Analytische Chemie. LD Handblätter Chemie. Bestimmung der chemischen Zusammensetzung. mittels Röntgenfluoreszenz C

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1 SW Analytsche Cheme Angewandte Analytk Materalanalytk LD andblätter Cheme Bestmmung der chemschen Zusammensetzung ener Messngprobe mttels Röntgenfluoreszenz Versuchszele Mt enem Röntgengerät arbeten. Ene Röntgenfluoreszenzanalyse durchführen. De Zusammensetzung ener Legerung analyseren. Den quanttatven Gehalt der Bestandtele ener Legerung bestmmen. Grundlagen Atome senden, wenn se mt hochenergetscher Röntgenstrahlung bestrahlt werden, Röntgenstrahlung ener charakterstschen Energe aus. Deses Phänomen wrd als Röntgenfluoreszenz beschreben. De ausgestrahlte Energe hängt von der Ordnungszahl des Probenmaterals ab (Moseleysches Gesetz). Durch de zugeführte Energe werden Elektronen aus den nneren Schalen herausgeschossen. De Lücken n den nneren Schalen werden dann durch Elektronen aus äußeren Schalen aufgefüllt. Dabe verleren dese Elektronen Energe, de wederum n Form von Röntgenstrahlung emttert wrd (Röntgenfluoreszenz). Das K-Spektrum (de K-Spektralsere) entsteht durch Elektronensprünge von der 2. (Kα) oder 3. (Kβ) Schale auf de K- Schale. Analog entsteht das L-Spektrum, wenn Elektronen auf de zwete Schale (L-Schale) zurückfallen. Jedes Element mt jewels ener anderen Ordnungszahl emttert Strahlung mt verschedenen Energen. De Energe st aber praktsch unabhängg von der Bndungsform des Elements, wel de nneren Elektronen mest ncht zur chemschen Bndung betragen. Das Röntgenfluoreszenzspektrum ener Probe mt mehreren Komponenten st n erster Näherung ene Addton der Enzelspektren. De Aussage über de relatven Antele enzelner Elemente an ener Probe können anhand der relatven Intenstäten hrer Fluoreszenzlnen gemacht werden. Leder kann her de physkalsche und chemsche Umgebung des untersuchten Elementes doch enen Enfluss haben, den man als Matrxeffekt bezechnet. Auch de Oberflächenqualtät und geometrsche Egenschaften der Probe snd zu berückschtgen. Schleßlch hat auch das Messsystem enen Enfluss auf de Messung. Für ene dennoch quanttatv belastbare Messung müssen daher Kalbrerungen mt Materalen ähnlcher Matrx und Oberflächenbeschaffenhet m selben Gerät durchgeführt werden. In desem Versuch wrd de quanttatve Analyse der chemschen Zusammensetzung ener blehaltgen Messngprobe durchgeführt. De Komponenten deser Legerung wurden m LD andblatt Cheme C dentfzert. Durch Verglech der Peakhöhen mt den Peakhöhen der renen Elemente wrd de Zusammensetzung quanttatv bestmmt. 1

2 LD andblätter Cheme Gefährdungsbeurtelung Das Röntgengerät erfüllt de Vorschrften über de Bauart ener Schulröntgenenrchtung und enes Vollschutzgeräts und st als Schulröntgengerät und Vollschutzgerät unter NW 87 / 97 Rö bauartzugelassen. Durch de werkssetg engebauten Schutz- und Abschrmvorrchtungen st de Dosslestung außerhalb des Röntgengeräts auf unter 1 Sv/h reduzert, enen Wert, der n der Größenordnung der natürlchen Strahlenbelastung legt. Vor der Inbetrebnahme das Röntgengerät auf Unversehrthet überprüfen. Röntgengerät vor dem Zugrff Unbefugter schützen. Be Enschalten des Röntgengeräts überprüfen, ob sch der Lüfter m Röhrenraum dreht. Das Gonometer wrd ausschleßlch über elektrsche Schrttmotoren verstellt. Targetarm und Sensorarm des Gonometers ncht blockeren und ncht mt Gewalt verstellen. Geräte und Chemkalen 1 Röntgengrundgerät Röntgenröhre Mo Gonometer Röntgenenergedetektor Targetsatz Legerungen Targetsatz K-Lnen-Fluoreszenz Targetsatz L-Lnen-Fluoreszenz Pocket-CASSY 2 Bluetooth CASSY Lab VKA-Box F-Kabel, 1 m Zusätzlch erforderlch: Computer mt Wndows XP/7/8 Versuchsaufbau und -vorberetung Der Versuchsaufbau st n Abbldung 1 dargestellt. 1. Anschlusskabel des Tschnetzgerätes durch den Leerkanal des Röntgengerätes führen und an de Mn-DIN-Buchse des Röntgenenergedetektors anschleßen. 2. Sensorhalter mt montertem Röntgenenergedetektor m Sensorarm des Gonometers befestgen. 3. Sgnalausgang des Röntgenenergedetektors über das mtgeleferte dünne BNC-Kabel an de BNC-Buchse SIG- NAL IN des Röntgengerätes anschleßen. 4. Anschlusskabel sowet nachführen, dass en vollständger Schwenk des Sensorarmes möglch st. 5. Taster SENSOR drücken und den Sensorwnkel mt Drehensteller ADJUST auf 9 stellen. 6. Auf das Pocket-CASSY de VKA-Box aufstecken und mt enem Computer über das USB-Kabel verbnden. 7. Ausgang SIGNAL OUT m Anschlussfeld des Röntgengerätes mttels BNC-Kabel mt VKA-Box verbnden. 8. Abstände zwschen Spaltblende des Kollmators und Drehachse sowe zwschen Drehachse und Entrttsöffnung des Röntgenenergedetektors jewels auf 5 6 cm enstellen. 9. Target 3 (blehaltges Messng) auf den Targettsch legen. Taster TARGET drücken und den Targetwnkel mt Drehensteller ADJUST auf 45 stellen. Abb. 1: Aufbau des Expermentes: a Kollmator, b Target, c Targettsch, d Detektor. Versuchsdurchführung 1. Tschnetzgerät ans Netz anschleßen. Nach ca. 2 mn leuchtet de Leuchtdode des Röntgenenergedetektors grün und er st betrebsberet. 2. Enstellungen n CASSY Lab laden. 3. Ene Röhren-ochspannung von U = 35 kv und enen Emssonsstrom I = 1 ma enstellen und de ochspannung enschalten. 4. De Aufnahme des Spektrum mt oder der Taste am Pocket-CASSY starten. 5. Anschleßend Spektren für de Targets Kupfer (Cu), Znk (Zn) und Ble (Pb) aus den Targetsätzen K-Lnen- bzw. L- Lnen-Fluoreszenz aufnehmen. Ergebns De aufgenommenen Spektren snd n den Abbldungen 2a bs 2d dargestellt. Abb. 2a: Fluoreszenzspektrum von Messng (Target 3). 2

3 LD andblätter Cheme Abb. 2b: Fluoreszenzspektrum von Kupfer (Referenzspektrum). Auswertung Energekalbrerung der Spektren De Energekalbrerung wrd an den Referenzspektren von Kupfer und Ble durchgeführt. 1. In den Enstellungen Energe E A de Energekalbrerung öffnen. Global für alle Spektren auf desem Engang wählen und rechts de Energen der Cu-Kα-Lne (8,4 kev) und der Pb-Lα-Lne (1,56 kev) auswählen. 2. Den Peakschwerpunkt der Kupfer- und Blesgnale markeren. Dafür m Kontext-Menü des Dagramms Peakschwerpunkt berechnen auswählen und de Cu-Kα-Lne markeren. Der Wert trägt sch automatsch n de erste Zele en. Sollte des ncht geschehen, das Ergebns lnks n de Energekalbrerung entragen (z. B. mt Drag & Drop aus der Statuszele). 3. Analog den Schwerpunkt der Pb-Lα-Lne bestmmen und ebenfalls lnks entragen 4. Auf der x-achse de Energe darstellen. Dafür mt Drag & Drop den Button von E A ns Dagramm zehen. 