Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Методы контроля и анализа веществ : рентгеновские методы анализа

Покупка
Артикул: 754306.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
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».
Сальников, В. Д. Методы контроля и анализа веществ : рентгеновские методы анализа : лабораторный практикум / В. Д. Сальников, В. А. Филичкина, И. В. Муравьева. - Москва : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2017. - 33 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1245298 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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 

Москва 2017 

№ 3099 

УДК 543.52 
 
С16 

Р е ц е н з е н т  
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 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение в аналитическую спектроскопию 
4 
Техника безопасности при выполнении лабораторных работ 
6 
Методические рекомендации по выполнению 
лабораторных работ 
7 
Лабораторная работа 1. Рентгеноспектральное 
определение марганца в цветном сплаве 
8 
Лабораторная работа 2. Рентгенофазовый анализ 
образцов неизвестного состава 
16 
Глоссарий 
25 
Список использованных источников 
30 
Приложение А. Кристаллы-анализаторы и их характеристики 
31 
Приложение Б. Информационная карта (PDF Card Format) 
32 
 

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 
потока дискретных частиц энергии, называемых фотонами, или квантами. 
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 
разных единицах: в ангстремах (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. 

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. 
 

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 
соответствующими инструкциями по его 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. 
 

Методические рекомендации по выполнению 
лабораторных работ 

Перед выполнением лабораторной работы необходимо: 
- ознакомиться с теоретическими основами метода и аппаратурой; 
- 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 проделанной работе, 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 
и материалов; 
- 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. 

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 
перехода энергия) веществ в диапазоне длин 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 характеристик определить состав пробы (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+)* + 
фото
e
. 

а – непрерывный спектр тормозного излучения; 
б – непрерывный спектр и характеристические линии (пики) 

Рисунок 1 – Рентгеновские спектры 

Образовавшийся ион из возбужденного (А+)* состояния 
релаксирует, а избыточная энергия может выделиться в виде 
рентгеновского кванта: 
 
(А+)* → А+ + hνрентген. 
Интенсивность регенерированного излучения hνрентген является 
аналитическим сигналом элемента. 
В результате электронных переходов, заполняющих вакансии 
на K-уровне, образуется K-серия рентгеновского характеристического 
спектра (рисунок 2). При заполнении вакансий на L-уровне образуется 
L-серия спектра и т.д. 
Положение 
линий 
в 
характеристическом 
рентгеновском 
спектре может быть рассчитано по закону Мозли: 

 



2
2
2
1
2

1
1
ν
Z
σ
,
R
n
n










  

где ν  = 1/λ – волновое число (λ – длина волны); 
R – константа Ридберга (связанная с массой покоя и 
зарядом электрона); 
Z – атомный (порядковый номер элемента); 
σ – константа экранирования; 
n1 и n2 – главные квантовые числа, соответствующие 
начальному и конечному энергетическим состояниям. 

Рисунок 2 – Основные электронные переходы 
рентгеновского излучения  

Из закона Мозли следует, что в первом приближении волновые 
числа рентгеновских линий пропорциональны квадрату атомного 
номера 
элемента 
(Z). 
Рентгеновский 
спектральный 
анализ 
классифицируют по способу возбуждения характеристического 
излучения: 
1) рентгенофлуоресцентный 
анализ 
(РФА) 
– 
возбуждение 
рентгеновского 
характеристического 
излучения 
осуществляют 
рентгеновским 
излучением 
от 
спектрального 
источника 
– 
рентгеновской трубки, ускорителя заряженных частиц (синхротронное 
излучение) и т.д.; 
2) рентгенорадиометрический анализ (РРА) – возбуждение 
осуществляют с помощью излучения радиоактивных изотопов. 
Используют разные типы приборов, которые различаются областью 
применения: лабораторные, цеховые, полевые и др.; 
3) рентгеноспектральный анализ по первичным спектрам – 
возбуждение характеристического излучения в пробе осуществляют 
с помощью пучков заряженных частиц соответствующей энергии 
(электроны, позитроны, ионы). 

Рассмотрим разложение рентгеновского излучения в спектр и 
его регистрацию. Используют два принципа разложения (или 
дисперсии) генерированного рентгеновского излучения в спектр – 
волновую и энергетическую дисперсию. Для осуществления 
волновой дисперсии применяют рентгеновские спектрометры, в 
состав которых входят кристаллы-анализаторы с подходящими 
межплоскостными расстояниями, упруго рассеивающие рентгеновское 
излучение под определенным углом, если выполняется закон Вульфа–
Брэгга1 (см. разд. 3 лабораторной работы 2): 

 
nλ = 2dsinθ, 

где λ – длина волны монохроматического рентгеновского 
излучения, Å; 
n = 1, 2, 3, … – порядок отражения, для простоты расчетов 
его принимают равным 1; 
d – межплоскостное расстояние в отражающем кристалле, Å; 
θ – угол (Брэгга) между падающим лучом и атомными 
плоскостями отражающего кристалла. 

С помощью набора кристаллов-анализаторов с разными d 
можно определить nλ генерированного рентгеновского излучения в 
широком спектральном диапазоне. Примеры некоторых кристаллованализаторов, полученных из природных материалов (кварц, 
мусковит) или синтезированных искусственно, и область их 
применения приведены в приложении А. 
В качестве детекторов в спектрометрах с волновой дисперсией 
используют главным образом пропорциональные и сцинтилляционные 
счетчики. 
Для осуществления энергетической дисперсии используют 
либо специальные электронные дискриминаторы в сочетании с 
детекторами 
волновой 
дисперсии, 
либо 
полупроводниковые 
детекторы. Полупроводниковый детектор служит одновременно 
анализатором и детектором рентгеновских квантов.  
Для проведения рентгеноспектрального анализа необходимо 
правильно подготовить анализируемые пробы и образцы сравнения. 

___________ 
1 Выведено в 1913 г. независимо У.Л. Брэггом и Г.В. Вульфом. Сэр Уильям 
Лоренс Брэгг (англ. Sir William Lawrence Bragg, 31 марта 1890 – 1 июля 1971) – 
австралийский физик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1915 г. Георгий 
(Юрий) Викторович Вульф (1863–1925) – российский ученый-кристаллограф, членкорреспондент Российской академии наук (1921). 

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину