера, 2004. – 370с. : ил.
4) Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 1 :
Титриметрические и гравиметрический методы анализа : учеб.
для студ. вузов, обучающихся по химико-технол. спец. / В.П.
Васильев. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2005. –366 с.
5) Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2 : Физикохимические методы анализа : учеб. для студ. вузов,
обучающихся по химико-технол. спец. / В.П. Васильев. – 5-е
изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2005. –383 с.