用X光测原子序数

X 光测原子序数

作者：陈红

【摘要】先用莱宝实验仪确定Moseley 定律的常数R 与σk ，以及衰减系数μ与原子序数Z 的关系，通过测量未知元素的吸收边波长λk 与衰减系数μ，借助以上所得的两个公式求得该原子的原子序数。本实验以铜为例，分别用以上两种方法进行测量，并比较两种方法的优缺点。

【关键词】X 射线，原子序数，衰减系数，Moseley 定律

【引言】当X 射线通过物质时，其能量分为三个部分：一部分被散射，一部分被吸收，剩余的部分将透过物质。一般地说，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，原子序数大于10时X 射线通过物质后其强度的衰减完全是由于物质对它的吸收所造成的。这种衰减的程度可以用吸收系数来表征。关系如下：I x =I 0e -ux

式中I 0和I x 分别是入射X 射线和透过厚度为x cm 物质后X 射线的强度。μ是该材料的衰减系数，d 是该材料的厚度。

X 光若要电离某一壳层的电子，能量E 必须大于该壳层的结合能E k ，即λ<λk 。当波长小于λk 而越接近于时，越容易激发电离，因而吸收系数越大；但一

旦波长大于λk ，吸收系数就会突然下降。因此，吸收系数在λ

k 两侧有一个突变。 把吸收系数发生突变处所对应的波长称为该材料的吸收边。

1913年英国物理学家Henry Moseley 在测量

了各种元素的K 壳层吸收边后，得到了Moseley

)k Z σ- 其中R 为里德堡常数，Z 为原子序数，σk 称

为K

当辐射的波长一定时，不同元素的μ将随元

素的原子序数Z 而变。一般来说，吸收也增大，

但是增大到某一元素处突然下降，这是由于吸收

边的关系。在两个跃增之间的连续线段，满足μ∝Z 3，它与波长、原子序数总的λ

τa

关系式为μ=κλ 3 Z3。

目前测定原子序数的方法有两种：一是用首先由巴克拉提出的散射的方法，一是用由莫塞莱发明的测量元素X射线光谱的方法。（《固体X射线学》）【实验部分】

一、利用Moseley定律测Cu的原子序数

1.测定Moseley定律的里德堡常数R和屏蔽系数σk

实验结果：在Transmission窗口中用“Draw-kedge”命令分别求Zr、Mo、Ag、In的吸收边，在Moseley窗口下直线拟合得到：

R=1.170*107/m

σk=4.5

文献参考值：R=1.097373*107/m σk=3.6（对于中等重核）

误差：R:|1.097373*107-1.170*107|/(1.097373*107)=6.6%

σk:|3.6-4.5|/3.6=25%

2.测量Cu的吸收边波长并计算其原子序数

λk=144.1pm

因此,Z=σk +（λk *R）-1/2=4.5+(144.1*10-12*1.170*107)-1/2=28.854

误差：|29-28.854|/29=0.5%

二、测定衰减系数μ与原子序数Z的关系并确定Cu的原子序数

1.用吸收板附件套（编号554834）中的附件2测量（附件2有厚度为0.05cm

的六种材料C、Al、Fe、Cu、Zr、Ag的吸收片组成）

得到衰减系数的数据如下：

上表中,μ=-㏑（I/I0）/d=-㏑（R/R0）/d

问题：原来认为这样就可以得到衰减系数μ与原子序数Z之间的关系，但是查阅理论资料后发现，μ还与所用的辐射波长有关。在上述情况下，X光的波长不稳

定，所以测得的μ势必不准确。

新的问题就是如何得到波长一定的X 光源？经过思索和观察实验器材，想到

可以利用NaCl 晶体在入射角为7.2°和6.5°时得到波长分别为7.11*10-2nm 和

6.32*10-2nm 的X 光，这样就可以固定波长,从而求得衰减系数μ与原子序数Z 的关系，但因需要安装晶体而不能再使用附件2。从上表可以知道衰减系数μ大致变化趋势：随着原子序数Z 的增大而增大，在锆（Zr ）时有跃变。

2. 分别用铝、铁、锆、钼、银、铟吸收片进行测量

问题：不难发现，有一条曲线比

较特殊（即47号原子锆），它在

波长为6.32*10-2nm 处在42号钼

的下方，而在波长为7.11*10-2nm

处发生了跳跃，一下子超过了13

号铝。刚开始比较疑惑，后来想

到了实验（五），发现锆的吸收

边波长正是在68.9pm 左右的地

方，当波长小于而接近λk 时容易激发电离，因而吸收系数大，但一旦波长大于λk ，吸收系数就会突然下降，上述结果是与理论吻合的。

计算各元素的衰减系数：

λ=7.11*10-2nm 时 λ=6.32*10-2nm 时

当λ=6.32*10-2nm时，取前三点拟合得方程y=(1.50*10^-4)*x^3.44

当λ=7.11*10-2nm时，取前两点拟合得方程y=(4.39*10^-5)*x^3.93

分析：测量Fe的衰减系数时，发现透过铁以后的X射线计数率非常的低，只有0.2～1。理论而言，Fe的原子序数只有26，μ应该不是很大。通过查实验器材的参数发现，实验室所用的Fe片的厚度比较大，因此，很可能造成较大误差，建议在做此实验时应采用厚度约为0.007cm左右的铁片。

此外，也可以明显地看到，衰减系数μ与波长存在一定的联系：衰减系数μ随着波长增大而增大。理论上μ应与λ3成正比，而实验测的结论为μ约与λ 1. 2成正比。

3.运用上述方法测量Cu的原子序数

得到的数据如下：

计算：当λ=6.32*10-2nm时，Zc u=37.478，误差为29%

当λ=7.11*10-2nm时，Zc u=32.566，误差为12%

而Cu的理论原子序数为29，可见误差比较大。

【结果与讨论】

利用Moseley定律测Cu的原子序数时实验过程简单，只需测量元素的吸收边，而且可用软件直接测得，误差也比较小。但是由于K壳层的屏蔽系数σk在原子序数为30到60的范围内才可视为常数，所以理论上测量范围为30到60。但是在测量时发现Z=60时的σk为29.6pm，这时的计数比较小，容易产生比较大的误差。用此方法测量的最佳范围是40～50左右，因为它们的吸收边在60～70pm左右，正好是Kα线和Kβ线附近，计数率大，误差小。由此得出其最大的缺点即测量范围比较小。由于实验器材有限，没有其他在30～60范围内的元素，于是选用了原子序数为29的铜进行测量，前提是假设它的K壳层的屏蔽系数σk 仍为常数，测量计算的结果也十分接近理论值，可见这时的σk变化不大。而测量原子序数为26的Fe时在理论值170pm附近几十pm都找不到吸收边，估计这时σk已经与原来的常数相差较大了。

用衰减系数μ与原子序数Z的关系确定Cu的原子序数的方法，虽然操作并

不复杂，但是误差相对较大。由于μ不仅与原子序数Z有关，而且还受波长λ的影响，而要得到完全的单色的X光比较困难，而且受实验室的器材限制（吸收片的种类比较少），只能得到衰减系数μ与原子序数Z较好的定性关系，而定量关系误差较大，对测量原子序数非常不利。前面也讨论过,理论资料显示，μ=κλ3 Z3,但实验得到的结论是μ与λ 1. 2成正比,与Z3 ~ 4左右成正比。造成误差的主要原因有：①X射线能量不稳定，计数率本身有所偏差。②X射线的波长浮动。③测量的元素受实验器材限制，数据取得不够多。④受金属吸收片的纯度影响。⑤吸收片表面有氧化物等污染物。⑥吸收片的厚度不适合。求衰减系数时最好用多片不同厚度的金属片进行测量，绘制㏑（I x/I0）与x的关系图，斜率的相反数即μ，这样可以减小误差。如在X光实验（四）中用厚度不同的铝片测其衰减系数，经测量，得到的数据是0.99，误差相对会小一些。另外，虽然理论上利用此方法对原子序数没有限制，但是当原子序数较大时，衰减系数μ也很大，透过的X 光很少即计数非常小，容易产生较大的误差。这时对金属片的厚度有一定的要求，要相当薄，技术难度相应增大，加上μ与Z的关系是分段的，所以用测其衰减系数的方法的可行性不高。此外，两种方法都要求被测元素为固体单质。

【结论】X射线对测定原子序数是十分有用的。目前测定的方法有两种：一是用首先由巴克拉提出的散射的方法，一是用由莫塞莱发明的测量X射线光谱的方法。本实验采取的用莫塞莱定律测原子序数的方法操作简单、误差小，是一种十分实用的测量原子序数的方法，唯一的缺点是测量范围有限。而另一种用测定衰减系数μ与原子序数Z的关系来确定被测元素的原子序数的方法，主要的难点在于μ与Z的关系比较复杂，实验室条件下未能得到较好的关系式。通过实验证明误差很大，并不是非常可行。

