X射线光谱与电子能谱分析法.pptx
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第九章X射线光电子能谱资料PPT课件
12
Mn+离子的3s轨道电离时的两种终态
13
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
14
§ 4 化学位移
由于化合物结构的变化和元素氧化状态的 变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移
化合物聚对苯二 甲酸乙二酯中三 种完全不同的碳 原子和两种不同 氧原子1s谱峰的 化学位移
15
化学位移现象起因及规律
内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用 而具有一定的结合能，另一方面又受到外层 电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时， 屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加； 反之则结合能将减少。因此当被测原子的氧 化价态增加，或与电负性大的原子结合时， 都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。
E
' k
sp
Ek
s
hv
E
' khv
E
' k
sp
仪器功函数
9
§2 自旋－轨道耦合
主量子数n ：每个电子的能量主要取决于主量子数n. 通常以K、L、M、N、O等 表示n=1、2、3、4、5等壳层。
轨道量子数l： 它决定电子云的几何形状，不同的l值将原子 内的电子壳层分成几个亚层，即能级。 l=1、2、3、……(n-1)。
5
➢ K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子 能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
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Mn+离子的3s轨道电离时的两种终态
13
MnF2的Mn3s电子的XPS谱
14
§ 4 化学位移
由于化合物结构的变化和元素氧化状态的 变化引起谱峰有规律的位移称为化学位移
化合物聚对苯二 甲酸乙二酯中三 种完全不同的碳 原子和两种不同 氧原子1s谱峰的 化学位移
15
化学位移现象起因及规律
内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用 而具有一定的结合能，另一方面又受到外层 电子的屏蔽作用。当外层电子密度减少时， 屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加； 反之则结合能将减少。因此当被测原子的氧 化价态增加，或与电负性大的原子结合时， 都导致其XPS峰将向结合能的增加方向位移。
E
' k
sp
Ek
s
hv
E
' khv
E
' k
sp
仪器功函数
9
§2 自旋－轨道耦合
主量子数n ：每个电子的能量主要取决于主量子数n. 通常以K、L、M、N、O等 表示n=1、2、3、4、5等壳层。
轨道量子数l： 它决定电子云的几何形状，不同的l值将原子 内的电子壳层分成几个亚层，即能级。 l=1、2、3、……(n-1)。
5
➢ K.Siegbahn给这种谱仪取名为化学分析电子 能谱(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)，简称为“ESCA”，这一称谓仍在 分析领域内广泛使用。
➢ 随着科学技术的发展，XPS也在不断地完善。 目前，已开发出的小面积X射线光电子能谱， 大大提高了XPS的空间分辨能力。
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X射线光电子能谱分析ppt
在生物学领域，XPS技术可以用于研究生物分子的结 构、细胞表面的化学成分等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
1 2
固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
3
气体样品控制
THANK YOU.
细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
01
引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
最新第八章 X射线光电子能谱(XPS) 有机波谱分析课件ppt课件
➢ 内层电子一方面受到原子核强烈的库仑作用而具有一定的结 合能，另一方面又受到外层电子的屏蔽作用。当外层电子密 度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电子的结合能增加；反之 则结合能将减少。因此当被测原子的氧化价态增加，或与电 负性大的原子结合时，都导致其XPS峰将向结合能的增加方向 位移。
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
三氟化乙酸乙脂中四个不同C原子的C1s谱线。
诊断标准
下列症状中三项： ①发热 ②咽峡炎 ③颈淋巴结肿大 ④肝脏肿大 ⑤脾脏肿大
X-ray penetration depth ~1mm. Electrons can be excited in this entire volume.
Electrons are extracted only from a narrow solid angle.
10 nm 1 mm2
X-ray excitation area ~1x1 cm2. Electrons are emitted from this entire area
– EB病毒感染可导致免疫功能紊乱，发生与免疫系统功能紊乱相 关的多种疾病如淋巴瘤、传染性单核细胞增多症及类风湿关节 炎等 。
流行病学
传染源：带病毒者及病人为本病的传染源。 传播途径：经口鼻密切接触为主要传播途径，也可经飞沫（次要）
及输血传播（偶可发生）。 易感人群：人群普遍易感。但儿童青少年更多见。病后可获得持
久免疫，第二次发病不常见。
病因学
EB病毒为本病的病原，电镜下EB病毒的形态 结构与疱疹病毒组的其他病毒相似，但抗原性 不同。EB病毒为DNA病毒。
发病机理
EBV B淋巴细胞受体
咽扁桃体B淋巴细胞和 口腔上皮细胞
复制
细胞破坏
B淋巴细胞血液 唾液腺（腮腺）
X射线光电子能谱课件
X射线光电子能谱课件
样品处理
l 制样方法必须恰当，才能得到正确的XPS谱图。XPS信 息来自样品表面几个到几十个原子层，因此在实验技术 上要保证所分析的样品表面能代表样品的固有表面。目 前XPS分析主要集中在固体样品表面。
l 无机样品常用的方法
1）溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空，以除去试样表 面的污染物。例如，对不溶于溶剂的陶瓷或金属试样， 用乙醇或丙酮擦洗，再用蒸馏水洗掉溶剂，最后吹干或 烘干试样，达到去污的目的。
后者的优点是可在真空中对样品进行处理，其信号强度 也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真 空的时间太长。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
l 挥发性材料
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系 统前必须清除掉挥发性物质。
一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。 在处理样品时，应该保证样品中的成份不发生化学 变化。
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X射线光电子能谱课件
检测器
l 检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增
器。光电倍增管采用高抗阻，二次电子发射材 料，增益：109.
倍增器
光电子或俄歇电子流
10-4~1A
（10-13~10-9A）
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X射线光电子能谱课件
真空系统
l 两个基本功能：
1、使样品室和分析器保持一定的真空度，以便使样 品发射出来的电子的平均自由程相对于谱仪的内部尺 寸足够大，减少电子在运动过程中同残留气体分子发 生碰撞而损失信号强度。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
3）研压法，对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少 量样品研磨在金箔上，使其形成薄层，再进行测定。 l 由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分析
样品处理
l 制样方法必须恰当，才能得到正确的XPS谱图。XPS信 息来自样品表面几个到几十个原子层，因此在实验技术 上要保证所分析的样品表面能代表样品的固有表面。目 前XPS分析主要集中在固体样品表面。
l 无机样品常用的方法
1）溶剂清洗（萃取）或长时间抽真空，以除去试样表 面的污染物。例如，对不溶于溶剂的陶瓷或金属试样， 用乙醇或丙酮擦洗，再用蒸馏水洗掉溶剂，最后吹干或 烘干试样，达到去污的目的。
后者的优点是可在真空中对样品进行处理，其信号强度 也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真 空的时间太长。
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样品处理
l 挥发性材料
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系 统前必须清除掉挥发性物质。
一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。 在处理样品时，应该保证样品中的成份不发生化学 变化。
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检测器
l 检测器通常为单通道电子倍增器和多通道倍增
器。光电倍增管采用高抗阻，二次电子发射材 料，增益：109.
倍增器
光电子或俄歇电子流
10-4~1A
（10-13~10-9A）
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真空系统
l 两个基本功能：
1、使样品室和分析器保持一定的真空度，以便使样 品发射出来的电子的平均自由程相对于谱仪的内部尺 寸足够大，减少电子在运动过程中同残留气体分子发 生碰撞而损失信号强度。
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X射线光电子能谱课件
样品处理
3）研压法，对不溶于易挥发有机溶剂的样品，可将少 量样品研磨在金箔上，使其形成薄层，再进行测定。 l 由于涉及到样品在超高真空中的传递和分析，待分析
x射线光电子能谱分析案例ppt课件
I
S
S---原子灵敏度因子－可查
两种元素的浓度比：
1 I1 / S1 2 I2 / S2
39
8.2 光电子能谱仪实验技术
对多种元素中的某一元素浓度：
注意：
Cx
x i
Ix / Sx Ii / Si
i
（1）不适用非均匀样品；
（2）对过渡金属，不同的化学状态有不同的原子灵 敏度因子；
（3）上式的误差10-20%
42
8.3 X射线光电子能谱的应用
图7-30 二氧化钛涂层玻璃试样的XPS谱图
43
8.3 X射线光电子能谱的应用
8.3.2元素窄区谱分析 1. 方法 （1）以全分析谱作为基础，由其确定扫描的能
XPS现象基于爱因斯坦于1905年揭示的光电效应，爱因斯坦由于这方面 的工作被授予1921年诺贝尔物理学奖；
X射线是由德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad Rö ntgen，l8451923）于1895年发现的，他由此获得了1901年首届诺贝尔物理学奖 。
4
X射线光电子能谱（ XPS ，全称为Xray Photoelectron Spectroscopy）
9
8.1 XPS的基本原理
10
8.1 XPS的基本原理
光子的一部分能量用来克服轨道电子结合能( EB)， 余下的能量便成为发射光电子(e - ) 所具有的动能 ( EK)，这就是光电效应。用公式表示为：
Ek = hν- EB –Ws
结合能( EB)：电子克服原子核束缚和周围电子的作 用，到达费米能级所需要的能量。
2. 校正方法 (1) 外标法（最常用） C 1s结合能：284.6 eV 若荷电效应在实验过程中不稳定，则实验前后各扫 一次C 1s谱，取平均值。
第十五章X射线光谱与电子能谱分析法-
2019/10/13
跃迁定则：
(1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0
J为L与磁量子数矢量和S；
n=1,2,3，线系, 线系,
线系；
L→K层K； K1 、 K2 M→K层K ； K1 、 K2 N→K层K ； K 1 、 K 2 M→ L 层L ； L1 、 L2 N→L层L ； L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、 M2
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
2019/10/13
一、概述
generalization
X-射线：波长0.001～50nm； X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同；
X-射线荧光分析
利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定 性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
X-射线光谱
X-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析
2019/10/13
电子能谱分析
利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行 元素的定性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱
Auger电子能谱
2019/10/13
共同点
(1) 属原子发射光谱的范畴； (2) 涉及到元素内层电子； (3) 以X-射线为激发源； (4) 可用于固体表层或薄层分析
，方向，变 波长、周相不同，
无相干
X射线
非弹性碰撞
反冲电子
= - = K (1-cos)
K 与散射体和入射线波长 有关的常数；
Z↓，非相干散射↑； 衍射图上出现连续背景。
2019/10/13
跃迁定则：
(1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0
J为L与磁量子数矢量和S；
n=1,2,3，线系, 线系,
线系；
L→K层K； K1 、 K2 M→K层K ； K1 、 K2 N→K层K ； K 1 、 K 2 M→ L 层L ； L1 、 L2 N→L层L ； L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、 M2
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
2019/10/13
一、概述
generalization
X-射线：波长0.001～50nm； X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同；
X-射线荧光分析
利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定 性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
X-射线光谱
X-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析
2019/10/13
电子能谱分析
利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行 元素的定性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱
Auger电子能谱
2019/10/13
共同点
(1) 属原子发射光谱的范畴； (2) 涉及到元素内层电子； (3) 以X-射线为激发源； (4) 可用于固体表层或薄层分析
，方向，变 波长、周相不同，
无相干
X射线
非弹性碰撞
反冲电子
= - = K (1-cos)
K 与散射体和入射线波长 有关的常数；
Z↓，非相干散射↑； 衍射图上出现连续背景。
2019/10/13
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2021Biblioteka 3/12二、X射线与X射线光谱
X-ray and X-ray spectrum
1. 初级X射线的产生
X-射线：波长0.001～50nm的电磁波；
0.01～24 nm ； (超铀K系谱线) ～ (锂K系谱线)
高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%)
高速电子撞 击使阳极元素的 内层电子激发； 产生X射线辐射；
J为L与磁量子数矢量和S；
n=1,2,3，线系, 线系,
线系；
L→K层K； K1 、 K2 M→K层K ； K1 、 K2 N→K层K ； K 1 、 K 2 M→ L 层L ； L1 、 L2 N→L层L ； L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、 M2
2021/3/12
特征光谱——定性依据
2021/3/12
2.X射线光谱
（1） 连续X射线光谱
电子→靶原子，产生连 续的电磁辐射，连续的X射 线光谱；成因：
大量电子的能量转换是 一个随机过程，多次碰撞；
阴极发射电子方向差异 ，能量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
