Тема 4. Электронноспектроскопические методы

Если для возбуждения оптических спектров от электронной оболочки достаточно энергии газового пламени или электрического разряда, то для возбуждения электронных переходов вблизи ядра требуется гораздо больший уровень энергии, которая может быть подведена в форме электронных и рентгеновских лучей.

Среди методов электронной спектроскопии, основанных на анализе вторичных электронов, наибольшее применение находит Оже-спектроскопический метод. Сущность метода можно объяснить следующим образом. Первичный электронный поток диаметром 1-2 мкм, направляемый на поверхность контролируемого объекта, передает в процессе соударения в большей или меньшей степени свою кинетическую энергию электронам. Электрон покидает свой атом, и, переходя в зону проводимости, оставляет вакансию. Если энергия, выделяемая при переходе другого электрона с выше стоящего уровня на ниже стоящий туда, где образовалась вакансия, будет не достаточна для образования кванта электромагнитного излучения рентгеновского диапазона, но достаточна для его эмиссии (т.е. перевода его в зону проводимости и образования вторичного электрона), то такой безизлучательный электронный переход (когда в атоме образуются две вакансии) называют Оже-процессом. Образующиеся в этом случае вторичные электроны называют Оже-электронами. Они легко регистрируются и поддаются счету.

Оже-спектроскопические исследования проводят с использованием Оже-спектрометров, включающих электронную пушку, энергоанализатор, оптический микроскоп и электронно-лучевую трубку, подобную телевизионной трубке. Энергоанализатор (анализатор Оже-электронов) позволяет различить Оже-электроны по балансу их кинетической энергии с помощью энергетического фильтра (набор диафрагм, рассчитанных на узкие интервалы энергий Оже-электронов), который собирает и разделяет электроны. Кинетическая энергия Оже-электронов является характеристикой данного типа анализируемых атомов. Получив информацию о спектре Оже-электронов на энергетической спектрограмме, можно определить, какому химическому элементу они соответствуют. Изменяя угол наклона микроучастков поверхности исследуемого объекта (до 90⁰), можно вызвать резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов.

В настоящее время распространение получили сканирующие Оже-спектрометры, использующие электронный сканирующий (растровый) микроскоп. Электронный луч очень малого диаметра 1-2 нм (электронный микрозонд) передвигается в двух перпендикулярных направлениях в пределах некоторой площадки исследуемого объекта. Визуализация его поверхности осуществляется с помощью детектора отраженных первичных электронов, с которого сигнал подается на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). Отклонение электронного луча на экране трубки синхронизировано со сканированием объекта исследования электронным микрозондом.

Особенности Оже-спектроскопического метода обусловлены тем, что анализу подвергается тонкий слой поверхности объекта исследования, определяемый длиной свободного пробега электронов (0,5-2 нм) и сопоставимый с периодом кристаллической решетки. К особенностям Оже-спектроскопического метода следует отнести возможность контроля и анализа состава поверхностной оксидной пленки, так как каждому оксиду соответствует свой энергетический спектр Оже-электронов.

Исследования проводят в сверхвакуумных камерах (10^-6 Па), так как глубина выхода Оже-электронов мала и любые загрязнения, в том числе и адсорбированные из остаточной атмосферы камеры частицы, приводят к сильному искажению результатов. Поэтому высокую чувствительность метода обеспечивают тщательной подготовкой поверхности.

Контрольные вопросы. Темы 1 –3

1. Что такое вещество? Как разделяют материалы? Приведите отличительные признаки и количественные особенности металлических материалов. На примере стали объясните ее химический состав, структуру и механические свойства.

2. Как разделяют методы исследования химического состава вещества? Приведите основные технические характеристики методов контроля и анализа вещества. Как оценивают основные технические характеристики методов контроля и анализа вещества.

3. Объясните сущность и особенности химических методов контроля и анализа вещества. Приведите схему классификации химических методов.

4. Объясните сущность капельного метода. На примере стали объясните особенности капельного метода. Приведите преимущества и недостатки капельного метода.

5. Объясните сущность весового метода. На примере объясните методику определения содержания химического элемента в пробе весовым методом. Приведите преимущества и недостатки весового метода.

6. Объясните сущность и приведите схему объемного метода. На примере объясните методику определения содержания химического элемента в пробе объемным методом. Приведите преимущества и недостатки объемного метода.

7. Объясните сущность физико-химических методов контроля и анализа вещества. Объясните сущность фотометрического метода. Приведите и объясните схему фотометрического метода. Приведите и объясните методы и аппаратуру фотометрического метода

8. Что такое градуировочный график? Приведите и объясните два вида градуировочных графика. Как определяют чувствительность метода? Как по графику определяют концентрацию химического элемента фотометрическим методом? Как определяют концентрацию без градуировочного графика?

9. Объясните сущность газового анализа. Какие газы определяют в газовом анализе? В какой форме газы присутствуют в металле? Приведите стадии газового анализа. Объясните методы восстановительного плавления газового анализа. Приведите химические реакции и объясните особенности экстракции газов.

10. Какие из методов газового анализа получили наибольшее применение в аналитической практике? Объясните сущность хроматографического метода. Объясните работу хроматографа. Приведите схему ионизационной камеры и хроматограмму. Приведите преимущества хроматографического метода.

11. Объясните сущность масс-спектрометрического метода. Приведите и объясните схему магнитного масс-спектрометра. Как осуществляют регистрацию газов в масс-спектрометрическом методе? Приведите преимущества масс-спектрометрического метода. Как градуируют приборы газового анализа?

12. Приведите недостатки химических и физико-химических методов контроля и анализа химического состава вещества. Объясните преимущества и сущность физических методов контроля и анализа вещества. Приведите и объясните классификацию физических методов исследования химического состава вещества.

13. Объясните сущность оптического спектрального метода. Что включает оптический спектр? Приведите и объясните схему энергетических переходов. Как разделяют химические элементы по возможности возбуждения оптического спектра?

14. Приведите источники возбуждения оптических спектров. Объясните особенности дугового и искрового разряда. Приведите электрическую схему образования искры. Объясните особенности газового пламени, как источника возбуждения оптического спектра.

15. Как классифицируют методы атомной спектроскопии? Объясните сущность атомно-эмиссионного спектрального анализа. Приведите диспергирующие устройства. Приведите схему и объясните устройство прибора для спектрального анализа с диспергирующей призмой.

16. Приведите схему и объясните устройство прибора с дифракционной решеткой. Объясните конструкцию дифракционной решетки. Объясните условие Вульфа-Брэгга. Что дает уменьшение периода дифракционной решетки для спектрального анализа?

17. Как разделяют методы атомно-эмиссионного спектрального анализа? Объясните сущность спектроскопического метода. Как называют прибор для спектроскопического анализа? Что такое стилоскоп? Объясните работу стилоскопа. Объясните преимущества и недостатки спектроскопического метода.

18. Объясните сущность спектрографического метода. Как называют прибор для спектрографического анализа? Приведите схему и объясните работу монохроматора. Как определяют концентрацию вещества в спектрографическом методе? Приведите преимущества и недостатки спектрографического метода.

19. Объясните сущность спектрометрического метода. В чем отличие спектрометра от спектрографа? Объясните работу квантометра. Приведите преимущества спектрометрического метода. С какой целью используют вакуумные квантометры? С какой целью используют лазерный микроспектральный метод?

20. Объясните сущность атомно-абсорбционного спектрального метода. Приведите схему и объясните работу атомно-абсорбционного спектрометра. Приведите преимущества атомно-абсорбционного метода.