【参考书目】

1、黄胜涛主编，《固体X射线学》，高等教育出版社

2、福州大学，《X射线物理学基础》

https://www.wendangku.net/doc/f1236864.html,/eduonline/cl/doc/plan1_1.doc

3、滕凤恩、王煜明，《X射线分析原理与晶体衍射实验》，吉林大学出版社

4、杨福家，《原子物理学》，高等教育出版社

5、复旦大学物理教学实验中心，《近代物理实验补充讲义》

X射线荧光光谱分析原理

一 X射线荧光光谱分析原理 利用初级X射线光子或其他微观离子激发待测物质中的原子，使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。按激发、色散和探测方法的不同，分为X射线光谱法(波长色散)和X 射线能谱法(能量色散)。 当原子受到X射线光子(原级X射线)或其他微观粒子的激发使原子内层电子电离而出现空位，原子内层电子重新配位，较外层的电子跃迁到内层电子空位，并同时放射出次级X射线光子，此即X射线荧光。较外层电子跃迁到内层电子空位所释放的能量等于两电子能级的能量差，因此，X射线荧光的波长对不同元素是特征的。 根据色散方式不同，X射线荧光分析仪相应分为X射线荧光光谱仪(波长色散)和X射线荧光能谱仪(能量色散)。 X射线荧光光谱仪主要由激发、色散、探测、记录及数据处理等单元组成。激发单元的作用是产生初级X射线。它由高压发生器和X 光管组成。后者功率较大，用水和油同时冷却。色散单元的作用是分出想要波长的X射线。它由样品室、狭缝、测角仪、分析晶体等部分组成。通过测角器以1∶2速度转动分析晶体和探测器，可在不同的布拉格角位置上测得不同波长的X射线而作元素的定性分析。探测器的作用是将X射线光子能量转化为电能，常用的有盖格计数管、正比计数管、闪烁计数管、半导体探测器等。记录单元由放大器、脉冲幅

度分析器、显示部分组成。通过定标器的脉冲分析信号可以直接输入计算机，进行联机处理而得到被测元素的含量。 X射线荧光能谱仪没有复杂的分光系统，结构简单。X射线激发源可用X射线发生器，也可用放射性同位素。能量色散用脉冲幅度分析器。探测器和记录等与X射线荧光光谱仪相同。 X射线荧光光谱仪和X射线荧光能谱仪各有优缺点。前者分辨率高，对轻、重元素测定的适应性广。对高低含量的元素测定灵敏度均能满足要求。后者的X射线探测的几何效率可提高2～3数量级，灵敏度高。可以对能量范围很宽的X射线同时进行能量分辨(定性分析)和定量测定。对于能量小于2万电子伏特左右的能谱的分辨率差。 X射线荧光分析法用于物质成分分析，检出限一般可达10-5～10-6克／克(g／g)，对许多元素可测到10-7～10-9g／g，用质子激发时，检出可达10-12g／g；强度测量的再现性好；便于进行无损分析；分析速度快；应用范围广，分析范围包括原子序数Z≥3的所有元素。除用于物质成分分析外，还可用于原子的基本性质如氧化数、离子电荷、电负性和化学键等的研究。 二企业挑选X线荧光光谱仪的基本准则应该包括满足要求、优良性能和低购入成本三个方面。 1．满足使用要求是最基本要素

X射线荧光光谱分析的基本原理解析

X射线荧光光谱分析的基本原理 当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为10-12-10-14s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程称为驰豫过程。驰豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。 K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K 系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线……。同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射。 如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，此时就有能量ΔE 释放出来，且ΔE=EK-EL，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是Kα射线，同样还可以产生Kβ射线，L系射线等。莫斯莱(H.G.Moseley) 发现，荧光X射线的波长λ与元素的原子序数 Z有关，其数学关系如下： λ=K(Z-s)-2 这就是莫斯莱定律，式中K和S是常数，因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础。此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定 的关系，据此，可以进行元素定量分析。 X射线荧光光谱法有如下特点： 1，分析的元素范围广，从4Be到92U均可测定； 2，荧光X射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离，分析方法比较简便； 3，分析浓度范围较宽,从常量到微量都可分析。重元素的检测限可达ppm量级，轻元素稍 差； 4，分析样品不被破坏，分析快速，准确，便于自动化。 当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为(10)-12-(10)-14s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程称为驰过程。驰豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子

X射线荧光光谱分析基本原理及仪器工作原理解析

X射线荧光光谱分析基本原理 当能量高于原子内层电子电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时,驱逐一个内层电子而出现一个空穴,使整个原子体系处于不稳定的激发态,然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。当较外层的电子跃迁到空穴时,所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子,此称为俄歇效应,亦称次级光电效应或无辐射效应,所逐出的次级光电子成为俄歇电子.它的能量是具有独一特征的,与入射辐射的能量无关.当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收,而是以辐射形式放出,便产生X射线荧光,其能量等于两能级之间的能量差,因此,X射线荧光的能量或波长是特征性的,与元素有一一对应的关系。如图所示: K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线……。同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射(见图10.2)。如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，此时就有能量ΔE释放出来，且ΔE=E K-E L，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是Kα射线，同样还可以产生Kβ射线, L系射线等。莫斯莱(H.G.Moseley) 发现，荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关，其数学关系如下： λ=K(Z-s)-2 这就是莫斯莱定律，式中K和S是常数，因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础。此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系，据此，可以进行元素定量分析。

用X射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X射线，需要把混合的X射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X射线的强度，以进行定性和定量分析，为此使用的仪器叫X 射线荧光光谱仪。由于X光具有一定波长，同时又有一定能量，因此，X射线荧光光谱仪有两种基本类型：波长色散型和能量色散型。而我们天瑞仪器公司生产的X射线荧光光谱仪就属于能量色散型的。下面是仪器的工作原理图: 能量色散型X射线荧光光谱仪工作原理 仪器工作原理 通过高压工作产生电子流打入到X光管中靶材产生初级X射线,初级X射线经过过滤和聚集射入到被测样品产生次级X射线,也就是我们通常所说的X荧光,X荧光被探测器探测到后经放大,数模转换输入到计算机,计算机计算出我们需要的结果。

X射线荧光光谱仪结构和原理

X射线荧光光谱仪结构和原理 第一章 X荧光光谱仪可分为同步辐射X射线荧光光谱、质子X射线荧光光谱、全反射X射线荧光光谱、波长色散X射线荧光光谱和能量色散X射线荧光光谱等。 波长色散X射线荧光光谱可分为顺序（扫描型）、多元素同时分析型（多道）谱仪和固定道与顺序型相结合的谱仪三大类。顺序型适用于科研及多用途的工作，多道谱仪则适用于相对固定组成和批量试样分析，固定道与顺序式相结合 则结合了两者的优点。 X射线荧光光谱在结构上基本由激发样品的光源、色散、探测、谱仪控制和 数据处理等几部分组成。 § 1.1激发源 激发样品的光源主要包括具有各种功率的X射线管、放射性核素源、质子 和同步辐射光源。波长色散X射线荧光光谱仪所用的激发源是不同功率的X射线管， 功率可达4~4.5kW，类型有侧窗、端窗、透射靶和复合靶。能量色散X射线荧光光谱仪用 的激发源有小功率的X射线管，功率从4~1600W，靶型有侧窗和端窗。靶材主要有Rh、Cr、W、Au、Mo、Cu、Ag等，并广泛使用二次靶。现场和便携式谱仪则主要用放射性核素源。 激发元素产生特征X射线的机理是必须使原子内层电子轨道产生电子空位。可使内层轨道电子形式空穴的激发方式主要有以下几种：带电粒子激发、电磁辐射激发、内转换现象 和核衰变等。商用的X射线荧光光谱仪中，目前最常用的激发源是电磁辐射激发。电磁辐射激发源主要用X射线管产生的原级X射线谱、诱发性核素衰变时产生的Y射线、电子俘 获和内转换所产生X射线和同步辐射光源。 § 1.1.1 X射线管 1、X射线管的基本结构 目前在波长色散谱仪中，高功率X射线管一般用端窗靶，功率3~4KW，其结构示意图 如下： X 光管本质上是一个在高电压下工作的二极管，包括一个发射电子的阴极和一个收集电子的阳极（即靶材），并

X射线荧光光谱分析基本原理

X射线荧光光谱分析 X射线是一种电磁辐射，其波长介于紫外线和γ射线之间。它的波长没有一个严格的界限，一般来说是指波长为0.001-50nm的电磁辐射。对分析化学家来说，最感兴趣的波段是0.01-24nm，0.01nm左右是超铀元素的K系谱线，24nm则是最轻元素Li的K系谱线。1923年赫维西(Hevesy, G. Von)提出了应用X射线荧光光谱进行定量分析，但由于受到当时探测技术水平的限制，该法并未得到实际应用，直到20世纪40年代后期，随着X射线管、分光技术和半导体探测器技术的改进，X荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期，成为一种极为重要的分析手段。 1.1 X射线荧光光谱分析的基本原理 当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时，驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为10-12-10-14s，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程称为驰豫过程。驰豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放出，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。图1-1给出了X射线荧光和俄歇电子产生过程示意图。

K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线……。同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射(见图1-2)。

2021年X射线荧光分析的基本原理

X射线荧光分析的基本原理 欧阳光明（2021.03.07） 1. 绪论 物质是由各种元素按照不同的构成方式构成的。各种元素的原子是由原子核和一定数目的核外电子构成。不同元素的原子，原子核中质子和中子的数量不同，核外电子数也不同，具有不同的原子结构。核外电子的能量也各不相同，这些能量不同的原子按能量大小分层排列，离原子核最近的电子层称为K电子层，其外依次为L,M,N,O…层。K层上的电子能量最低，由里向外，电子的能量逐渐升高。原子在未接受足够的能量时，处于基态，即稳定状态，此时，K层最多容纳2个电子，L层最多容纳8个电子，M层最多容纳18个电子……。当使用高能射线（如X射线）照射物质时，物质中的原子的内层电子被高能射线逐出原子之外，在内层电子层上即出现一个“空穴”。具有较高能量的外层电子立即补充这一“空穴”而发生跃迁。发生跃迁的电子将多余的能量（两个电子层能量之差）释放出来。释放出来的能量以电磁波的形式向四周发射，其波长恰好在X射线的波长范围内（0.001～10nm）。为了与照射物质的X射线（初级X射线）相区别，将被照射物质发出的X射线（二次X射线）称为荧光X射线（荧光即光致发光之意）。对于K 层电子而言，L层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kα谱线，M层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kβ谱线，其他层的电子发生跃迁时的情况依此类推（如图 1.1所示）。利用被测物质发出的荧光X射线进行物质化学成分的定性分析或定量分析，称为X射线荧光光谱分析。 图1.1原子结构示意图 在形成的线系中，各谱线的相对强度是不同的，这是由于跃迁几率不同。对K层电子而言,特定元素的荧光X射线Kα>Kβ,对于同一种元素而言，强谱线只有1-2条,特征谱线比较简单，易于分析，光谱干扰小。 2. X射线与固体之间的相互作用

X射线荧光原理及其分析应用

X射线荧光分析原理及其应用 刘召贵白燕春编著 西安市西清华仪器研究所 一九九五年二月二十日

前言 X射线荧光分析技术是一门新兴的分析技术,利用这种技术,可以对固体、粉末、液体甚至气体等样品进行定性和定量分析。 作为一门分析技术，X射线荧光分析具有如下几个突出的特点：1）分析速度快;几十秒至几分钟内可同时分析样品中的多个元素; 2）分析准确度高; 3）无损; 4）与化学状态没有关系; 5）制样简单。鉴于以上突出优点，X 射线荧光分析技术在冶金、有色、地质、煤炭、造纸、建材、考古、商检等许多领域得到了越来越广泛的应用。对迅速指导生产起到了重大作用。 本书作为X射线荧光分析技术速成讲义，是以西安市西清华仪器研究所研制的WTH、GD系列X荧光分析仪为背景，本着深入浅出和理论结合实际的原则，旨在使初学者在短期内迅速掌握这门新兴的技术。 本讲义的第一、三、四、五讲由刘召贵编著，第二、六讲由白燕春编著。由于作者的水平有限，加上时间仓促，书中难免有不妥之处，希望大家提出宝贵意见，以便我们在今后的工作中做得更好。 编著者 一九九五年二月二十日

