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
Description: