核分析原理及技术第二章课件
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核反应分析NuclearReactionAnalysisNRAPPT精选文档
4.5 NRA分析的应用实例
3. 利用19F(p, αγ)16O反应测量非晶态硅中的氟含 量和深度分布
（1）意义：硅太阳能电池发展经历了三个阶段：硅片滇池、硅带电池 和非晶硅（α-Si）电池。前两种成本高，工艺复杂，难于广泛应用，而 非晶硅造价很低，极有推广前景，过得到广泛的应用。
（2）简介：α-Si:H 电池目前的光转换效率为5%，根据理论估计，他 的效率可达23%，是世界瞩目的研究方向。但α-Si中的H在3500时就溢 出，因此影响着该领域的发展。1978年，研制成了α-Si:F合金，该合金 在6000退火，无显著的变化，性能也无显著的变化，因此分析不同退火 条件下的α-Si:F中的F含量及其深度分布很有意义。
4.3.核反应分析原理
1. 核反应中的能量关系：
• Q方程
E x ' A A x X A 'x 'E A x 1 '/2 x co s A A X X '' A A x x A X A ' x A A x 'x ' 2 c2 o E x s A X A ' X 'A x 'Q 1 /2 2
4.1.引言：
1. RBS分析轻基体中的重元素含量，简便易行。 2. PIXE分析中重元素，灵敏且精度较高，方便易行，
用途广泛。
[注] 它们共同的缺点是：对轻元素分析失效，深度分辨差。
3. NRA分析轻元素特别有效，且深度分辨好，干扰小， 但对重元素分析效果交差。
若把以上的分析手段相结合，则可以做到全元素 分析。在具体的应用时大家可根据实际情况采用相关 的分析手段。
4.4 实验技术和设备
• 加速器是该试验的一个重要组成部分，对于他提供的束流有 如下要求：
核医学体外放射分析技术课件
有效地排除非特异性物质对结合反应的干 扰。
二、结合反应动力学规律
• 遵守质量作用定律 • [L]+[B] 适当的实验条件 [LB]
衍生设计出两种方法学
• 1、竞争结合（competitive binding) • 过量的配体与有限量的结合剂发生竞争性
结合反应。 • 2、非竞争结合（non-competitive binding) • 过量的结合剂与有限量的配体，在非竞争
的条件下发生结合反应。
衍生设计出两种方法学
• 1、竞争结合（主要应用：放射免疫分析）
• [L]+ [L*]+[B] [LB] +[L*B]
• 2、非竞争结合
•结合在试管 或包被珠上
• Sp.Ab1+Ag Sp.Ab1.Ag
• Sp.Ab1.Ag +Ab2* Sp.Ab1.Ag.Ab2*+Ab2*
优点
• 慢性淋巴细胞性甲状腺炎： • 早期：T3,T4升高，然后降低，
TSH,TGAB,TPOAB升高。 • 甲状腺肿瘤：TG升高。 • 全身性疾病：心血管疾病、肿瘤等： • T3下降，rT3、TSH升高。
（二）肾上腺疾病
• 皮质醇增多症： • ACTH\COR正常情况下有节律分泌，检测
可以与单纯性肥胖区分。 • 原发性醛固酮增多症：尿游离皮质醇
• 反应误差关系 • 精密度图
• 2、准确度：测的值与其标称值之间的 相符程度。
• 3、灵敏度（sensitivity): • 4、特异性(specificity) • 5、稳定性(stability)
（三）质量评价
• 内部质量控制 • 外部质量控制
三、以配体与受体间结合反应 为基础的分析系统
二、结合反应动力学规律
• 遵守质量作用定律 • [L]+[B] 适当的实验条件 [LB]
衍生设计出两种方法学
• 1、竞争结合（competitive binding) • 过量的配体与有限量的结合剂发生竞争性
结合反应。 • 2、非竞争结合（non-competitive binding) • 过量的结合剂与有限量的配体，在非竞争
的条件下发生结合反应。
衍生设计出两种方法学
• 1、竞争结合（主要应用：放射免疫分析）
• [L]+ [L*]+[B] [LB] +[L*B]
• 2、非竞争结合
•结合在试管 或包被珠上
• Sp.Ab1+Ag Sp.Ab1.Ag
• Sp.Ab1.Ag +Ab2* Sp.Ab1.Ag.Ab2*+Ab2*
优点
• 慢性淋巴细胞性甲状腺炎： • 早期：T3,T4升高，然后降低，
TSH,TGAB,TPOAB升高。 • 甲状腺肿瘤：TG升高。 • 全身性疾病：心血管疾病、肿瘤等： • T3下降，rT3、TSH升高。
（二）肾上腺疾病
• 皮质醇增多症： • ACTH\COR正常情况下有节律分泌，检测
可以与单纯性肥胖区分。 • 原发性醛固酮增多症：尿游离皮质醇
• 反应误差关系 • 精密度图
• 2、准确度：测的值与其标称值之间的 相符程度。
• 3、灵敏度（sensitivity): • 4、特异性(specificity) • 5、稳定性(stability)
（三）质量评价
• 内部质量控制 • 外部质量控制
三、以配体与受体间结合反应 为基础的分析系统
第二章核分析技术
第三章核分析技术第一节核分析方法概述从功能上说，核分析技术有两大类：元素分析技术和物质结构分析技术元素分析技术主要有：中子活化分析、带电粒子活化分析、X荧光分析、质谱分析物质结构分析技术包括：穆斯堡尔分析、正电子湮没技术等活化分析活化分析通过鉴别和测量试样受中子、光子和其他带电粒子辐照感生的放射性同位素的特征辐射，进行元素和核素分析的核分析方法。
又称放射化分析。
从原理上讲，活化分析是一种绝对分析方法。
1934年英国物理学家J.查德威克和M.戈德哈伯实现了第一次光子活化分析。
1936年匈牙利化学家G.C.de赫维西和H.莱维完成了历史上首次中子活化分析。
1938年美国化学家G.T.西博格和J.J.利文古德进行了第一次带电粒子活化分析。
活化分析的基础是核反应。
用中子、光子或其他带电粒子（如质子等）照射试样，使被测元素转变为放射性同位素。
根据所生成同位素的半衰期以及发出的射线的性质、能量等，以确定该元素是否存在。
测量所生成的放射性同位素的放射性强度或在生成放射性同位素反应过程中发出的射线，可以计算试样中该元素的含量。
按照辐照粒子不同，活化分析可以分为：中子活化分析、带电粒子活化分析、光子活化分析3类。
其中以中子活化分析应用最广。
①中子活化分析。
主要利用的核反应有（nγ）、（n、p）和（n、α），热中子反应几乎都是（n、γ），反应载面一般比较大，而且很少有副反应产生，因此热中子活化分析在中子活化分析中一直占有首要地位。
中子活化分析可以测定原子序数1～83中的77种元素。
②带电粒子活化分析。
利用的核反应有（p，n）、（d，n）、（d，p）、（α，n）、（，p）、（，n )和（，α）等。
带电粒子的射程很短，引起的核反应基本上发生在样品表面，适宜于作表面分析。
带电粒子对元素的反应载面比热中子小，活化反应比较复杂，但优点是能测定用中子活化和光子活化分析无法测定的锂、铍和硼等轻元素。
③光子活化分析。
利用的主要核反应是（γ，n），对于原子序数小的轻元素，核反应（γ，p）也是重要的。
《核分析技术》课件
01
核分析技术概述
核分析技术的定义
01
核分析技术
利用核物理原理，通过测量物质 与辐射相互作用的性质，分析物 质内部结构和成分的技术。
02
核分析技术涉及的 领域
核物理、化学、材料科学、生物 学等。
03
核分析技术的特点
高灵敏度、高精度、非破坏性、 无损检测等。
核分析技术的应用领域
环境监测
利用核分析技术检测空 气、水体、土壤中的有 害物质，评估环境污染
活度平衡法
通过比较不同样品之间的活度来计算样品中的放 射性物质含量。
化学分离与纯化法
通过化学分离和纯化技术将目标放射性物质从样 品中提取出来，再进行定量分析。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
03
核分析技术的分类
原子核谱分析技术
原子发射光谱分析
利用原子在热激发或电激发下，发射 的特征光谱进行元素定性和定量分析 的方法。
重离子活化分析
利用重离子与被测样品中的元素 发生核反应，通过测量活化产物 的特征辐射来推算被测元素含量 的方法。
中子活化分析技术
中子源
中子活化分析需要使用中子源，常用的有反 应堆中子源和加速器中子源。
中子俘获反应
中子与被测样品中的元素发生俘获反应，生 成放射性同位素并释放出能量。
放射性测量
通过测量放射性同位素发出的特征辐射，推 算出被测元素的含量。
在考古学领域的应用
核分析技术用于考古学领域，可以测 定文物年代、鉴定文物真伪以及研究 文物制作工艺。
通过测量文物中放射性元素的衰变， 可以推算出文物的年代，有助于考古 学家更准确地了解历史。
《核分析技术》PPT课件 (2)
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
中子活化分析设备——辐照源
反应堆中子源
反应堆由四个基本部分构成
• 活性区（堆芯）、反射层、屏蔽层和控制系统
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
中子活化分析设备——辐照源
反应堆中子源
在活性区和反射层中都设有许多辐照孔道， 用来放置接受中子 照射的样品 。中子通量 密度可达1012～1014 n. cm-2·s-1；
常用的热中子和14MeV快中子核反应列于 附录表1和表2中，表中也给出了活化截面 值和生成的放射性核素的半衰期。
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
Hale Waihona Puke 第一章 中子活化分析第二节 中子活化分析技术
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
中子活化分析设备——辐照源
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
中子活化分析设备——辐照源
反应堆中子源—— 堆芯
③慢化剂：在热中子反应堆内，慢化剂是重 要的组成之一，它使裂变中子慢化成热中子 。常用的慢化剂分为二大类：固体慢化剂和 液体慢化剂。常用的固体慢化剂有石墨、铍 及氧化铍等，其中石墨是最常用的慢化剂。
慢中子活化是通过(n，γ)俘获反应生成 放射性核素。大多数核的慢中子活化截 面很大，故分析灵敏度高。
第一章 中子活化分析
第二节 中子活化分析技术
常用的中子核反应
快中子活化是通过(n, p)、(n, α)、(n, 2n)、 和(n, n’γ)阈能反应生成放射性核素。
快中子的活化截面比慢中子的活化截面小， 但对轻元素分析具有较高的分析灵敏度。
核分析技术-第二章 带电粒子活化分析
中的阻止本领随能量的变化曲线，按能量划分为许多小区 间，把积分截面中的积分号化成累加号，在截面曲线变化 较为突变的区域，能量间隔分得小一些。
∫EEt0h σ ( E)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
⎛ ⎜⎝
dE dx
⎞⎟⎠dE
⇒
∑ σ ( Ei ) t
⎛ ⎜⎝
dE dx
(
Ei
) ⎞⎟⎠ ∆Ei
(2.28)
•不同核反应的σ(E)不同，要做不同的计算；
自1938年首次用氘束轰击样品用于分析目的以来，带电粒 子活化分析技术有了较大的发展，从p、d、α、3He等重带电粒 子活化发展到重离子活化。它的应用也不断推广，已成为样品 表面层氢元素分析的重要工具。
本章主要讨论带电粒子活化分析，最后也将简单叙述光子 活化分析。
第一节 带电粒子活化分析原理
� 具有一定能量的带电粒子与原子核发生核反应时，如果反应 的剩余核是放射性核素，则测量这放射性核素的半衰期和活 度，就可以确定样品中被分析元素的种类和含量，这种元素 分析方法称为带电粒子活化分析（记为CPAA） 。
E th ⎛ d E ⎞ ⎜⎝ d x ⎟⎠
（2.8）
式中积分上限D*是带电粒子活化的有效路径，当路径超过D* 时，不发生核反应。
� D*与粒子射程R（见图（2.1））的关系为
D * = R ( E 0 ) − R ( E th )
（2.9）
图2.1 带电粒子活化的有效路径示意图
�式中Eth为带电粒子 核反应阈能，或者库 仑势垒，R(E0)和 R(Eth)分别是粒子能 量为和时的射程。 �为方便起见，式 （2.8）中我们仍假 定样品中元素浓度分 布为常数。
二、带电粒子核反应截面和带电粒子能量损失
∫EEt0h σ ( E)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
⎛ ⎜⎝
dE dx
⎞⎟⎠dE
⇒
∑ σ ( Ei ) t
⎛ ⎜⎝
dE dx
(
Ei
) ⎞⎟⎠ ∆Ei
(2.28)
•不同核反应的σ(E)不同，要做不同的计算；
自1938年首次用氘束轰击样品用于分析目的以来，带电粒 子活化分析技术有了较大的发展，从p、d、α、3He等重带电粒 子活化发展到重离子活化。它的应用也不断推广，已成为样品 表面层氢元素分析的重要工具。
本章主要讨论带电粒子活化分析，最后也将简单叙述光子 活化分析。
第一节 带电粒子活化分析原理
� 具有一定能量的带电粒子与原子核发生核反应时，如果反应 的剩余核是放射性核素，则测量这放射性核素的半衰期和活 度，就可以确定样品中被分析元素的种类和含量，这种元素 分析方法称为带电粒子活化分析（记为CPAA） 。
E th ⎛ d E ⎞ ⎜⎝ d x ⎟⎠
（2.8）
式中积分上限D*是带电粒子活化的有效路径，当路径超过D* 时，不发生核反应。
� D*与粒子射程R（见图（2.1））的关系为
D * = R ( E 0 ) − R ( E th )
（2.9）
图2.1 带电粒子活化的有效路径示意图
�式中Eth为带电粒子 核反应阈能，或者库 仑势垒，R(E0)和 R(Eth)分别是粒子能 量为和时的射程。 �为方便起见，式 （2.8）中我们仍假 定样品中元素浓度分 布为常数。
二、带电粒子核反应截面和带电粒子能量损失
核分析原理及技术
(2) 选择性强，对同位素敏感。 (3) 灵敏度高，有天然本底，同一问题可考虑多个反
应道。适当选择反应道可使待测元素产物处于 能谱中无干扰位置，并有强产额，可以实现轻 元素本底探测。 (4) 精度好，很少需要样品处理，减少引进外来元素 的机会。
3. 核反应分析的特点
(5) 对低Z（<20）元素分析特别有效，并可实现一些 轻核的同时分析。
Z1Z2
1
1 (MeV)
Ma 3 MA 3
才能克服库仑位垒
对Q<0的阈反应
Ea
Eth
MA Ma MA
Q
高、中Z值的核库仑势垒大，当入射粒子为MeV量级时
不能发生核反应。且如果发生核反应，其相应的Q值也
很大，往往比入射粒子能量高。因此核反应方法适于分
析重基体中的轻元素杂质。
§3.实验装置与技术
可避免弹性散射的干扰。
2. 入射离子能量选择
高截面的能量可以获得较高的灵敏度，但 还要考虑尽可能减少干扰反应。
非共振反应尽量选择激发曲线的坪区。共 振核反应分析要选择共振能量。
例： 在有C、O存在的情况下测Cu-Ni合金上的 薄S层
