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元素与扫描电镜及能谱仪的联系

 发布时间:2019-12-09 点击量:1285

1869 年e国科学家门捷列夫(Dmitri Mendeleev)首先创造了元素周期表,门捷列夫发现元素排布规律的过程还有一个小故事:

 

有一天,门捷列夫正在苦恼元素之间的规律,他坐到桌前摆弄起了“纸牌”,摆着,摆着,门捷列夫像触电似的站了起来,在他面前出现了完全没有料到的现象,每一行元素的性质都是按照原子量的增大而从上到下地逐渐变化着。他将当时已知的 63 种元素依照相对原子质量大小并以表的形式排列,把有相似化学性质的元素放在同一列,制成元素周期表的雏形。经过多年修订后才成为当代的周期表。

 

 

元素周期表中各个元素所在的位置决定了很多信息,其中就包含了原子核及核外电子排布的信息。

 

1. 在元素周期表中原子序数决定了原子核所带正电荷数。原子核极小,它的直径在10-15 m~10-14 m之间,体积只占原子体积的几千亿分之一,在这极小的原子核里却集中了 99.96 % 以上原子的质量,原子核的密度极大,核密度约为 1017 kg/m3

 

2. 在元素周期表中原子序数决定了核外电子数,处于基态的原子,核外电子排布方式遵守低能量原理,泡利不相容原理和洪特规则。

 

元素与扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)存在什么联系呢?

 

相信大家都知道扫描电镜的背散射电子(BSE),背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

 

大家可以这样想象:当我们用乒乓球(入射电子)砸向石头(原子核)时,乒乓球便会被反弹回来,反弹回来的这些乒乓球便是背散射电子。因此,当原子序数越大,原子核所带正电荷就越多,能够反弹回来的背散射电子便会越多,在扫描电镜成像上的体现就是信号量较充足。

 

 

如上图所示,我们不难发现其中有黑色的地方(C元素)也有白色的地方(Sn元素),这里成像的衬度便反应了原子序数的差异。

 

而通过能谱检测特征 X 射线则可以知道原子是什么,有多少。当入射电子束与材料相互作用时,原子内层电子被打跑,外层电子向内跃迁填补空位,多余的能量以 X 射线形式释放。由于原子序数的不同,核外电子排布方式也是不同,内外层电子的能量差也就不同,因此元素释放的 X 射线能量不同,这些具有原子信息的 X 射线称为特征 X 射线。

 

 

通过分析 X 射线“能量”,可以识别出与之对应的元素。

 

通过分析 X 射线“数量”,可以分析出不同元素的含量。

 

经过上面介绍,可以发现元素与扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)存在密切的联系。通过扫描电镜背散射电子图像可以初步判定样品表面的成分信息,结合能谱仪(EDS)可以测得样品表面元素的种类和含量。

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