目录 第一讲X射线荧光及其分析原理 (1) 1、X射线 (1) 2、X射线荧光 (2) 3、特征X射线 (2) 4、X射线对物质的作用 (4) 5、X射线荧光分析 (4) 6、X射线荧光分析法与其它分析方法的比较 (4) 第二讲X射线荧光分析仪的原理及其构造 (6) 1、X射线荧光分析仪的分类 (6) 2、波长色散型 (6) 3、能量色散法 (8) 4、波长色散与能量色散仪器的比较 (10) 5、其他 (10) 第三讲样品的制备以及激发源的准备 (11) 1、制备样品的目的 (11) 2、样品中导致测量误差的主要因素 (11) 3、样品的制备 (11) 4、激发源的准备 (12) 第四讲基体效应的实验和数学校正法及其谱处理 (14) 1、基体效应的概念 (14) 2、基体效应的校正方法 (16) 3、经验系数法 (16) 4、校正效果的判断 (18) 5、校正元素的选择 (19) 6、谱处理 (19) 7、定性分析 (19) 第五讲X荧光分析测量一些基本概念 (21) 1、精密度 (21) 2、准确度 (21) 3、计数统计误差 (21) 4、检出限 (22) 5、灵敏度 (22) 6、漂移 (22) 7、误差 (22)

X荧光光谱分析仪工作原理

X荧光光谱分析仪工作原理 用X射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X射线，需要把混合的X射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X射线的强度，以进行定性和定量分析，为此使用的仪器叫X射线荧光光谱仪。由于X光具有一定波长，同时又有一定能量，因此，X射线荧光光谱仪有两种基本类型：波长色散型和能量色散型。下图是这两类仪器的原理图。 现将两种类型X射线光谱仪的主要部件及工作原理叙述如下：

1、X射线管 两种类型的X射线荧光光谱仪都需要用X射线管作为激发光源。上图是X射线管的结构示意图。灯丝和靶极密封在抽成真空的金属罩内，灯丝和靶极之间加高压（一般为40KV）,灯丝发射的电子经高压电场加速撞击在靶极上，产生X射线。X射线管产生的一次X射线，作为激发X射线荧光的辐射源。只有当一次X射线的波长稍短于受激元素吸收限lmin时，才能有效的激发出X射线荧光。大于lmin 的一次X射线其能量不足以使受激元素激发。 X射线管的靶材和管工作电压决定了能有效激发受激元素的那部分一次X射线的强度。管工作电压升高，短波长一次X射线比例增加，故产生的荧光X射线的强度也增强。但并不是说管工作电压越高越好，因为入射X射线的荧光激发效率与其波长有关，越靠近被测元素吸收限波长，激发效率越高。 X射线管产生的X射线透过铍窗入射到样品上，激发出样品元素的特征X射线，正常工作时，X射线管所消耗功率的%左右转变为X射线辐射，其余均变为热能使X射线管升温，因此必须不断的通冷却水冷却靶电极。 2 分光系统

分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把不同波长的X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射线以θ角射到晶体,如果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测到波长为λ=2dsin θ的一级衍射及波长为λ/2, λ/3----- 等高级衍射。改变θ角，可以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长的X射线可以分开。分光晶休靠一个晶体旋转机构带动。因为试样位置是固定的，为了检测到波长为λ的荧光X射线，分光晶体转动θ角,检测器必须转动2θ角。也就是说,一定的2θ角对应一定波长的X 射线，连续转动分光晶体和检测器，就可以接收到不同波长的荧光X射线见(图。一种晶体具有一定的晶面间距，因而有一定的应用范围，目前的X射线荧光光谱仪备有不同晶面间距的晶体，用来分析不同范围的元素。上述分光系统是依靠分光晶体和检测器的转动,使不同波长的特征X射线接顺序被检测，这种光谱仪称为顺序型光谱仪。另外还有一类光谱仪分光晶体是固定的,混合X射线经过分光晶体后,在不同方向衍射，如果在这些方向上安装检测器，就可以检测到这些X 射线。这种同时检测不波长X射线的光谱仪称为同时型光谱仪，同时型光谱仪没有转动机构，因而性能稳定，但检测器通道不能太多，适合于固定元素的测定。 此外，还有的光谱仪的分光晶体不用平面晶体，而用弯曲晶体，所用的晶体点阵面被弯曲成曲率半径为2R的圆弧形,同时晶体的入射表面研磨成曲率半径为R的

