52. Метод рентгенофлюоресцентного анализа

Метод рентгенофлюоресцентного (спектрального) анализа является одним из основных методов элементного анализа веществ и материалов. В основе метода лежит явление фотоэффекта, которое заключается в выбивании электронов из внутренних оболочек атомов при их облучении рентгеновскими квантами. Как мы уже знаем, при удалении электрона из внутренней оболочки атома, в ней образуется дырка, которая сразу же заполняется электроном внешней оболочки. В результате протекания последующих процессов из атомов вылетают характеристические рентгеновские кванты с энергией, которая определяется порядковым номером элемента в Периодической системе. Определив эту энергию, мы можем идентифицировать данный элемент. Для проведения РФ анализа существуют специальные приборы – спектрометры, на которых можно проводить качественный, полуколичественный и количественный анализ веществ и материалов. В ИНХе для проведения элементного анализа используется спектрометр VRA-30.

Схема эксперимента приведена ниже на рис. 1. Для получения пучка рентгеновского излучения используется рентгеновская трубка (анод Cu, Cr, W). Пучком излучения трубки (тормозные + характеристические кванты) облучают анализируемый образец (пробу), которая представляет собой порошок, пластинку или жидкость. Проба находится в специальном стаканчике с тонким дном. В результате из данной пробы вылетают характеристические рентгеновские кванты, которые регистрируются при помощи специального устройства, содержащего кристалл-анализатор, детектор, усилитель, пересчитку, компьютер. В качестве кристалл-анализатора используют SiO₂, LiF и др. В процессе измерения угол  плавно изменяют от 0 до 90. Измеренный рентгеновский спектр является графиком зависимости числа отраженных квантов от 2 (см. рис. 2). Положение линий в спектре определяется порядковым номером атомов (Z), что позволяет определять вид элемента. Интенсивность линий I_x пропорциональна содержанию элементов, и это позволяет найти их концентрацию C_x по формуле C_x = C₀I_x/I₀, где C₀ – концентрация элемента в эталоне, I₀ – интенсивность линии для эталона. Определяя положения линий в спектре, находят вид элемента.

53. Метод рентгенофазового анализа

Метод рентгенофазового (рентгеноструктурного) анализа (РФА) является основным методом изучения фазового состава многокомпонентных систем. В качестве инструмента для изучения вещества в данном методе используется рентгеновское излучение определенных длин волн (энергий). Обычно в методе РФА используются рентгеновские кванты с энергией порядка 10 кэВ. Исследование веществ данным методом проводят на специальных приборах, которые называют дифрактометрами, при этом наиболее распространенным дифрактометром является ДРОН-3. Информация о фазовом составе исследуемых веществ содержится в рентгенограммах (дифрактограммах), которые получают в ходе экспериментов.

В основе метода РФА лежит закон Вульфа-Брэгга, определяющий условие дифракции рентгеновских квантов на кристаллах. Согласно данному закону, рентгеновские кванты определенной длины волны (энергии), падающие на кристалл, отражаются от него строго под определенным углами в соответствии с выражением

n = 2dsin,

где  - длина волны излучения,  - угол между направлением падения (отражения) пучка и семейством атомных поверхностей кристалла, которые характеризуются межплоскостным расстоянием d. Зная  и определив в эксперименте набор межплоскостных расстояний d_i, можно идентифицировать таким образом кристалл (минерал).

Рассмотрим некоторые аспекты РФА.

1. Образец для исследования представляет собой тонкий плоский слой исследуемого поликристаллического порошка, закрепленный липкой лентой или клеем. Предполагается, что мелкие кристаллики вещества распределены в данном образце изотропным образом, в результате чего существуют группы кристалликов такой ориентации в пространстве, для которых атомные плоскости лежат в плоскости самого образца.

2. Схема эксперимента изображена на рисунке. Система регистрации отраженных рентгеновских квантов конструктивно выполнена так, что при изменении угла между пучком и плоскостью образца от нуля до , детектор поворачивается на угол 2, что позволяет регистрировать кванты, отраженные от поверхности образца под углом . Эта система поворота и измерения угла называется гониометром.

3. Рентгенограмма является графиком зависимости числа отраженных квантов от угла 2. Выглядит она в виде совокупности отдельных линий (рефлексов). Обработка рентгенограмм заключается в определении положений линий и соответствующих им межплоскостных расстояний d_i, а также интенсивностей линий. Анализируя полученный набор d_i, определяют по таблицам или банку данных вид соединений (минералов) в образце. Из анализа интенсивностей рефлексов можно найти относительное содержание фаз в образце.