X射线荧光（XRF）：理解特征X射线

　　什么是XRF？

　　 X射线荧光定义：由高能X射线或伽马射线轰击激发材料所发出次级（或荧光）X射线。这种现象广泛应用于元素分析。

　　XRF如何工作？

　　 当高能光子（X射线或伽马射线）被原子吸收，内层电子被激发出来，变成“光电子”，形成空穴，原子处于激发态。外层电子向内层跃迁，发射出能量等于两级能量差的光子。由于每个元素都有一组独特的能级，所以每个元素都会发出一组元素特有的X射线，称为“特征X射线”。X射线强度随相应元素的浓度增加而增加。

　　理解特征X射线

　　 当元素的电子在原子能级之间发生跃迁时，就会发出特征X射线。如果一个电子从能量Ei能级跃迁到Ej能级，发出的X射线能量Ex=Ei-Ej。因为每个元素都有一组独特的原子能级，所以发射出的X射线就是这个元素的特征X射线。

　　上图是一个原子的草图，显示了不同的原子层级，分别是K，L，M，N……这些特征X射线就是在层级之间跃迁产生的。图中显示这些线的命名方式：当从外层跃迁到K层，则是K线特征X射线，以此类推。

　　上图显示Pb的特征X射线。K层电子结合能是88.04keV。Kβ线相当于从M跃迁，能量85和87keV。Kα从L线跃迁，能量72和75keV，L线是跃迁到L层，能量10到15keV。M线是跃迁到M层，能量大概是2.5keV。

　　上图是类似的谱图，使用Ag测量谱图。Ag的原子序数较低，K层能量只有25.5keV。使用低得多得能量激发。下图显示相同数据，但范围扩大了。注意Pb的Kα1和Kα2很明显，但Ag不同。这些峰主要原子亚壳层分裂，即自旋轨道耦合，这对较重的原子更为重要。

　　XRF定量分析

　　 特征X射线的强度与样品中元素的浓度有关，但这种关系并不简单。单个激发线的测量强度，比如说Cu的Kα峰，取决于能量谱图，入射X射线强度，X射线探测器效率，以及激发源和样品之间的几何结构。同样也取决于样品中其他元素分布。黄铜中一些Zn的Kα X射线会与Cu原子相互作用，增强Cu线，降低Zn线。这就是基体效应。

　　 定量分析软件，比如AMPTEK的XRS-FP2软件可以解决这些效应。分析频谱主要有三个主要步骤。第一，必须确定每个峰的强度，也就是总计数，也称每个峰的净面积。这需要扣除背景，校正逃逸峰和其他损失的峰，分离重叠峰。第二，必须校正探测器及其窗口的灵敏度、几何效应和激发光谱。第三，必须校正基体效应。

　　 简单的分析可能不需要完整的分析软件。比如只需关心黄铜中Pb的含量，而黄铜中Cu和Zn的含量几乎是固定的，Pb的浓度没有太多的变化，那么可以使用几个校准样品，得到Pb峰净面积强度与浓度之间的经验关系。但是对于不太理想的测量条件，需要进行更复杂的分析。