Các phương pháp phân tích hạt nhân nguyên tử

58 2.7K 3
Các phương pháp phân tích hạt nhân nguyên tử

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Các phương pháp phân tích hạt nhân nguyên tử

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ HUỲNH TRÚC PHƯƠNG 11/21/14 NỘI DUNG  Phần 1: Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (X-Ray Fluorescence Analysis, XRFA)  Phần 2: Phương pháp phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis, NAA) 11/21/14 PHẦN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HUỲNH QUANG TIA X MỘT PHƯƠNG PHÁP TỔNG QUÁT CHO MỤC ĐÍCH PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN TỐ 11/21/14 Giới thiệu Huỳnh quang tia X  Huỳnh quang tia X thực nào? Các nguyên tử mẫu bị kích thích phát tia X đặc trưng Năng lượng tia X đặc trưng 11/21/14 Số tia X phát từ mẫu loại nguyên tố diện mẫu (định tính) nồng độ nguyên tố (định lượng) Giới thiệu Phổ huỳnh quang tia X  Ta quan sát thấy phổ huỳnh quang tia X nào? 11/21/14 Giới thiệu Các đặc trưng phân tích XRF Tại ta dùng XRF?  Kỹ thuật phân tích dụng cụ - có khả phân tích đa nguyên tố  Phân tích nguyên tố mẫu rắn, lỏng  Xử lí mẫu nhỏ  Khoảng nồng độ: ppm đến %  Khoảng nguyên tố từ Bo đến U (lý thuyết)  Quản lí q trình công nghiệp (luyện kim, xi măng, thủy tinh, công nghiệp)  Thăm dò khai thác quặng mỏ  Địa chất địa hóa học  Nghiên cứu vật liệu, phân tích mơi trường, khảo cổ 11/21/14 Có 14,000 thiết bị XRF toàn giới Tia X Bản chất tia X Tia X phần phổ xạ điện từ nằm vùng xạ tử ngoại tia gamma  Khi đề cập đến nhiễu xạ xem tia X sóng điện từ có bước sóng λ  Khi mơ tả q trình hấp thụ tán xạ tia X xem photon có lượng xác định E  Mối liên hệ lượng bước sóng E= hc λ (1.1) h: số Planck, c: vận tốc ánh sáng 11/21/14 Tia X Trong phổ kế tia X Bước sóng có đơn vị Angstrom A0 (1A0 = 10-10m) Năng lượng có đơn vị kilo-electron volt (keV) 11/21/14 Tương tác tia X với vật chất Mẫu nguyên tử Bohr • Z electron nhóm lớp K, L, M, N, O, P (tương ứng với số lượng tử n = 1, 2, 3, 4, 5) • Một lớp vỏ ngun tử chứa tối đa 2n2 electron • Trong lớp vỏ, electron phân biệt số lượng tử mômen động lượng (l = 0, 1, (n-1)), số lượng tử từ (m = 0, ±1, ±2,… ±l) số lượng tử spin (s = ±1/2) • Hai electron ngun tử khơng thể có số lượng tử (nguyên lí loại trừ Pauli) 11/21/14 Tương tác tia X với vật chất Số electron nguyên tử chiếm đầy mức lượng • Electron lớp K liên kết chặt chẽ electron lớp L • Số mức lượng (hoặc mức con) lớp vỏ số giá trị phép j (j số lượng tử tồn phần), • Lớp K có mức1 / lượng, lớp L có mức (L1, L2, j =  ± L3), lớp M có mức (M1,…,M5) 11/21/14 10 Phương pháp phân tích định đính (tt)  Tùy theo lượng vạch K α hay Lα , C’ định luật Moseley thay biểu thức: E Kα E Lα = ( Z − σ ) E0 ; = ( Z − σ ) E0 36 E0 = 13,6 eV, σ làm số xác định từ thực nghiệm 11/21/14 44 Phương pháp phân tích định lượng Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính  Trong phương pháp ta dùng hai loại mẫu: mẫu phân tích mẫu chuẩn (mẫu so sánh)  Từ phương trình cường độ huỳnh quang, ta có:  Đối với mẫu so sánh:  Đối với mẫu phân tích: I i (E i ) = K  Lập tỉ số wi µ( E ) µ( E i ) + sin ψ sin ψ w* i I (E i ) = K * µ (E ) µ * (E i ) + sin ψ1 sin ψ * i µ * (E ) µ * (E i ) + I i (E i ) w i sin ψ sin ψ = I * ( E i ) w * µ( E ) µ ( E i ) i i + sin ψ1 sin ψ Nếu chất độn mẫu phân tích mẫu so sánh có thành phần hóa học hàm lượng nguyên tố cần xác định mẫu thay đổi nhỏ, ta xem hệ số suy giảm khối µ khơng đổi, nghĩa µ ≅ µ* 11/21/14 w= I * w * I 45 Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính (tiếp theo)  Nếu hàm lượng nguyên tố cần xác định thay đổi khoảng giới hạn lớn, ta phải dùng nhiều mẫu so sánh lập đồ thị I = f(w) Thường thường đồ thị có dạng tuyến tính: w = a.I + b  Trong trường hợp vật liệu có thành phần hóa học đa dạng, nghĩa µ ≠ µ * ta có: I i (E i ) w i µ * (E i ) = I * ( E i ) w * µ( E i ) i i • Để xác định hàm lượng wi ta phải biết hệ số hấp thụ khối tia X đặc trưng phát từ mẫu Phương pháp thực nghiệm sau: -Đo cường độ I0(E) chưa có mẫu cường độ I(E) có mẫu -Tính hệ số suy giảm khối theo cơng thức: µ( E ) = 11/21/14  I (E )  S  I (E )   = Ln  Ln ρT  I(E )  P  I(E)      46 Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính (tiếp theo)  Sử dụng nguồn chuẩn tia X, thí dụ nguồn chuẩn Fe 55, Zn69, Cd109 Am241 mà lượng xạ sử dụng bảng 2.2 Nguồn Fe55 Zn65 Am241 Am241 Cd109 E(eV) 5898 (MnKα) 8047 (CuKα) 13945 (NpLα) 17740 (NpLβ) 22162 (AgKα) -Từ bảng cho phép ta xây dựng đường cong suy giảm khối Khi * với giá trị Ei ta suy giá trị tương ứng µ(E i ) µ (E i ) - Dùng biểu thức xác định hàm lượng wi: wi = 11/21/14 I i ( E i ) µ( E i ) * wi I * (E i ) µ * (E i ) i 47 Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính (tiếp theo)  Nếu mẫu có chứa nguyên tố k mà Ei < Ek(ht) < Ei(ht), ta phải tính tốn ảnh hưởng ngun tố k lên cường độ tia X đặc trưng nguyên tố i cần phân tích  Khi hàm lượng ngun tố i tính theo phương trình sau: I(E i )µ(E i ) w * i wi = * I (E i )µ * (E i )F(m) sin ψ µ(E ) µ( E ) i i =α µ(E i ) / µ(E k )) F(m) = λ k Ở F(m) hàm m (với m = sin ψ µ(E k ) µ( E k ) Giá trị F(m) xác định theo đồ thị mà xây dựng cách sử dụng nhóm mẫu so sánh với hàm lượng nguyên tố i biết thay đổi khoảng giới hạn quanh giá trị wi mẫu phân tích, cho giá trị hệ số suy giảm khối µ(Ei) tồn nhóm mẫu so sánh giữ ngun khơng đổi Khi từ phương trình (2.13) ta có: 11/21/14 48 Phương pháp chuẩn ngoại tuyến tính (tiếp theo) I j* (E i ) w ia* F(m) = a* I (E i ) w ij* Trong Ia*(Ei) Ij*(Ei) cường độ tia X đặc trưng phát từ nguyên tố i mẫu so sánh cố định A mẫu j ≠ a thuộc nhóm m= mẫu so sánh Với mẫu j ta có giá trị Fj(m) tương ứng với giá trị Các hệ số µ(Ej) µ(Ek) xác định theo phương trình (2.11) Như vậy, đo