选用32S(d, p)33S反应，Q＝6.419MeV，比C和O 的(d, p)反应Q值高很多，避免了C、O的干扰。 Ed=4MeV时，d与Cu、Ni反应的产生质子峰很强， 从而测不到与S反应产生的质子。 Ed=2MeV时，由于Cu、Ni的库仑位垒较高，这时 d与Cu、Ni反应产生的质子很少，与S反应产生的 质子变得容易测量。
Ina Reiche， et al. NIM B 249 (2006) 608–611 ERDA
本章结束
3. 探测几何选择
• 调整可以使反应微分截面最大。 • 调整可以使欲分析的粒子位于能谱中无干扰范围内。
应道。适当选择反应道可使待测元素产物处于 能谱中无干扰位置，并有强产额，可以实现轻 元素本底探测。 (4) 精度好，很少需要样品处理，减少引进外来元素 的机会。
3. 核反应分析的特点
(5) 对低Z（<20）元素分析特别有效，并可实现一些 轻核的同时分析。
Z1Z2
1
1 (MeV)
Ma 3 MA 3
才能克服库仑位垒
对Q<0的阈反应
Ea
Eth
MA Ma MA
Q
高、中Z值的核库仑势垒大，当入射粒子为MeV量级时
不能发生核反应。且如果发生核反应，其相应的Q值也
很大，往往比入射粒子能量高。因此核反应方法适于分
析重基体中的轻元素杂质。
§3.实验装置与技术
可避免弹性散射的干扰。
2. 入射离子能量选择
高截面的能量可以获得较高的灵敏度，但 还要考虑尽可能减少干扰反应。
非共振反应尽量选择激发曲线的坪区。共 振核反应分析要选择共振能量。
例： 在有C、O存在的情况下测Cu-Ni合金上的 薄S层
选用32S(d, p)33S反应，Q＝6.419MeV，比C和O 的(d, p)反应Q值高很多，避免了C、O的干扰。 Ed=4MeV时，d与Cu、Ni反应的产生质子峰很强， 从而测不到与S反应产生的质子。 Ed=2MeV时，由于Cu、Ni的库仑位垒较高，这时 d与Cu、Ni反应产生的质子很少，与S反应产生的 质子变得容易测量。
Ina Reiche， et al. NIM B 249 (2006) 608–611 ERDA
本章结束
3. 探测几何选择
• 调整可以使反应微分截面最大。 • 调整可以使欲分析的粒子位于能谱中无干扰范围内。
核分析技术
中子活化分析原理
A t ' = N (1 e
In 2 t T1/2
)e
In 2 ' t T 1/2
若靶核的丰度为������ m0 这种靶元素的摩尔 , 靶元素的质量为 N A , 整理可得到样品中这种靶 质量为M , 阿伏加德罗常量为 核的数目为
N A m0 N M
最后得到中子活化分析理论方程式:
N A m0 A t' = (1 e M
In 2 t T1/2
)e
In 2 ' t T1/2
中子活化分析原理
由于实际实验中探测器的效率不可能为100% , 设为������ 实际活化方程式为
N A m0 A t' = (1 e M
In 2 t T1/2
,则
)e
In 2 ' t T1/2
• 中子活化分析设备—γ能谱探测系统
– 结构
高压电 源 探 测 器 低压电 源
前置 电路
主 放大 器
多道 脉冲 幅度 分析 器
接口
微计 算机 系统
• 中子活化分析设备—γ能谱探测系统
中子活化技术的应用趣例
1） 恐龙灭绝原因 2） 破解拿破伦死亡之谜 3） 破解牛顿死亡之谜 4） 秦兵马俑“产地” 之谜 5） 第一起使用中子活化分析侦破的案例 6） 古老照片的复活：
、 由上式可知, 在测量中必须知道 、 B 、、M、t、 t ' 等物理量, 才能求出在样品中待测元素A 的质量 m0 , 这就是 中子活化分析的绝对分析法。
由于绝对分析法必须很准确地知道上述各种核参数, 而准确 等非常困难,所以在实际分析测量 测定这些核参数, 如 、 中很少采用, 而是采取相对分析法, 即事先配制含有已知质量 的标准样品 m标 , 与待测样品在相同条件下活化和测量, 由此 可得：
《核分析技术》课件
核分析技术的应用领域
核分析技术在环境监测、医学影像和工业生产等领域具有广泛的应用。
二、基本原理
1
核分析技术的物理原理
核分析技术利用核辐射与物质相互作用的特性，通过测量辐射与物质相互作用后的特征来分 析物质的成分和性质。
2
核分析技术的两种主要方法
核分析技术主要包括中子活化分析和伽马射线谱分析，每种方法都有其适用的场景和特点。
3
核分析技术的挑战及解决方案
核分析技术面临着安全性、设备更新和数据处理等方面的挑战，通过加强安全措 施和技术创新来解决。
五、总结
核分析技术的优点和缺 点
核分析技术具有高灵敏度、 多元分析等优点，但也存在 设备昂贵、操作复杂的缺点。
核分析技术的应用前景 及展望
核分析技术将在各个领域继 续发展，带来更多创新应用 和价值。
《核分析技术》PPT课件
欢迎来到《核分析技术》的PPT课件！在这个课程中，我们将探索核分析技 术的基本原理、应用领域以及未来发展前景。
一、介绍
什么是核分析技术？
核分析技术是一种利用核辐射与物质相互作用的方法，用于分析材料的成分和性质。
核分析技术的起源和发展历程
核分析技术最早起源于20世纪40年代，经过不断发展，已成为现代科学和工业的重要组成 部分。
核分析技术的启示和思 考
核分析技术的发展为我们提 供了了解物质本质和改善生 活的思路，鼓励我们更深入 地探索科学和技术。
核分析技术在工业生产中 的应用
核分析技术可用于工业生产过程 中的质量控制和材料分析，提高 产品质量和生产效率。
四、核分析技术的发展前景
1
核分析技术的未来发展方向
核分析技术将进一步发展新的分析方法和技术，提高分析效率和准确性，以满足 不断变化的需求。
核分析技术在环境监测、医学影像和工业生产等领域具有广泛的应用。
二、基本原理
1
核分析技术的物理原理
核分析技术利用核辐射与物质相互作用的特性，通过测量辐射与物质相互作用后的特征来分 析物质的成分和性质。
2
核分析技术的两种主要方法
核分析技术主要包括中子活化分析和伽马射线谱分析，每种方法都有其适用的场景和特点。
3
核分析技术的挑战及解决方案
核分析技术面临着安全性、设备更新和数据处理等方面的挑战，通过加强安全措 施和技术创新来解决。
五、总结
核分析技术的优点和缺 点
核分析技术具有高灵敏度、 多元分析等优点，但也存在 设备昂贵、操作复杂的缺点。
核分析技术的应用前景 及展望
核分析技术将在各个领域继 续发展，带来更多创新应用 和价值。
《核分析技术》PPT课件
欢迎来到《核分析技术》的PPT课件！在这个课程中，我们将探索核分析技 术的基本原理、应用领域以及未来发展前景。
一、介绍
什么是核分析技术？
核分析技术是一种利用核辐射与物质相互作用的方法，用于分析材料的成分和性质。
核分析技术的起源和发展历程
核分析技术最早起源于20世纪40年代，经过不断发展，已成为现代科学和工业的重要组成 部分。
核分析技术的启示和思 考
核分析技术的发展为我们提 供了了解物质本质和改善生 活的思路，鼓励我们更深入 地探索科学和技术。
核分析技术在工业生产中 的应用
核分析技术可用于工业生产过程 中的质量控制和材料分析，提高 产品质量和生产效率。
四、核分析技术的发展前景
1
核分析技术的未来发展方向
核分析技术将进一步发展新的分析方法和技术，提高分析效率和准确性，以满足 不断变化的需求。
核磁共振分析的基本原理、结构和实验技术
核磁共振分析的基本原理 、结构和实验技术
目录
7.1 核磁共振分析的历史及现状 7.2 核磁共振分析的基本原理 7.3 核磁共振仪器结构及组成 7.4 核磁共振分析的实验技术 7.5 核磁共振分析在材料研究领域的应用
00
7.1 核磁共振分析的历史及现状
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（1）核磁共振现象的发现
OCH3 CH3O Si OCH3
OCH3
四甲基硅烷
20
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
各峰的化学位移
Pd-diimine 催化剂的 1HNMR 谱图
四甲基硅 烷基准峰
化学位移单位：ppm 21
7.2.6 核磁共振基本参数
（2）自旋偶合和自旋分裂
H0
H‘ H‘
H=H0-2H’
H0
H‘ H‘
作用下将产生同方向的
核外非球形对 称电子云
感应磁场，使磁核所受 实际磁场强度高于外加 磁场强度H0。
17
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
H0
各种感应磁场 H0‘
原子核处于 特定分子环境中
远磁屏蔽效应： 除了磁核自身的核外电 子云外，远处各类原子 或基团的成键电子云也 将产生感应磁场，使磁 核所受磁场强度高于或 低于外加磁场H0。
30
7.3.3 仪器实例介绍
德国布鲁克（Bruker）公司
31
7.3.3 仪器实例介绍
视频资料介绍：
图7 SampleXpressTM 核磁共振仪
SampleXpress TM是布鲁克公司 最新产品之一。 可以采用各种长 度的样品管 （100-190 mm）, 其最高 频率达800M。
目录
7.1 核磁共振分析的历史及现状 7.2 核磁共振分析的基本原理 7.3 核磁共振仪器结构及组成 7.4 核磁共振分析的实验技术 7.5 核磁共振分析在材料研究领域的应用
00
7.1 核磁共振分析的历史及现状
7.1.1 核磁共振技术的发展历程
（1）核磁共振现象的发现
OCH3 CH3O Si OCH3
OCH3
四甲基硅烷
20
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
各峰的化学位移
Pd-diimine 催化剂的 1HNMR 谱图
四甲基硅 烷基准峰
化学位移单位：ppm 21
7.2.6 核磁共振基本参数
（2）自旋偶合和自旋分裂
H0
H‘ H‘
H=H0-2H’
H0
H‘ H‘
作用下将产生同方向的
核外非球形对 称电子云
感应磁场，使磁核所受 实际磁场强度高于外加 磁场强度H0。
17
7.2.6 核磁共振基本参数
（1）化学位移
H0
各种感应磁场 H0‘
原子核处于 特定分子环境中
远磁屏蔽效应： 除了磁核自身的核外电 子云外，远处各类原子 或基团的成键电子云也 将产生感应磁场，使磁 核所受磁场强度高于或 低于外加磁场H0。
30
7.3.3 仪器实例介绍
德国布鲁克（Bruker）公司
31
7.3.3 仪器实例介绍
视频资料介绍：
图7 SampleXpressTM 核磁共振仪
SampleXpress TM是布鲁克公司 最新产品之一。 可以采用各种长 度的样品管 （100-190 mm）, 其最高 频率达800M。
核分析讲义技术2
E thd/E dx
理论计算与实验结果表明，对不同的靶材料Z2=4~57, 平均截面 变化仅为3%，可认为与靶材料性质无关。
第二章 带电粒子活化分析
基本原理公式
束流强度恒定，即放射性核的产生率不 变，则与中子活化分析原理类似有：
dN PN
dt
N P(1et )
第二章 带电粒子活化分析
辐照样品的放射性核数目
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
1）薄样品分析 在薄样品内，元素的浓度分布可看作为常数
，即C(X)=C0。 则反应产生率为：
p (t)C I(t) D
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
C [atoms/cm3]
I ( t ) : 束流强度 S-1 C ( x ) : 单位体积内的原子数cm-3 ( E ) : 截面 cm-2 D : 样品厚度 cm
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
入射粒子和靶发生核反应的条件
入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的 相对动能必须满足：
E1.44Z1Z2 (Me)V r
r相互作用半径， 费单 米位 f（ m） 为
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
带电粒子引起的核反应表达式
x X x'X'Q 其中：x、X、x、 ' X'分别代表入射粒子、
N 1 C I( 1 e ti)e (t1 t0 )1 e (t2 t1 ) D * 0
第二章 带电粒子活化分析
测量方法
含量测定方法可分为绝对测定和相对测 定两种。
1）绝对测量
利用上述公式，并求出或测量出入射粒子的 总数（即束流强度）、探测器的立体角、反 应截面和探测效率等量。因此，绝对测量结 果精度不高，而且计算繁琐。
理论计算与实验结果表明，对不同的靶材料Z2=4~57, 平均截面 变化仅为3%，可认为与靶材料性质无关。
第二章 带电粒子活化分析
基本原理公式
束流强度恒定，即放射性核的产生率不 变，则与中子活化分析原理类似有：
dN PN
dt
N P(1et )
第二章 带电粒子活化分析
辐照样品的放射性核数目
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
1）薄样品分析 在薄样品内，元素的浓度分布可看作为常数
，即C(X)=C0。 则反应产生率为：
p (t)C I(t) D
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
C [atoms/cm3]
I ( t ) : 束流强度 S-1 C ( x ) : 单位体积内的原子数cm-3 ( E ) : 截面 cm-2 D : 样品厚度 cm
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
入射粒子和靶发生核反应的条件
入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的 相对动能必须满足：
E1.44Z1Z2 (Me)V r
r相互作用半径， 费单 米位 f（ m） 为
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
带电粒子引起的核反应表达式
x X x'X'Q 其中：x、X、x、 ' X'分别代表入射粒子、
N 1 C I( 1 e ti)e (t1 t0 )1 e (t2 t1 ) D * 0
第二章 带电粒子活化分析
测量方法
含量测定方法可分为绝对测定和相对测 定两种。
1）绝对测量
利用上述公式，并求出或测量出入射粒子的 总数（即束流强度）、探测器的立体角、反 应截面和探测效率等量。因此，绝对测量结 果精度不高，而且计算繁琐。
核分析技术与方法
非破坏性分析（Non-destructive analysis，NDA ） 由于铀、钚是核武器的核心材料，是核保障的主要对象，
所以发展铀、钚材料的非破坏性辐射探测与分析技术是极为 重要的，不仅可以获得铀、钚材料的同位素丰度、化学组分 等化学信息，同时还可以获得铀、钚材料的质量、年龄、形 状、包装容器材料厚度、核设施内部污染分布状况等物理信 息。