Im K Z i U 2
2021/3/12
（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
En1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；
n电子壳层数；c光速；Z原子序数；
不同元素具有自己的特征谱线 ——定性基础 。
2021/3/12
跃迁定则：
(1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0
2021/3/12
2.X射线的散射
X射线的强度衰减：吸收+散射；
X射线的 ↑； Z ↑，越易吸收，吸收>>散射；吸收为主； ↓， Z↓；穿透力越强；对轻元素N,C,O，散射为主；
(1)相干散射(Rayleigh散射，弹性散射)
X射线
碰撞
新振动波源群
相干散射
E 较小、 较长的X射线 →碰撞(原子中束缚较紧、Z较大
第十五章 X射线光谱与电 子能谱分析法
X-ray spectrometry and electron spectroscopy
第一节 X射线和X射线 光谱分析
X-ray and X-ray spectrum analysis
一、概述
generalization 二、X射线与X射线谱 X-ray and X-ray spectrum 三、X射线的吸收、散射和 衍射
n1n2
En1
En2 h
cR(Z
)2
n22
1
n12
L→K层；K 线系；
n1 =2，n2 =1；
K
( 3)cR(Z 4
)2
K
c
K
4 3R(Z
)2
不同元素具有自己的特征谱
线 ——定性基础；
谱线强度——定量；
2021/3/12
三、X射线的吸收、散射与衍射
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
X射线的 ↑； Z ↑，越易吸收； ↓，穿透力越强；
2021/3/12
元素的X射线吸收光谱
吸收限(吸收边)：一个 特征X射线谱系的临界激发 波长；
在元素的X射线吸收光谱 中， 质量吸收系数发生突 变；呈现非连续性；上一个 谱系的吸收结束，下一个谱 系的吸收开始处；
能级(M→K)↓, 吸收限(波长)↓， 激发需要的能量↑。
K 与散射体和入射线波长 有关的常数；
Z↓，非相干散射↑； 衍射图上出现连续背景。
2021/3/12
3. X射线的衍射
相干散射线的干涉现象；
相等，相位差固定，方向同， n 中n不同，产生干涉。
X射线的衍射线： 大量原子散射波的
叠加、干涉而产生最 大程度加强的光束； Bragg衍射方程： DB=BF=d sin
X-射线光谱
X-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析
2021/3/12
电子能谱分析
利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行 元素的定性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱
Auger电子能谱
2021/3/12
共同点
(1) 属原子发射光谱的范畴； (2) 涉及到元素内层电子； (3) 以X-射线为激发源； (4) 可用于固体表层或薄层分析
电子)→新振动波源群（原子中的电子）；与X射线的周期、 频率相同，方向不同。
实验可观察到该现象；测量晶体结构的物理基础；
2021/3/12
（2）非相干散射
Comptom 散射、非弹性散射；Comptom-吴有训效应；
，方向，变 波长、周相不同，
无相干
X射线
非弹性碰撞
反冲电子
= - = K (1-cos)
固体试样时，采用 m = l /
（ ：密度）；
2021/3/12
X射线的吸收
X射线的强度衰减：吸收+散射；
总的质量衰减系数m ： m = m + m
m ：质量吸收系数； m ：质量散射系数；
m
kZ 43
NA Ar
NA：Avogadro常数；Ar ：相对原子质量；k：随吸收限
改变的常数；Z：吸收元素的原子序数； ：波长；
1. X射线的吸收
dI0=-I0 l dl dI0=-I0 m dm dI0=-I0 n dn
l：线性衰减系数； m：质量衰减系数； n：原子衰减系数；
衰减系数的物理意义：单位路程 (cm)、单位质量(g)、单 位截面(cm2) 遇到一个原子时，强度的相对变化（衰减）；
符合光吸收定律：
I = I0 exp(- l l )
n = 2d sin 光程差为 的整数
倍时相互加强；
2021/3/12
Bragg衍射方程及其作用
n = 2d sin
| sin | ≤1；当n = 1 时， n / 2d = | sin | ≤1，
即 ≤ 2d ； 只有当入射X射线的波长 ≤2倍晶面间距时，才能产生衍射
Bragg衍射方程重要作用：
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
2021/3/12
一、概述
generalization
X-射线：波长0.001～50nm； X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同；
X-射线荧光分析
利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定 性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
X-ray and X-ray spectrum
1. 初级X射线的产生
X-射线：波长0.001～50nm的电磁波；
0.01～24 nm ； (超铀K系谱线) ～ (锂K系谱线)
高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%)
高速电子撞 击使阳极元素的 内层电子激发； 产生X射线辐射；
J为L与磁量子数矢量和S；
n=1,2,3，线系, 线系,
线系；
L→K层K； K1 、 K2 M→K层K ； K1 、 K2 N→K层K ； K 1 、 K 2 M→ L 层L ； L1 、 L2 N→L层L ； L 1 、 L 2 N→M层M； M1 、 M2
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特征光谱——定性依据
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2.X射线光谱
（1） 连续X射线光谱
电子→靶原子，产生连 续的电磁辐射，连续的X射 线光谱；成因：
大量电子的能量转换是 一个随机过程，多次碰撞；
阴极发射电子方向差异 ，能量损失随机；
Ee
eU
1 2
m0
Im K Z i U 2
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（2）X射线特征光谱
特征光谱产生： 碰撞→跃迁↑(高) →空穴→跃迁↓(低)
特征谱线的频率：
n1 n2
En1
En2 h
cR( Z
)2
n22
1
n12
R=1.097×107 m-1,Rydberg常数；
σ核外电子对核电荷的屏蔽常数；
n电子壳层数；c光速；Z原子序数；
不同元素具有自己的特征谱线 ——定性基础 。
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跃迁定则：
(1)主量子数 n≠0 (2)角量子数 L=±1 (3)内量子数 J=±1，0
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2.X射线的散射
X射线的强度衰减：吸收+散射；
X射线的 ↑； Z ↑，越易吸收，吸收>>散射；吸收为主； ↓， Z↓；穿透力越强；对轻元素N,C,O，散射为主；
(1)相干散射(Rayleigh散射，弹性散射)
X射线
碰撞
新振动波源群
相干散射
E 较小、 较长的X射线 →碰撞(原子中束缚较紧、Z较大
第十五章 X射线光谱与电 子能谱分析法
X-ray spectrometry and electron spectroscopy
第一节 X射线和X射线 光谱分析
X-ray and X-ray spectrum analysis
一、概述
generalization 二、X射线与X射线谱 X-ray and X-ray spectrum 三、X射线的吸收、散射和 衍射
n1n2
En1
En2 h
cR(Z
)2
n22
1
n12
L→K层；K 线系；
n1 =2，n2 =1；
K
( 3)cR(Z 4
)2
K
c
K
4 3R(Z
)2
不同元素具有自己的特征谱
线 ——定性基础；
谱线强度——定量；
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三、X射线的吸收、散射与衍射
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
X射线的 ↑； Z ↑，越易吸收； ↓，穿透力越强；
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元素的X射线吸收光谱
吸收限(吸收边)：一个 特征X射线谱系的临界激发 波长；
在元素的X射线吸收光谱 中， 质量吸收系数发生突 变；呈现非连续性；上一个 谱系的吸收结束，下一个谱 系的吸收开始处；
能级(M→K)↓, 吸收限(波长)↓， 激发需要的能量↑。
K 与散射体和入射线波长 有关的常数；
Z↓，非相干散射↑； 衍射图上出现连续背景。
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3. X射线的衍射
相干散射线的干涉现象；
相等，相位差固定，方向同， n 中n不同，产生干涉。
X射线的衍射线： 大量原子散射波的
叠加、干涉而产生最 大程度加强的光束； Bragg衍射方程： DB=BF=d sin
X-射线光谱
X-射线吸收光谱 X-射线荧光分析 X-射线衍射分析
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电子能谱分析
利用元素受激发射的内层电子或价电子的能量分布进行 元素的定性、定量分析；固体表面薄层成分分析；
电子能谱分析 X-射线光电子能谱 紫外光电子能谱
Auger电子能谱
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共同点
(1) 属原子发射光谱的范畴； (2) 涉及到元素内层电子； (3) 以X-射线为激发源； (4) 可用于固体表层或薄层分析
电子)→新振动波源群（原子中的电子）；与X射线的周期、 频率相同，方向不同。
实验可观察到该现象；测量晶体结构的物理基础；
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（2）非相干散射
Comptom 散射、非弹性散射；Comptom-吴有训效应；
，方向，变 波长、周相不同，
无相干
X射线
非弹性碰撞
反冲电子
= - = K (1-cos)
固体试样时，采用 m = l /
（ ：密度）；
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X射线的吸收
X射线的强度衰减：吸收+散射；
总的质量衰减系数m ： m = m + m
m ：质量吸收系数； m ：质量散射系数；
m
kZ 43
NA Ar
NA：Avogadro常数；Ar ：相对原子质量；k：随吸收限
改变的常数；Z：吸收元素的原子序数； ：波长；
1. X射线的吸收
dI0=-I0 l dl dI0=-I0 m dm dI0=-I0 n dn
l：线性衰减系数； m：质量衰减系数； n：原子衰减系数；
衰减系数的物理意义：单位路程 (cm)、单位质量(g)、单 位截面(cm2) 遇到一个原子时，强度的相对变化（衰减）；
符合光吸收定律：
I = I0 exp(- l l )
n = 2d sin 光程差为 的整数
倍时相互加强；
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Bragg衍射方程及其作用
n = 2d sin
| sin | ≤1；当n = 1 时， n / 2d = | sin | ≤1，
即 ≤ 2d ； 只有当入射X射线的波长 ≤2倍晶面间距时，才能产生衍射
Bragg衍射方程重要作用：
absorption, diffuse and diffraction of X-ray
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一、概述
generalization
X-射线：波长0.001～50nm； X-射线的能量与原子轨道能级差的数量级相同；
X-射线荧光分析
利用元素内层电子跃迁产生的荧光光谱，应用于元素的定 性、定量分析；固体表面薄层成分分析；