Методы контроля и анализа веществ. Рентгеновские методы анализа. Лабораторный практикум

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра сертификации и аналитического контроля

В.Д. Сальников В.А. Филичкина

И.В. Муравьева

Методы контроля и анализа веществ

Рентгеновские методы анализа

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва1 2017

УДК 543.52 С16

Рецензент д-р хим. наук, проф. А.Г. Ракоч

Сальников В.Д.

С16 Методы контроля и анализа веществ : рентгеновские методы анализа : лаб. практикум / В.Д. Сальников, В.А Филичкина, И.В. Муравьева. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. – 33 с.

В лабораторном практикуме изложены основные понятия и методики проведения практических работ по рентгеновским методам анализа. Каждой работе предшествует теоретическое введение. Приведены последовательность выполнения работ, перечень контрольных вопросов для закрепления полученных теоретических и практических знаний.

Соответствует программе курса «Методы контроля и анализа веществ». Пособие предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02 «Металлургия», 03.03.02 «Физика»,

28.03.03 «Наноматериалы».

УДК 543.52

В.Д. Сальников, В.А. Филичкина, И.В. Муравьева, 2017

НИТУ «МИСиС», 2017

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

Введение в аналитическую спектроскопию

Спектральные методы анализа основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Это взаимодействие проявляется в испускании, поглощении, рассеянии или дифракции электромагнитного излучения молекулами, атомами или ядрами атомов анализируемого вещества.

В зависимости от того, какие частицы (молекулы, атомы или ядра) являются источником аналитического сигнала при поглощении или выделении излучения, различают методы молекулярной, атомной или ядерной спектроскопии.

Электромагнитное излучение представляет собой вид энергии, которая распространяется с огромной скоростью и имеет двойственный характер: с одной стороны, это волновой процесс, характеризующийся такими параметрами, как скорость, частота и амплитуда волны. С другой стороны, для объяснения явлений, связанных с поглощением или испусканием энергии веществом, волновой модели недостаточно, поэтому электромагнитное излучение необходимо представить в виде потокадискретныхчастицэнергии, называемыхфотонами, иликвантами.

Таким образом, электромагнитное излучение может быть охарактеризовано следующими параметрами:

-длиной волны λ (расстояние между двумя вершинами волны);

-частотой излучения ν;

-волновым числом ν ;

-энергией излучения Е.

Длину волны λ в зависимости от области спектра выражают в разныхединицах: вангстремах(1 Å = 10–10 м), нанометрах(1 нм= 10–9 м),

микрометрах (1 мкм = 10–6 м) или микронах (1 мк= 1 ммк= 10–6 м). Частота излучения ν – число колебаний в секунду, выражается

отношением скорости распространения излучения (скорости света) с к длине волны λ: ν = с/λ; с ≈ 3·1010 см/с. Частота измеряется в обратных секундах (с–1) или герцах (1 Гц = с–1).

Волновое число ν показывает, какое число длин волн приходится на 1 см пути излучения в вакууме и определяется соотношением ν = 1/λ. Размерность волновых чисел см–1. С частотой излучения волновое число связано соотношением ν = с ν .

Энергия излучения Е непосредственно связана с частотой:

Е = hν,

где h – постоянная Планка, равная 6,625·10–34 Дж·с.

4

Энергия излучения Е выражается в электрон-вольтах (эВ); 1 эВ = 8,066·103 см–1; 1 эВ = 23 ккал/моль. Волновое число и частота пропорциональны энергии, а длина волны – обратно пропорциональна энергии.

Энергия излучения характеризуется электромагнитным спектром излучения, охватывающим область от километровых радиоволн до сотых долей ангстрема γ-излучения и космических лучей (спектр – это разложенное по длинам волн или частотам электромагнитное излучение). Границы эти условны и в ряде случаев могут заметно выходить за указанные интервалы.

В зависимости от диапазона длин волн, поглощаемых либо испускаемых частицами вещества, спектральные методы делятся на ряд самостоятельных методов. Различают рентгеноспектральные, оптические методы и др.

5

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, ознакомившиеся с инструкцией по технике безопасности. Инструктаж проводит преподаватель, о чем студенты расписываются в контрольном листе по технике безопасности.

Студенты работают с электрическими измерительными и нагревательными приборами (220 В и более). Для исключения несчастных случаев при работе на спектроаналитическом оборудовании студенты обязаны перед началом работы ознакомиться с соответствующимиинструкциями поего эксплуатации.

Студентам запрещается включать и выключать любые приборы без разрешения преподавателя или лаборанта.

Экспериментальную часть лабораторной работы студент проводит под контролем лаборанта, строго выполняя его указания.

6

Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ

Перед выполнением лабораторной работы необходимо:

-ознакомиться с теоретическимиосновами методаиаппаратурой;

-ознакомиться с описанием работы, в том числе с целью и задачами работы, а также с порядком ее выполнения;

-ознакомиться с описанием прибора, на котором выполняется работа и методикой измерения на нем;

-подготовить краткий конспект в индивидуальном лабораторном журнале;

-получить у преподавателя или лаборанта задание.

По окончании лабораторной работы студент должен оформить и сдать преподавателю отчет о проделаннойработе, который включает:

-название изучаемого и применяемого в лабораторной работе метода анализа;

-цель и задачи лабораторной работы;

-краткий конспект по теоретическим основам применяемого метода анализа и описанию используемого оборудования, устройств

иматериалов;

-порядок выполнения лабораторной работы;

-результаты измерений, их обработку и соответствующие вычисления;

-вид рабочего градуировочного графика (если используется) с указанием величин и их размерностей;

-выводы, включающие качественную и/или количественную оценку анализируемой пробы, а также особенности выполнения конкретной аналитической задачи.

Для выполнения работ каждому студенту потребуются линейка; карандаш; микрокалькулятор.

7

Лабораторная работа 1

Рентгеноспектральное определение марганца в цветном сплаве

(2 часа)

1 Цель работы

Ознакомление с аппаратурой и методикой определения элементов методом рентгеновского спектрального анализа.

2 Задачи работы

Приобретение практических навыков калибровки прибора и аналитической интерпретации экспериментальных рентгеновских данных.

Определение марганца в цветном сплаве.

3 Теоретическое введение

Рентгеновский спектральный анализ (РСА) основан на изучении рентгеновских характеристических спектров (каждому электронному переходу соответствует определенная, характерная только для этого переходаэнергия) веществ в диапазонедлин волн 10–3–10 нм.

Для его осуществления необходимо генерировать рентгеновское характеристическое излучение в анализируемой пробе, разложить выходящее из образца излучение в спектр, зарегистрировать энергетическое положение и интенсивность отдельных линий спектра и с помощью расчетных или экспериментальных градуировочных характеристикопределить составпробы (рисунок 1).

При облучении пробы достаточно жестким рентгеновским излучением (а также электронами, ионами, γ-излучением) возможна ионизация атома (А) за счет удаления электронов с ближайших к ядру уровней. Если возбуждаемая энергия (Евозб) больше потенциала ионизации электрона на ближайшем к ядру K-уровне, то избыточная энергия высвобождается в виде кинетической энергии фотоэлектрона:

А + hνпервич → (А+)* + eфото .

8