四、 X射线荧光光谱法的特点
分析的元素范围广，从原子序数为11的Na到92 的U均可测定。 荧光X射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离， 分析方法比较简便。
分析浓度范围较宽，从常量到微量都可分析。重 元素的检测限可达1ppm。 可用于样品的无损分析，且快速、准确、自动化 程度高。
第三节 中子活化分析技术
产生K系和L系辐射示意图
莫斯莱定律
莫斯莱（H G Moseley）发现，荧光X射线的波长λ 与元素的原子序数Z满足
λ=k(Z-s)-2 式中 k和s对同组谱线来说是常数
荧光X射线的能量为： E = hν = hC/λ
只要测出荧光X射线的波长或者能量，就可以确定 元素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光X 射线的强度即可进行元素的定量分析。
中子衍射（Neutron diffraction）； 中子散射（Neutron scattering）；
活化分析技术 （Activation analysis）
带电粒子活化； γ 射线活化； 中子活化 。
核分析技术特点
灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性、具备多元素 分析能力、能实施离线和在线测量。
NDA技术对核安全保障、军控核查、核设施退役和核污 染物处置等方面起到了积极的支撑作用。
核分析技术应用
物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的 各种实体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、 产地确定、制作工艺水平分析等。
所以发展铀、钚材料的非破坏性辐射探测与分析技术是极为 重要的，不仅可以获得铀、钚材料的同位素丰度、化学组分 等化学信息，同时还可以获得铀、钚材料的质量、年龄、形 状、包装容器材料厚度、核设施内部污染分布状况等物理信 息。
四、 X射线荧光光谱法的特点
分析的元素范围广，从原子序数为11的Na到92 的U均可测定。 荧光X射线谱线简单，相互干扰少，样品不必分离， 分析方法比较简便。
分析浓度范围较宽，从常量到微量都可分析。重 元素的检测限可达1ppm。 可用于样品的无损分析，且快速、准确、自动化 程度高。
第三节 中子活化分析技术
产生K系和L系辐射示意图
莫斯莱定律
莫斯莱（H G Moseley）发现，荧光X射线的波长λ 与元素的原子序数Z满足
λ=k(Z-s)-2 式中 k和s对同组谱线来说是常数
荧光X射线的能量为： E = hν = hC/λ
只要测出荧光X射线的波长或者能量，就可以确定 元素的种类，即进行元素的定性分析。测出荧光X 射线的强度即可进行元素的定量分析。
中子衍射（Neutron diffraction）； 中子散射（Neutron scattering）；
活化分析技术 （Activation analysis）
带电粒子活化； γ 射线活化； 中子活化 。
核分析技术特点
灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性、具备多元素 分析能力、能实施离线和在线测量。
NDA技术对核安全保障、军控核查、核设施退役和核污 染物处置等方面起到了积极的支撑作用。
核分析技术应用
物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的 各种实体与物质的分析，如文物鉴定、年代测定、 产地确定、制作工艺水平分析等。
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核分析原理及技术第二章
19
例如，对Si中的As元素，可以估算出： 绝对灵敏度 (N t)A s1.81013cm 2 相对灵敏度 NAs 1.8104 N
一般RBS分析的相对灵敏度在10-3~10-5之间。
核分析原理及技术第二章
20
影响灵敏度的几个因素：
(Nt)min
4 3 2
1
45 90 135 180
K factor vs. sc核分a析t原te理r及i技n术g第二a章ngle
6
如果有两种靶元素A和B，相应的背散射粒子动
能分别为E1A和E1B，则有
E1A K A E1B K B
意味着什么？
在特定条件下，各元素的K因子是一定的， 若A是已知元素，在其它条件相同的情况下， 由E1A/E1B的值就可以推知B是什么元素。这 正是背散射元素分析的依据。
核分析原理及技术第二章
10
四、微分散射截面，探测灵敏度及 定量分析
1. 微分散射截面
卢瑟福公式
(d d )ion(Z1 4Z E 20e2)2si44n{1[([1 m m 1 2(sm i1ns)2i]n 12 )2]1 c2o}s2
m2
核分析原理及技术第二章
11
若入射粒子能量E0以MeV为单位，则
1. 两体弹性碰撞的运动学因子K;
2. 微分散射截面； 3. 阻止截面；
4. 能量歧离E。
核分析原理及技术第二章
3
三、运动学因子K，质量分辨， 及元素分析
1 靶
<90
>90
K E1 E0
核分析原理及技术第二章
4
根据动量和能量守恒定律，可以得到
K(m1cos m22m12sin2)2
500keV H+
E =5keV
100
H
1MeV
2MeV
E =16keV
10
m (amu) 2
1
0.1 1
Li C O Al
10
m (amu) 2
Ni As Ag Au 100
不同入射能量的背散射粒子对不同核素的质量分辨
核分析原理及技术第二章
9
几点结论：
入射粒子越重，质量分辨越好； 入射粒子能量越高，质量分辨越好； E1越小，质量分辨越好； 探测角越接近180，质量分辨越好； 靶核越轻，质量分辨越好。
从基体原子核 从杂质原子核
YSSQ(N)S t
YDD Q (N)D t
(N)tD
YDS YS D
(N)tS
核分析原理及技术第二章
17
微分散射截面带入，得
(N)tD
(ZS)2 ZD
YD
SQ
理论上探测到杂质存在的极限情况是YD至 少为1。因此绝对灵敏度的理论极限为
(N)tDmin (ZZD S)2S1Q
第二章 卢瑟福背散射分析
Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS)
§1. 原理
一、卢瑟福散射
Winner of the Nobel Prize in Chemistry 1908
Alpha particles come from point R, hit foil F and collected on a ZnS phosphor at S
d
。
1 dd d
Y可以写成
YQ(N)t
这就是用背散射进行定量分析的依据。
核分析原理及技术第二章
15
3. 探测灵敏度
能探测到的最小含量（绝对灵敏度）或 最小比含量（相对灵敏度）。
从产额公式得
(Nt)min
Ymin
Q
凡是影响散射截面的因素都会影响探测 灵敏度！
核分析原理及技术第二章
16
对含有少量杂质的薄膜样品，我们常 关心分析的绝对灵敏度。
m1m2
若令R = m2/m1， 则有
推导!
K(cos R2si2n)2
1R
= 90o
K R 1 R 1
= 180o
K (R1)2 R 1
核分析原理及技术第二章
5
不同R下K因子随散射角的变化
K
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0
R=m /m =100 21 40 20 14 9 6
核分析原理及技术第二章
7
2. 质量分辨
把K因子对m2进行微分，得到在近180o背 散射时，能够分辨的最小质量差为
m2
(m1m2)3 E1 4m1(m2m1) E0
E1包括加速器束流能散、探测器能量分辨和能量歧离
m1<<m2时
m2 m m212
4(1)2
E1 E0
核分析原理及技术第二章
8
100keV H+
核分析原理及技术第二章
18
对于入射粒子为Mev能量的粒子和一
般可接受的Q量可以用下面的经验公式来估 计背散射分析的绝对灵敏度
(N)tDmin (ZZD S)21014 (cm-2)
对于块状材料，我们常关心相对灵敏度， 既在所分析的层厚内，可能分析出的杂质的 最低比含量。相对灵敏度的经验公式为
ND ( ZS )2 103 N ZD
1MeV的粒子，
d d
约在几~几十barn/Sr。
核分析原理及技术第二章
12
微分散射截面只与散射角有关，而与方位
角无关，故散射粒子的分布是轴对称的。
200
d/d (barn/sr)
150 100
50
2MeV
Au Ag As Si
当m1<<m2时，它
正比于sin-4(/2)
即散射产额随散 射角的增加而迅 速减小，因而弹 性散射基本上是 前向的.
0
0
30 60 90 120 150 180
核分析原理及技术第二章
13
2. 定量分析
探测器对靶心(束 斑点)张开立体角
，则探测器接
收到的散射粒子 数(产额)为
YQ(N)tdd d
Q为入射粒子数， (Nt)为靶核面密度
核分析原理及技术第二章
14
一般很小（10-2Sr），所以常用平均
微分截面
来代替 d
{1[(m1sin)2]12co}s2
(d d )ion5.17(Z5E 1Z 02)2
m2
si4n[1(m1sin)2]12
m2
当m1<<m2时，可将其按m1/m2展开，得
(d d )ion 1.29 (ZE 1 6 Z 02)2[si1 4n 2(m m 1 2)2]
2
1mb=10-3barn，1barn=10-28m2=10-24cm2
核分析原理及技术第二章
1
荷电粒子，如p，d，……等打到靶上，受靶 原子核的库仑力作用而受散射，叫卢瑟福散射。
入射束 背向散射
前向散射 靶
<90
>90
散射方向与入射方向
的夹角为散射角 90，为前向散射 90，为背向散射
RBS能分析什么？
Why RBS?
核分析原理及技术第二章
2
卢瑟福散射中四个重要的物理量