5. De Lnen durch das Kontextmenü des Dagramms dentfzeren und beschrften ( Markerung setzen Röntgenenergen Cu und Markerung setzen Röntgenenergen Pb). Abb. 2c: Fluoreszenzspektrum von Znk (Referenzspektrum). Abb. 3a: Fluoreszenzspektrum der Messngprobe mt den dentfzerten Lnen der Legerungskomponenten. Abb. 2d: Fluoreszenzspektrum von Ble (Referenzspektrum). Identfzerung der Lnen n den Spektren von Messng Nun können de Bestandtele der Messngprobe dentfzert werden (sehe Abb. 3a). 1. Spektrum auswählen und geegneten Ausschntt des Spektrums festlegen. Dafür mt der rechten Maustaste auf de x-achse (Energe E A) klcken und enen geegneten Ausschntt engeben. 2. Das Perodensystem zur Identfzerung der Bestandtele der Legerung m Kontextmenü laden ( Markerung setzen Röntgenenergen). 3. Mt der Maus über de Elementsymbole fahren. Sobald auf dese Wese en Element ausgewählt st, erschenen de entsprechenden Lnen m Spektrum. Das passende Element durch enen vsuellen Verglech bestmmen und de Markerung mt enem Klck auf deses Elementsymbol m Dagramm fxeren. Auf de gleche Wese de anderen Bestandtele der Legerung bestmmen. 3

4 LD andblätter Cheme 4. Das Fenster des Perodensystems schleßen. Es zegt sch, dass der zwetgrößte Peak m Spektrum aus zwe ncht aufgelösten Lnen besteht: Zn-Kα und Cu-Kβ. De Cu-Kβ-Lne st zum Tel mt der Zn-Kα-Lne überlagert. Bestmmung der Massenantele De Anzahl der strahlenden Atome n st proportonal zur Fläche enes Peaks. Da es sch her um symmetrsche Kurven handelt, st de Anzahl der strahlenden Atome n auch proportonal zur öhe der Peaks. Im Referenzspektrum st dese Anzahl n durch de Dchte des Stoffes, sen Atomgewcht A, de bestrahlte Fläche S und de effektve Dcke d der durchstrahlten Schcht bestmmt: n S d. A Für de Anzahl der Atome jeder Sorte n der Legerung kann n der ersten Näherung der Ausdruck n n V A benutzt werden. Dabe snd und de öhen entsprechender Peaks m zu analyserenden Spektrum bzw. m Referenzspektrum, V = S d st das bestrahlte Volumen. Damt wrd der Massenantel C der Element Nummer n der Legerung zu C n A n A. (I) Um de Massenantele nach Glechung I zu berechnen, werden de öhen der stärksten Lnen n dem Fluoreszenzspektrum von Messng () und den Referenzspektren ( ) mtenander verglchen. Dese Lnen snd: Kvon Kupfer, Kvon Znk und L von Ble. Bestmmung der öhe der Peaks m Fluoreszenzspektrum der Messngprobe und Entfaltung der überlagerten Lnen Zur Bestmmung der öhen der Cu-K- und der Zn-K- Lnewrd das Fluoreszenzspektrum von Messng m Energeberech von 6 kev bs 11 kev entfaltet (sehe Abb. 3b). Dann wrd das Spektrum n desem Berech mt dre Gaußkurven glecher Brete be den bekannten Energen der Cu- K-Lne (E = 8,4 kev), der Cu-K-Lne (8,91 kev) und der Zn-K-Lne (8,64 kev) angepasst. 1. De Pb LI-Lne löschen. Des führt zu enem nur gerngen Fehler, ermöglcht aber ene überschtlchere Auswertung. Dafür mt enem Doppelklck de Lne festhalten und aus dem Dagramm scheben. 2. Im Kontextmenü des Dagramms den Menüpunkt Wetere Auswertungen Gaußkurven vorgegebener Energe auswählen. 3. Messpunkte m Energeberech von ca. 7,5 kev bs ca. 9,1 kev markeren. Das Resultat snd dre Gaußkurven (rot) und ene angepasste Kontur des Fluoreszenzspektrums (sehe Abb. 3b). Abb. 3b: Ergebns der Anpassung des Fluoreszenzspektrums von Messng mt dre Gaußkurven vorgegebener Energe (rote Lnen). Auch de angepasste Kontur st n rot dargestellt. 4. De öhen () der dre Peaks stehen nun n der Statuszele. Mt Drag & Drop de öhen der Kα-Peaks von Kupfer und Znk aus der Statuszele n de vorberetete Tabelle (Reter Massenantel ) zehen (sehe auch Spalte n Tab. 1). Der Cu-Kβ-Peak wrd durch dese Auswertung automatsch von dem Zn Kα-Peak abgezogen. Zur Bestmmung der öhe der L-Lne von Ble m Fluoreszenzspektrum der Messng-Probe wrd se mt ener Gaußkurve angepasst: 5. Im Kontextmenü des Dagramms den Menüpunkt Wetere Auswertungen Gaußkurven vorgegebener Energe auswählen. 6. De Pb-L-Lne markeren (Energeberech von ca. 1 kev bs 11,5 kev). 7. Mt Drag & Drop de öhe des Lα-Peaks von Ble aus der Statuszele n de vorberetete Tabelle (Reter Massenantel ) zehen (sehe auch Spalte n Tab. 1). Tab. 1: Bestmmung der Massenantele C der Legerungskomponenten der Messngprobe. ρ g/cm 3 Lne ρ / Kupfer 8,96 K ,3 62,4 Znk 7,1 K 823, ,4 34,9 C % Ble 11,34 L 9,3 574,7,18 2,7 Bestmmung der öhen der Lnen n den Referenzspektren 1. De Referenzspektren auswählen. 2. Im Kontextmenü des Dagramms den Menüpunkt Wetere Auswertungen Gaußkurven anpassen (Alt + G) auswählen. 3. De Cu-K-Lne m Referenzspektrum markeren 4. Mt Drag & Drop de öhe des Kα-Peaks von Kupfer aus der Statuszele n de vorberetete Tabelle (Reter Massenantel ) zehen (sehe auch Spalte n Tab. 1). 5. Anschleßend de öhen der Zn-K-Lne und der Pb-L- Lne n hren Referenzspektren bestmmen und de Werte n 4

5 LD andblätter Cheme de vorberetete Tabelle (Reter Massenantel ) zehen (sehe auch Spalte n Tab. 1). Bestmmung der Massenantele De Massenantele der Legerungskomponenten werden nach Glechung (I) bestmmt und n CASSY Lab n der vorbereteten Tabelle (Reter Massenantel ) automatsch berechnet. De Werte der öhen von Peaks m Fluoreszenzspektrum von Messng () und n den Referenzspektren ( ) snd n Tab. 1 engetragen. Ergebns De ermttelten Massenantele der Legerungskomponenten der Messng-Probe stmmen mt der bekannten chemschen Zusammensetzung (CuZn 39Pb 3) gut überen. Tab. 2: Verglech der expermentellen Werte mt den angegebenen Massenantelen der Legerungskomponenten. Zusatznformatonen Das Bespel von Kupfer-Znk-Legerungen (Messng) zegt, we de sekundäre Fluoreszenz de Form des Spektrums verändert. Be Bestrahlung ener solchen Probe mt Röntgenphotonen werden de K-Lnen sowohl von Kupfer als auch von Znk angeregt. Da aber de K-Lne von Znk über der K-Kante von Kupfer legt (E = 9,57 kev bzw. 8,99 kev), kann se "sekundär" auch de K-Lnen von Kupfer anregen. Deswegen st n der aus der Probe emtterten Fluoreszenzstrahlung de Intenstät der Kupfer-Lnen auf Kosten der Zn- K-Lne höher, und das Verhältns der Intenstäten der Zn- K- und -K-Lnen stmmt ncht mt desem Verhältns n der Probe aus renem Znk überen. Daher zegt das an den K-Lnen bestmmte Massenverhältns der Legerungskomponenten enen etwas zu hohen Antel an Kupfer. Element angegeben expermentell Kupfer 58% 62,4% Znk 39% 34,9% Ble 3% 2,7% by LD DIDACTIC Gmb Leyboldstraße 1 D-5354 ürth Tel: Fax: E-Mal: nfo@ld-ddactc.de Technsche Änderungen vorbehalten