Elementel Analiz için X-ışını Spektrometresi

23 Pages·2017·2.15 MB·Turkish

Elementel Analiz için X-ışını
Spektrometresi
X-ray Spectroscopy
for Elemental Analysis
Giriş
• X-ışını spektroskopisi kimyasal elementel analiz için karakteristik x-
ışınını kullanan bir tekniktir.
• Bu teknik x-ışını difraksiyonu kullanılarak kristal kafes yapısı
analizinden farklıbir tekniktir.
• X-ışını spektroskopisi bir örneğin kimyasal elementlerinin neler ve
bunların miktarlarının ne kadar olduğunu örneğin atomlarından gelen
karakteristikx-ışınlarınıölçerek belirler.
• Kimyasal elementler ya x-ışını dalgaboyu dağılımlı spektrometreye
(WDS) göre, ya da X-ışını enerji dağılımlı spektrometreye (EDS) göre
örneğin atomlarından yayınan karakteristikx-ışınlarıilebelirlenir.
1
Giriş
• X-ışını spektrometresi olarak en yaygın kullanılan spektrometreler X-ışını floresans
(XRF) ve elektron mikroskoptaki mikroanalizör’dür. Floresans kelimesi örneğin
atomlarından yayınan ikincil x-ışınını, örneği bombardıman eden birincil x-ışınından
ayırmak için kullanılır. Geçirimli ve taramalı elektron mikroskopları içinde genelde bir
EDStipix-ışınıspektrometresibulunur.BuEDSmikroanalizörbirincilelektrondemetini
örnek atomundan karakteristik x-ışınları saçılması için kullanır. Elektron demeti örnek
üzerinde bir bölgeye odaklanır, dolayısıyla EDS mikroanalizör bir mikroskobik bölgenin
kimyasal analizini yapar. Fakat buna karşılık X-ışını floresans spektorometresi örneğin
tamamınınkimyasalkomposizyonunabakar.
Karakteristik X-ışınlarının Özellikleri
Bir atom yüksek enerjili parçacıklar tarafından bombardıman edildiğinde karakteristik x-
ışınları üretilir. Yüksek enerjili parçacık örneğin bir x-ışını fotonu, bir elektron ya da netron bir
atomun iç kabuğundaki bir elektrona çarptığın zaman, parçacığın enerjisi yeterli ise bir
atomun içindeki bir elektronu orijinal pozisyonundan çıkartabilir. Atomdan çıkartılan elektron
serbest bir elektron olarak ayrılır ve atom iyonlaşır. İyonlaşma bir uyarılmış durumudur ve
atom hemen iç kabul boşluğunu dış kabuktan bir elektron ile doldurarak normal durumuna
döner. Bu sırada dış kabul elektronu ile iç kabuk elektronu arasındaki enerji farkından dolayı
atomdanx-ışınıfoton(Karakteristikx-ışını)yadadiğerkarakteristikserbestelektronsaçılır.Bu
serbestelektronsaçılmasınaAugerelektronudenirveelementelanalizdebudakullanılır.
2
Bir yüksek enerjili foton ya da elektron tarafından bir karakteristik x-
ışını fotonu ya da bir Auger elektronu uyarılması
Karakteristik X-ışınlarının Özellikleri
• Karakteristik x-ışının enerjisi iki elektron arasındaki enerji farkıdır. Bu atomun
atom numarasına bağlıdır.Örneğin,Kaçizgisindekix-ışını enerjisiK kabuğu ile
L kabuğu arasındaki elektron enerji farkına eşittir. Bundan dolayı bir
elementin analizi yayımlanan karakteristik x-ışınları ile tanımlanabilir.
Moseley kuralı karakteristik X-ışınlarının dalga boyları (l) ile atomik numara
(Z)arasındakiilişkiyitanımlar.
Budenklemde,Bvessabittirler ve
kabukların özelliklerinebağlıdırlar.
3
X-ışınlarının Çeşitleri
• Şayet bir yüksek enerjili parçacık tarafından atomun iç kabuğundaki
bir elektron çıkartılırsa, bir atom tarafından bir çok karakteristik x-
ışınları yayınır. Karakteristik x-ışınları Ka, Kb, … gibi daha önce
bahsedildiği üzere belirtilir. Görüldüğü üzere iç kabul boşluğunun dış
kabuk elektronları tarafından doldurulmasının pek çok olasılığı
bulunur. Olasılıklar sınırlandırılır ve bir atom içindeki bu elektron
transferiseçimkuralı tarafından kontroledilir.
Seçim Kuralı
• Bir atomdaki her elektron 4 kuantum sayısı ile belirlenir: n, l, m ve s.
Baş kuantum sayısı (n) kabuğu belirler örneğin K kabuğu 1 numaradır,
L kabuğu 2 ve M kabuğu 3 numaradır. Açısal kuantum sayısı (l)
altkabuk sayısını belirler ve 0 dan (n-1) tane değere kadar değişir.
Manyetik kuantum sayısı (m) her alt kabuğun enerji seviyelerini
belirler –l, 0 ve +l arasındadır. Dönme kuantum sayısı (s) ise elektron
dönme momentini belirler+1/2 ve -1/2 değerlerinialır.
4
Seçim Kuralı
K, L ve M kabuklarındaki kuantum sayıları tabloda verilmektedir. Toplam momentum (J) değeri
(s+l)toplamıdaverilmektedir.
Seçim Kuralı
• İkikabukarasındakigeçişelektronuiçinseçimkurallarışöylesıralanır.
1. n’dekideğişimenaz1olmalı(Dn>1)
2. l’dekideğişimenaz1olmalı(Dl=±1)
3. J’dekideğişim0yada1olmalı(DJ=±1yada0)
Karakteristik X-ışınları K, L, ve M serilerine ayrılır kabuklardaki elektron boşluklarının
doldurulmasına göre. Örneğin K serisi demek karakteristik x-ışınları yayınır bir dış
elektronun birKkabuğundakielektronboşluğunudoldurmasıdır.
Seçimkuralınagöre,elektronunL denKkabuğunageçişiyasaktırçünküldeğişimi0olamaz
1
aksi taktirde bu ikinci kanunu çiğnemek olur. Dolayısıyla K kabuğuna L kabuğundan sadece
L ’denK’yaveL ’denK’yageçişleryapılabilinirvebunlardaKa veKa dirler.
3 2 1 2
5
Seçim Kuralı
• Şekilde K, L ve M serilerine yapılan bir elektron geçişi sırasında olası
karakteristik x-ışınları yayınımı gösterilmektedir. Siegbahn Notasyonu
genelde bir karakteristik x-ışını çizgisini tanımlamakta kullanılır. Bu
notasyon bir İngiliz harfi ile altında bir Yunan harfi ve alt sayı ile ifade
edilir.
Seçim Kuralı
• x-ışınışiddeti a > b > g şeklindedir.
• Şekilde sürekli x-ışını üzerinde
göreceli şiddetleri (yoğunluk) ile
karakteristik Ka ve Kb x-ışınları
görülmektedir.
6
K, L ve M serilerinin Karşılaştırılması
Bir atomun karakteristik x-ışını fotonları üretebilme yeteneği yüksek
enerjili x-ışını fotonları ya da elektronları ile uyarlamasıyla değişir. İlk
olarak bir iç kabuk boşluğu bir elektron tarafından doldurulduğunda bir
yayılım için yüksek enerjili fotonlar ile Auger elektronları arasında bir
yarış vardır. İkincil olarak, K, L ve M serilerinden x-ışını yayınımları
arasında yarışlar vardır. Floresans verimi bir parametredir ve x-ışının
görecelietkenliğinin ölçülmesinde kullanılır.
K, L ve M serilerinin Karşılaştırılması
Floresansverimliliğinin(w) K,LveMserilerinde
atom numarasına göre değişimi gösterilmektedir.
Atom numarası 4 (Be) dan küçük bir atom için
floresans verimliliği sıfırdır ve atom numarası 8 (O)
den küçükbir atom için ise verimlilik % 0,5 dir. Genel
olarak floresans verimliliği atom numarası
artmasıyla artar. Dolayısıyla atom numarası düşük
elementlerin x-ışını spektroskopisi kullanılarak tayini
yapısal bir dezavantajdır. K serisinden üretilen x-
ışınlarıLveMserilerinegöredahaetkilidir.
7
Bazı elementler için K, L ve M serilerindeki floresansverimliliği tabloda
gösterilmektedir.
K, L ve M serilerinin Karşılaştırılması
K, L ve M çizgileri arasında bir diğer fark ise şekilde gösterildiği üzere enerji
seviyeleridir. K serisinin enerji seviyesi en yüksektir daha sonra sırasıyla L ve M
serilerigelir.
8
TabloincelenecekolursaörneğinAuKa 66,99keVfakat
1
AuLa ve AuMa enerjileri sırasıyla 9,713 ve 2,123
1 1
keV’dir. Genel bir enerji spekturumu 0,2 ile 20 keV
arasındadır. Dolayısıyla AuKa bu spekturumda yoktur
1
yaniağırelementlerinKçizgisindenziyadediğerLveM
çizgileri x-ışını spektrometresinde tayin edilir. Yüksek
atom numaralı elementlerin x-ışını spektrometrisi
dolayısıyla oldukça karışıktır çünkü farklı serilerinden x-
ışınları gelir. Diğer yandan atom numarası 20 (Ca) den
küçüklerin spektrumu sadece K çizgisinde gelir. Düşük
atom numaralı elementlerin L ve M çizgilerinin
enerjilerinden dolayı x-ışını spektrometresi tarafında
tayinedilmesiiçinfloresansverimliliğioldukçadüşüktür.
X-RAY FLUORESCENCE
X-IŞINI FLORESAN
(XRF)
9
X-ışını folerans spektrometresi numunelerin kimyasal elementlerini bunlardan yayınan
karakteristik x-ışınlarını analiz ederek tayin eder. Bu ışınlar ise yüksek enerjili birincil x-
ışınlarıtarafındanyayınır.
Karakteristikx-ışınları,dalgaboylarıyadaenerjileritarafındaanalizedilebilirler.
Dolayısıyla2çeşitXRFvardır.Dalgaboyusaçılımlıspektrometre(WDS)veenerjisaçılımlı
spektrometre (EDS) Şekilde iki cihazın yapısal olarak benzerlikleri ve farkları
gösterilmektedir.
Hızlı,doğruvetahribatsız ,çokazörnek gerektirenbir metottur.
Uygulama alanlarıoldukça yaygındır,metal, beton, yağ,polimer,plastik,
gıdaendüstrisi,maden,mineral,jeoloji,çevreselsu veatıkları içinkullanılabilinir.
Ölçüm süresi ölçülecek element sayısına bağlı olarak saniyeler ile 30 dak. arasında
değişir.
Ölçümsonrasıanalizsüresisaniyeler içindegerçekleşir.
10