X射线荧光光谱仪原理及主要用途

X荧光光谱仪主要使用领域 X荧光光谱仪原理 仪器是较新型X射线荧光光谱仪，具有重现性好，测量速度快，灵敏度高的特点。能分析F(9)～U(92)之间所有元素。样品可以是固体、粉末、熔融片，液体等，分析对象适用于炼钢、有色金属、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行业样品。无标半定量方法可以对各种形状样品定性分析，并能给出半定量结果，结果准确度对某些样品可以接近定量水平，分析时间短。薄膜分析软件FP-MULT1能作镀层分析，薄膜分析。测量样品的最大尺寸要求为直径51mm,高40mm. 仪器类别：0303040903 /仪器仪表/成份分析仪器/荧光光度计指标信息：1.发射源是Rh靶X光管，最大电流125mA，电压60kV，最大功率3kW2.仪器在真空条件下工作，真空度<13pascals 3.5块分析晶体，可以分析元素周期表F～U 之间所有元素，含量范围是ppm～100%4.分析软件是Philips公司(现为PANalytical)最新版软件，既可作半定量，也可定量分析。精密度：在计算率 N=1483870时，RSD=0.08%稳定性计算率Nmax=6134524,Nmin=6115920,N平均=6125704,相对误差为0.03% 附件信息：循环水致冷单元，计算机P10气体瓶空气压缩机 分析对象主要有各种磁性材料(NdFeB、SmCo合金、FeTbDy)、钛镍记忆合金、混合稀土分量、贵金属饰品和合金等，以及各种形态样品的无标半定量分析，对于均匀的颗粒度较小的粉末或合金，结果接近于定量分析的准确度。X荧光分析快速，某些样品当天就可以得到分析结果。适合课题研究和生产监控。 X射线荧光光谱仪分为波长色散、能量色散、非色散X荧光、全反射X荧光。 波长色散X射线荧光光谱采用晶体或人工拟晶体根据Bragg定律将不同能量的谱线分开，然后进行测量。波长色散X射线荧光光谱一般采用X射线管作激发源，可分为顺序式(或称单道式或扫描式)、同时式(或称多道式)谱仪、和顺序式与同时式相结合的谱仪三种类型。顺序式通过扫描方法逐个测量元素，因此测量速度通常比同时式慢，适用于科研及多用途的工作。同时式则适用于相

X射线荧光分析的基本原理

X射线荧光分析的基本原理 1. 绪论 物质是由各种元素按照不同的构成方式构成的。各种元素的原子是由原子核和一定数目的核外电子构成。不同元素的原子，原子核中质子和中子的数量不同，核外电子数也不同，具有不同的原子结构。核外电子的能量也各不相同，这些能量不同的原子按能量大小分层排列，离原子核最近的电子层称为K电子层，其外依次为L,M,N,O…层。K层上的电子能量最低，由里向外，电子的能量逐渐升高。原子在未接受足够的能量时，处于基态，即稳定状态，此时，K层最多容纳2个电子，L层最多容纳8个电子，M层最多容纳18个电子……。当使用高能射线（如X射线）照射物质时，物质中的原子的内层电子被高能射线逐出原子之外，在内层电子层上即出现一个“空穴”。具有较高能量的外层电子立即补充这一“空穴”而发生跃迁。发生跃迁的电子将多余的能量（两个电子层能量之差）释放出来。释放出来的能量以电磁波的形式向四周发射，其波长恰好在X射线的波长范围内（0.001～10nm）。为了与照射物质的X射线（初级X射线）相区别，将被照射物质发出的X射线（二次X射线）称为荧光X射线（荧光即光致发光之意）。对于K层电子而言，L层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kα谱线，M层电子向K层电子跃迁时放射出的荧光X射线称为Kβ谱线，其他层的电子发生跃迁时的情况依此类推（如图1.1所示）。利用被测物质发出的荧光X射线进行物质化学成分的定性分析或定量分析，称为X射线荧光光谱分析。 图1.1原子结构示意图 在形成的线系中，各谱线的相对强度是不同的，这是由于跃迁几率不同。对K层电子而言,特定元素的荧光X 射线Kα>Kβ,对于同一种元素而言，强谱线只有1-2条,特征谱线比较简单，易于分析，光谱干扰小。 2. X射线与固体之间的相互作用 X射线照射在固体表面上，主要会产生吸收和散射两种效应。固体物质可以吸收一部分射线，并可以使X射线在固体表面发生散射，使X射线的强度衰减。衰减率与样品的厚度成正比。 X射线的衰减是由X射线的散射和吸收引起的，其中，起主要的是吸收效应。