บทที่ 10 การวิเคราะห์ธาตุส่วนผสมทางเคมี Chemical composition analysis 1302 423 Industrial Materials Testing Assistant Professor Dr. Sukangkana Lee

วิธีการวิเคราะห์ XRF (X-ray fluorescence) XRD (X-ray diffraction) http://www.matter.org.uk/diffraction/x-ray/x_ray_diffraction.htm Energy dispersive Spectrometer ในวิชานี้จะอธิบาย XRF และ Emission Spectrometer

โครงสร้างอะตอม มีลักษณะอย่างไร ตารางธาตุ แสดงอะไร X-rays คือ อะไร ทบทวน โครงสร้างอะตอม มีลักษณะอย่างไร ตารางธาตุ แสดงอะไร X-rays คือ อะไร

โครงสร้างอะตอม N e- K L M

X-rays X-radiation (composed of X-rays) is a form of electromagnetic radiation. X-rays have a wavelength in the range of 10 to 0.01 nanometers, comparable to spacing between atoms/ions/molecules in crystal corresponding to frequencies in the range 30 petahertz to 30 exahertz (30 × 1015 Hz to 30 × 1018 Hz) energies in the range 120 eV to 120 keV. They are shorter in wavelength than UV rays.

1. XRF (X-ray fluorescence) XRF analysis เป็นเทคนิคที่สามารถวิเคราะห์ชนิดของธาตุ (Qualitative) และปริมาณธาตุ (Quantitative) สามารถวิเคราะห์ได้ทั้งของแข็งและของเหลว เป็นการทดสอบแบบไม่ทำลาย สามารถวิเคราะห์ได้โดยไม่ต้องมีการเตรียมผิวมาก่อนก็ได้ สามารถวิเคราะห์ธาตุที่มีความเข้นข้นน้อยๆประมาณ 5-500 ppm ได้

ชิ้นงานต้องมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10-50 mm และสูงไม่เกิน 50 mm ผิวหน้าชิ้นงานของแข็งต้องเรียบ และผ่านการขัดเงา ถ้าเป็นชนิดผงต้องหนักอย่างน้อย 1 gram ใช้เวลาวิเคราะห์แต่ละครั้งประมาณ 15 นาที

ข้อจำกัดคือ ไม่สามารถวิเคราะห์ธาตุที่มี atomic number น้อยกว่า 11 ได้ (H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne and Na) ตัวอย่างการวิเคราะห์ XRF การวิเคราะห์เปอร์เซนต์ของธาตุผสมในโลหะผสม เซรามิกส์ แก้ว เป็นต้น การวิเคราะห์ชนิดของธาตุซึ่งไม่สามารถวิเคราะห์ได้โดยวิธีอื่น

หลักการวิเคราะห์ The process in which an x-ray is absorbed by the atom by transferring all of its energy to an innermost electron is called the "photoelectric effect."

หลักการวิเคราะห์ เมื่อวัสดุได้รับการกระตุ้นจาก X-rays ที่มีพลังงานสูงมากพอที่จะกระตุ้นให้ electron (ชั้น K) หลุดออกมาจากวงโคจร (Ejected core e-) ก็จะทำให้อิเลคตรอนจากชั้นวงนอกเลื่อนลงมาเติมช่องว่าง โดยอิเลคตรอนชั้นนอกจะมีการปล่อยพลังงานส่วนหนึ่งออกมาในรูปของ secondary X-ray Secondary x-ray beam Primary x-ray beam Ejected core electron Electron from outer shell fills the hole M L K

จำนวนพลังงานที่สามารถกระตุ้น core electron ให้หลุดออกมา (Primary x-ray) และ จำนวนพลังงานที่ปล่อยออกมา (Emitted secondary x-ray) จะเป็นค่าคงที่ของแต่ละอะตอม XRF Titanium

ถ้าอิเลคตรอนจากชั้น L shell ลงไปอยู่ชั้น K shell จะปล่อยพลังงานที่มีความยาวคลื่นค่าหนึ่ง เรียกว่า Kα ถ้าอิเลคตรอนจากชั้น M shell ลงไปอยู่ชั้น K shell จะปล่อยพลังงานที่มีความยาวคลื่นค่าหนึ่ง เรียกว่า Kβ N K K L K shell L shell M shell

X-ray K-series spectral line wavelengths (nm) for some common target materials.[13] Fe 0.17566 0.17442 0.193604 0.193998 Ni 0.15001 0.14886 0.165791 0.166175 Cu 0.139222 0.138109 0.154056 0.154439 Zr 0.070173 0.068993 0.078593 0.079015 Mo 0.063229 0.062099 0.070930 0.071359 ^ David R. Lide, ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th edition. CRC Press. pp. 10–227. ISBN 0-8493-0475-X.

X-ray source X-ray detector Specimen X-ray source X-ray detector Intensity Energy (wavelength) Primary x-ray beam Secondary x-ray beam 1 2 3 X-ray filter ยิง x-ray ที่มีพลังงานเพียงพอไปกระตุ้นชิ้นงานโดยตรง Secondary x-ray ถูกปล่อยออกมาจากชิ้นงานไปสู่ x-ray detector X-ray detector จะวัด ค่า energy wavelength ของ K และ K เปรียบเทียบกับค่ามาตรฐาน

Target X-ray detector X-ray source 3 1 2 X-ray filter Secondary x-ray beam Intensity Energy (wavelength) Primary x-ray beam Specimen X-ray source ยิง x-ray ที่มีพลังงานเพียงพอไปกระตุ้น target ระยะซึมลึกประมาณ 10-4 ถึง 10-5 m Secondary x-ray จาก Target ถูกปล่อยไปสู่ Specimen และ สะท้อนไปสู่ X-ray detector X-ray detector จะวัด ค่า energy wavelength ของ K และ K เปรียบเทียบกับค่ามาตรฐาน

2. Optical Emission Spectrometer เป็นการหาชนิด และปริมาณของธาตุ โดยใช้หลักการการกำเนิด X-ray โดยที่จะเป็นการวิเคราะห์พลังงานของ X-ray ที่ได้จากผิวชิ้นงาน สามารถวิเคราะห์ 30 ธาตุได้ในเวลา 1-2 นาที

เมื่ออิเลคโตรดได้รับพลังงานไฟฟ้าจะให้กำเนิดลำอิเลคตรอน ด้วยกำลังประมาณ 800-100 V และตกกระทบผิวชิ้นงาน ผ่านบรรยากาศของแกสอาร์กอน อิเลคตรอนในอะตอมของชิ้นงานที่มีระดับพลังงานต่ำสุด (เรียกว่า ground state ) จะถูกกระตุ้นให้มีระดับพลังงานสูงขึ้น (เรียกว่า Excited state) อะตอมที่อยู่ในสภาวะนี้จะไม่เสถียร จึงพยายามลดพลังงานลงมา จึงปลดปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของแสง (Light Emission) หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีความยาวคลื่นเฉพาะตัว

Emission of atom การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอะตอม (Atomic Phenomenon) 1.Ground state 2.Excitation 3.Emission Supplied Energy +E e- e- คายพลังงานออกมาในรูปของแสงมีความยาวคลื่น Initial Energy, E1 Energy, E2 Emitting a Photon (E2-E1) การเปลี่ยนแปลงพลังงานของอะตอม (Atomic Phenomenon)

Planck’s equation E คือ พลังงานที่แตกต่างกันระหว่าง 2 ระดับพลังงาน h คือ ค่าคงที่ของ planck  คือ ความถี่ของรังสี C คือ ความเร็วแสง  คือ ความยาวคลื่น ดังนั้น ค่าพลังงานจะแปรผกผันกับค่า ความยาวคลื่น แต่ละธาตุจะมีชุดความยาว คลื่นที่เกิดจากการเปล่งพลังงาน (Emission) เฉพาะตัว

แสงที่เกิดขึ้นจะถูกส่งผ่านไปยังระบบแยกความยาวคลื่นแสง ซึ่งเรียกว่า Spectrometer ซึ่งมีลักษณะเป็นเลนส์นูน และปริซึมสามเหลี่ยม (ผลึกของ silicon or Lithium) เพื่อให้เกิดการหักเหของแสง เป็น Spectrum จากนั้นแสงที่ถูกแยกความยาวคลื่นแล้วจะถูกส่งไปยัง Detector เพื่อเปลี่ยนความเข้มแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า และระบบวิเคราะห์สัญญาณไฟฟ้าให้เป็นความเข้มข้นของธาตุ โดยเปรียบเทียบกับสัญญาณของมาตรฐานที่เราทราบความเข้มข้นที่ได้ทำการวิเคราะห์ และบันทึกไว้ก่อนหน้านี้

แผนผังการทำงานของ Spectrometer Detector Computer software Work Table Sample Discharge Spectrometer Light Emission Chamber (with argon flow) Electrode

Work Table Spectrometer