cường độ vạch đặc trưng nguyên tố i nguyên tố k mẫu phân tích mẫu so sánh ta xác định hệ số làm yếu khối, xây dựng hàm Fj(m) Từ ta tính giá trị F(m) mẫu phân tích Dùng phương trình (2.13) ta tính wi 11/21/14 49 µ( E i ) µ(E k ) Phương pháp phân tích với mẫu mỏng  Khi bề dày mẫu T  phương trình cường độ huỳnh quang thứ cấp trở thành: I i (E i ) = Kw i ρT  Nếu đặt ρT = ρ s (mật độ bề mặt mẫu), tiêu chuẩn độ mỏng cịn qui định theo độ xác 0,022 sau:* Đối với gần 1% ρ s ≤ µ (E ) µ (E ) α = + α i w i + α n (1 − w i ) * Đối với gần 10% ρs ≤ 0,195 α i w i + α n (1 − w i ) i i i i sinψ sinψ µ (E ) µ (E ) αn = n + n i sinψ sinψ  Sau xác định ρ s theo phương trình trên, đo I cường độ phổ, hàm lượng mẫutheotrước w để trình: K tính biết phương xác định Chú ý: Dùng w = i i i Kρ s 11/21/14 Cách tốt tạo mẫu so sánh để xác định hàm I i = f(wi) 50 Phương pháp chuẩn nội  Dựa vào tỉ số cường độ nguyên tố có bậc Z gần  Giả sử ta cần phân tích nguyên tố A mẫu, ta cần pha thêm lượng nguyên tố B khác bậc số nguyên tử nguyên tố A cần phân tích đơn vị (nhiều hai đơn vị) Nguyên tố có hàm lượng biết trước gọi nguyên tố chuẩn nội hay nguyên tố so sánh  Ta so sánh cường độ xạ đặc trưng hai nguyên tố IA w A = Φw B IB  WB hàm lượng nguyên tố so sánh mẫu, Φ hệ số cường độ, xác định thực nghiệm sau:  Dùng mẫu so sánh có hàm lượng nguyên tố A nguyên tố B xác I w Φ= B A định, ta có: IA w B 11/21/14 51 Phương pháp chuẩn nội (tiếp theo)  Trong trường hợp ngược lại phải tạo mẫu so sánh có hàm lượng nguyên tố A B xác định, hàm lượng nguyên tố B mẫu so sánh Lập đồ thị phân tích: IA = f (w A ) IB  Độ nghiêng đường phân tích đặc trưng cho hệ số cường độ Φ 11/21/14 52 Phương pháp chuẩn độ nhạy  Từ phương trình cường độ huỳnh quang thứ cấp, ta viết lại sau: I i (E i ) = Sw i − exp(−αρ T ) α  S = Qif G0 I0: độ nhạy hệ thống thiết bị phân tích vạch phân tích,  α: khả hấp thụ mẫu xạ sơ cấp µ s (E ) µ s (E i ) thứ cấp, α= + sin ψ sin ψ  Sau đo cường độ Ii, ta tính hàm lượng nguyên tố phân tích w = là: Iiα i S(1 − exp(−αρT) Ta thấy S phụ thuộc vào nguyên tố cần phân tích, bố trí hình học nguồn kích 11/21/14 thích, mà không phụ thuộc vào thành phần cấu tạo nên mẫu Vì dung 53 mẫu chuẩn dày vơ hạn có chứa ngun tố phân tích i để tính Si Phương pháp chuẩn độ nhạy (tiếp theo)  Đối với mẫu dày vô hạn, ta có: : I i = Q if G I wi w =S i α α  Như mặt thực nghiệm ta tiến hành phép đo sau:    Chuẩn bị mẫu phân tích dạng mẫu mỏng Tạo mẫu dày vô hạn, có chứa ngun tố cần phân tích với thành phần biết, dùng để đo độ nhạy làm chuẩn hấp thụ Đo cường độ vạch đặc trưng nguyên tố phân tích i phát từ mẫu dày vơ hạn Khi độ nhạy Si xác định hệ thức: I * ( E i )α Si = i * wi Trong đó, để tính α ta phải xác định hệ số hấp thụ khối, cách tra bảng xác định thực nghiệm theo phương pháp biết Để xác định αρT, ta đặt mẫu phân tích vào mẫu chuẩn hấp thụ detector, đo cường độ I2: 11/21/14 54 Phương pháp chuẩn độ nhạy (tiếp theo) I (E i ) = I * (E i ) exp[−αρT] + I(E i ) i Do giá trị αρT xác định phương trình sau:  I*  αρT = Ln i  I −I   Với giá trị Si αρT tính thực nghiệm, thay vào phương trình ta tính wi 11/21/14 55 Phương pháp hàm kích thích  Từ phương trình tính cường độ xạ huỳnh quang thứ cấp  Mà τ ki   µ(E ) µ( E i )   − exp − ρT  +   sin ψ sin ψ      I i (E i ) = Q if G I w i µ(E ) µ( E i ) + sin ψ sin ψ η( Ei) Q if = τ ki ω ki f 4π hệ số hấp thụ khối quang điện xạ đặc trưng nguyên tố I, nên hàm Zi Do ta đặt: Qif G0 I0 = F(Zi),  Vậy : 11/21/14 F(Zi) gọi hàm kích thích   µ ( E ) µ ( E i )  − exp − ρT  +  sin ψ sin ψ    I i (E i ) = F( Z i ) w i µ( E ) µ( E i ) + sin ψ sin ψ 56 Phương pháp hàm kích thích (tiếp theo)  Thí nghiệm bố trí cho góc ψ 1, ψ gần 900 Khi ta có: − exp[ − ρT{ µ( E ) + µ(E i )} ] I i (E i ) = F( Z i ) w i µ( E ) + µ( E i )  Đối với mẫu mỏng ta có: I i (E i ) = F( Z i ) w i ρT  Sử dụng mẫu chuẩn mỏng đơn nguyên tố tương ứng với giá trị Z khác bao quanh giá trị Zi nguyên tố cần phân tích, thực nghiệm ta đo cường độ I xạ đặc trưng nguyên tố theo lượng vạch K, L, M,… mẫu mỏng nói Với giá trị ρ, T biết mẫu mỏng ta tính giá trị F(Z) tương ứng từ phương trình I (E ) I wi = i i F( Z) = P ρTw F( Z i ) 11/21/14 S 57 Chương 11/21/14 58 ... tính  Phương pháp phân tích với mẫu mỏng  Phương pháp chuẩn nội  Phương pháp chuẩn độ nhạy  Phương pháp hàm kích thích  Phương pháp dung tỉ số cường độ đỉnh 11/21/14 42 Phương pháp phân tích. .. 11/21/14 41 Chương Các phương pháp XRF  Phương pháp phân tích định tính  Dựa vào phổ kế huỳnh quang tia X  Dựa vào định luật Moseley  Phương pháp phân tích định lượng  Phương pháp chuẩn ngoại... Phương pháp chuẩn nội  Dựa vào tỉ số cường độ nguyên tố có bậc Z gần  Giả sử ta cần phân tích nguyên tố A mẫu, ta cần pha thêm lượng nguyên tố B khác bậc số nguyên tử nguyên tố A cần phân tích

Ngày đăng: 21/11/2014, 10:38

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ

  • NỘI DUNG

  • PHẦN 1

  • Giới thiệu Huỳnh quang tia X

  • Giới thiệu Phổ huỳnh quang tia X

  • Giới thiệu Các đặc trưng phân tích của XRF

  • 2. Tia X Bản chất của tia X

  • 2. Tia X Trong phổ kế tia X

  • Tương tác của tia X với vật chất

  • Slide 10

  • Mức năng lượng của lớp K, L và M

  • Năng lượng liên kết của e- bên trong cùng bậc độ lớn với năng lượng photon tia X

  • Tương tác của tia X với electron nguyên tử

  • Hấp thụ quang điện

  • Hấp thụ quang điện (tt)

  • Slide 16

  • Năng lượng cạnh hấp thụ của một số nguyên tố

  • Tán xạ đàn hồi và không đàn hồi Tán xạ làm photon thay đổi hướng

  • Sự suy giảm tia X qua vật chất

  • Một đồ thị log-log biểu diễn hệ số suy giảm khối của Al, Fe và Pb đối với tia X có năng lượng từ 0.1 keV đến 50 keV

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan