珠宝宝石用X射线荧光光谱仪简介,基本原理、应用

时间:2020-03-01 浏览量16265 来源:网上文 编辑:珠宝鉴定师Arwen

现代高新科技的发展,促进了新的合成及人造宝石及优化处理宝石品种的相继面市。一些合成宝石与天然宝石之间的差别日趋缩小,一些优化处理宝石的表面及内部特征与天然宝石相差无几,使得宝玉石鉴定中的一些疑难、热点问题应运而生。一些传统、常规的宝石鉴定仪器及鉴定方法已难以满足珠宝鉴定的要求。接下来小编给大伴详细说一下X射线荧光光谱仪简介,基本原理、应用,相信定会是您想要的答案。



自从1895年伦琴(RoentgenWC)发现X射线之后不久,莫斯莱(MoseleyHG)于1913年发表了第一批X射线光谱数据,阐明了原子结构和X射线发射之间的关系,并验证出X射线波长与元素原子序数之间的数学关系,为X射线荧光分析奠定了基础。1948年由弗里特曼和伯克斯设计出第一台商业用波长色散X射线光谱仪。自20世纪60年代后,由于电子计算机技术、半导体探测技术和高真空技术日新月异,促使X射线荧光分析技术的进一步拓展。X荧光分析是一种快速、无损、多元素同时测定的现代测试技术,已广泛应用于宝石矿物、材料 科学、地质研究、文物考古等诸多领域。

基本原理

X射线是一种波长(λ=0.001——10nm)很短的电磁波,其波长介于紫外线和Y射线之间。在高真空的x射线管内,当由几万伏高电压加速的一束高速运动的电子流投射到阳极金属靶(如钨靶、铜靶等)上时,电子的动能部分转变成x光辐射能,并以x射线形式辐射出来。从金属靶射出的X射线主要由两类波长、强度不等的x射线组成,即连续x射线谱及特征x射线谱。前者指在x射线波长范围内,由其短波限开始并包括各种x射线波长所

组成的光谱。后者则指当加于x光管的高电压增至一定的临界数值时,使高速运动的电子动能足以激发靶原子的内层电子时,便产生几条具一定波长且强度很大的谱线,并叠加在连续x射线谱上,由特征x射线组成的光谱称为特征x射线谱。

特征x射线谱源自原子内层电子的跃迁。当高速运动的电子激发原子内层电子,而导致x射线的产生,这种X射线称为“初级X射线”。若以初级x射线为激发手段,用以照射宝石样品,会造成宝石的原子内的电子发生电离,使内层轨道的电子脱离原子,形成一个电子空位,原子处于“激发态”,这样外层电子就会自动向内层跃迁,填补内层电子空位,进而发射出一定能量的x射线。由于它的波长和能量与原来照射的x射线不同,即发出“次级X射线”。人们将这种由于x射线照射宝石而产生的次级x射线称X射线荧光。通常,X射线荧光只包含特征X射谱线,而缺乏连续X射线谱。 当能量高于原子内层电子结合能的高能x射线与原子发生碰撞时,驱逐一个内层电子而出现一个空穴,使整个原子体系处于不稳定的激发态,激发态原子寿命约为10-12——10-14秒,然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。这个过程称为弛豫过程。弛豫过程既可以是非辐射跃迁,也可以是辐射跃迁。当较外层的电子跃迁到空穴时,所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子,此称为俄歇效应,亦称次级光电效应或无辐射效应,所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的,与入射辐射的能量无关。当较外层的电子跃人内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收,而是以辐射形式放出,便产生X射线荧光,其能量等于两能级之间的能量差。因此,X射线荧光的能量或波长是特征性的,与元素有一一对应的关系。

K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充,从而可产生一系列的谱线,称为K系谱线。由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Ka射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kß射线。同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射。如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层,此时就有能量ΔE释放出来,且ΔE=EK一EL,这个能量是以X射线形式释放,产生的就是Ka射线,同样还可以产生Kß射线、L系射线等。

莫斯莱(MoseleyHG,1913)发现,X射线荧光的波长入与元素的原子序数Z有关,随着元素的原子序数的增加,特征x射线有规律的向短波长方向移动。他根据这种谱线移动规律,建立了关于X射线波长与其元素原子序数的关系定律,其数学关系如下:

λ=K(Z-S)-2

式中K和S是常数。因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础。此外,荧光x射线的强度与相应元素的含量有一定的关系,据此,可以进行元素定量分析。



应用

由于x射线荧光光谱仪适用于各种宝石的无损测试,具有分析的元素范围广,从4Be到92U均可测定;荧光x射线谱线简单,相互干扰少,样品不必分离,分析方法比较简便:分析浓度范围较宽,从常量到微量都可分析(重元素的检测限可达10-6量级,轻元素稍差);分析快速、准确、无损等优点,近年来受到世界各大宝石研究所和宝石检测机构所重视并加以应用。

(一)鉴定宝石种属

自然界中,每种宝石具有其特定的化学成分,采用x射线荧光光谱仪可分析出所测宝石的化学元素和含量(定性—半定量),从而达到鉴定宝石种属的目的。例如,下图显示马达加斯加粉红色绿柱石中含少量Cs、Rb等致色元素,故可确定其为铯绿柱石。

(二)区分某些合成和天然宝石 由于部分合成宝石生长的物化条件、生长环境、致色或杂质元素与天然宝石之间存在 一定的差异,据此可作为鉴定依据。如早期的合成欧泊中有时含有天然欧泊中不存在的Zr元氯合成蓝色尖晶石中存在Co致色元素,而天然蓝色尖晶石中存在Fe杂质致色元素;采用焰熔法合成的黄色蓝宝石中普遍含有天然黄色蓝宝石中缺乏的Ni 杂质元素,合成钻 石中有时存在Fe、Ni或Cu等触媒剂成分等。

(三)鉴别某些人工处理宝玉石

采用x射线荧光光谱仪有助于快速定性区分某些人工处理宝石。如近期珠宝市场上面市的Pb玻璃充填处理红宝石中普遍富含天然红宝石中几乎不存在的Pb杂质元素;同理,熔合再造处理翡翠中富含天然翡翠中不存在的Pb杂质元素;有些染色处理黑珍珠中富含Ag元素,下图显示染色黑珍珠中染色剂为硝酸银化合物。



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