X射線熒光（XRF）：理解特征X射線
什么是XRF？
X射線熒光定義：由高能X射線或伽馬射線轟擊激發(fā)材料所發(fā)出次級（或熒光）X射線。這種現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于元素分析。
XRF如何工作？
當(dāng)高能光子（X射線或伽馬射線）被原子吸收，內(nèi)層電子被激發(fā)出來，變成“光電子”，形成空穴，原子處于激發(fā)態(tài)。外層電子向內(nèi)層躍遷，發(fā)射出能量等于兩級能量差的光子。由于每個(gè)元素都有一組獨(dú)特的能級，所以每個(gè)元素都會發(fā)出一組元素特有的X射線，稱為“特征X射線”。X射線強(qiáng)度隨相應(yīng)元素的濃度增加而增加。
理解特征X射線
當(dāng)元素的電子在原子能級之間發(fā)生躍遷時(shí)，就會發(fā)出特征X射線。如果一個(gè)電子從能量Ei能級躍遷到Ej能級，發(fā)出的X射線能量Ex=Ei-Ej。因?yàn)槊總€(gè)元素都有一組獨(dú)特的原子能級，所以發(fā)射出的X射線就是這個(gè)元素的特征X射線。
上圖是一個(gè)原子的草圖，顯示了不同的原子層級，分別是K，L，M，N……這些特征X射線就是在層級之間躍遷產(chǎn)生的。圖中顯示這些線的命名方式：當(dāng)從外層躍遷到K層，則是K線特征X射線，以此類推。
上圖顯示Pb的特征X射線。K層電子結(jié)合能是88.04keV。Kβ線相當(dāng)于從M躍遷，能量85和87keV。Kα從L線躍遷，能量72和75keV，L線是躍遷到L層，能量10到15keV。M線是躍遷到M層，能量大概是2.5keV。
上圖是類似的譜圖，使用Ag測量譜圖。Ag的原子序數(shù)較低，K層能量只有25.5keV。使用低得多得能量激發(fā)。下圖顯示相同數(shù)據(jù)，但范圍擴(kuò)大了。注意Pb的Kα1和Kα2很明顯，但Ag不同。這些峰主要原子亞殼層分裂，即自旋軌道耦合，這對較重的原子更為重要。
XRF定量分析
特征X射線的強(qiáng)度與樣品中元素的濃度有關(guān)，但這種關(guān)系并不簡單。單個(gè)激發(fā)線的測量強(qiáng)度，比如說Cu的Kα峰，取決于能量譜圖，入射X射線強(qiáng)度，X射線探測器效率，以及激發(fā)源和樣品之間的幾何結(jié)構(gòu)。同樣也取決于樣品中其他元素分布。黃銅中一些Zn的Kα X射線會與Cu原子相互作用，增強(qiáng)Cu線，降低Zn線。這就是基體效應(yīng)。
定量分析軟件，比如AMPTEK的XRS-FP2軟件可以解決這些效應(yīng)。分析頻譜主要有三個(gè)主要步驟。第一，必須確定每個(gè)峰的強(qiáng)度，也就是總計(jì)數(shù)，也稱每個(gè)峰的凈面積。這需要扣除背景，校正逃逸峰和其他損失的峰，分離重疊峰。第二，必須校正探測器及其窗口的靈敏度、幾何效應(yīng)和激發(fā)光譜。第三，必須校正基體效應(yīng)。
簡單的分析可能不需要完整的分析軟件。比如只需關(guān)心黃銅中Pb的含量，而黃銅中Cu和Zn的含量幾乎是固定的，Pb的濃度沒有太多的變化，那么可以使用幾個(gè)校準(zhǔn)樣品，得到Pb峰凈面積強(qiáng)度與濃度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。但是對于不太理想的測量條件，需要進(jìn)行更復(fù)雜的分析。
