seznam zbývajících přednášeklipovj/fom/fom_56.pdfseznam zbývajících přednášek 1.11. -...
TRANSCRIPT
![Page 1: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/1.jpg)
Seznam zbývajících přednášek
1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý8.11. - analýza povýstřelových zplodin - Fojtášek15.11. – VŠCHT22.11. - možnosti iontové mikroskopie, analýza neznámých vzorků – Kotrlý29.11. - analýza vláken a biologických objektů - Turková6.12. - - analýza skel a povýbuchových zplodin - Fojtášek13.12. - analýza pigmentů - Turková20.12. - strategie analýzy forenzních fází, využití obrazové analýzy – Kotrlý
![Page 2: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/2.jpg)
Skenovací elektronová mikroskopie
SEM
![Page 3: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/3.jpg)
..skenovací
• zobrazení vzorku jeho skenováním vysokoenergetickým paprskem elektronů (rastr)
![Page 4: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/4.jpg)
Co lze studovat pomocí SEM
• topografie – povrch objektu (jak vypadá)
• morfologie – tvar a velikost částic, které objekt tvoří
• chemické složení (s příslušenstvím)
• orientace zrn (materiálové inženýrství)
![Page 5: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/5.jpg)
TEM vs SEM
OM SEM
zdroj signálu světlo rozptýlené elektrony
zvětšení cca 2 000x cca 100 000x
informace o vzorku interní uspořádání povrch
vnitřní prostředí vzduch vakuum
obraz 2D 3D
OM vs. SEM
![Page 6: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/6.jpg)
TEM vs SEMTEM SEM
zdroj signálu procházející elektrony rozptýlené elektrony
zvětšení cca 1 000 000x cca 100 000x
informace o vzorku interní uspořádání povrch
příprava vzorku tenký řez pokovení
obraz 2D 3D
TEM vs. SEM
![Page 7: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/7.jpg)
![Page 8: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/8.jpg)
Stejně jako TEM používá i SEM proud
elektronů
Tvorba elektronů elektronovým zdrojem
Modulace paprsku elektronů
elektromagnetickými čočkami
Po interakci se hmotou vzorku jsou
produkovány elektrony (sekundární nebo tzv.
zpětně odražené (backscattered)). Detektory tyto
elektrony zachytí a převedou je na signál, ze
kterého se tvoří obraz
Princip funkce
![Page 9: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/9.jpg)
interakce elektronu s hmotou
![Page 10: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/10.jpg)
interakce elektronu s hmotou
• Backscattered electrons – detekce kontrastu mezi oblastmi různého chemického složení
• Secondary electrons – topografie vzorku• X-rays – chemické složení
![Page 11: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/11.jpg)
Tvorba obrazu
156 elektronů!
Obraz
Detektor
Elektronové dělo288 elektronů!
![Page 12: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/12.jpg)
Sekundární elektrony (SE)
• tvořeny kolizemi přicházejících elektronů s elektrony vnějších slupek atomů
• relativně malá energie (~10-50 eV)
• uniknou pouze SE tvořené blízko povrchu – získání topografické informace
• počet SE je větší než je počet příchozích elektronů
• rozeznáváme dva druhy SE (SE1 a SE2)
![Page 13: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/13.jpg)
SE1
• SE generované přímo příchozími elektrony z povrchu
• Výborné rozlišení, limitace de facto pouze průměrem elektronového svazku
![Page 14: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/14.jpg)
SE2• SE tvořené elektrony, které se vrátily k povrchu po sérii
neelastických ohybů
• SE2 se tvoří z bodu většího, než je elektronovým paprskem ozařovaný nižší rozlišení než výhradně SE1
Povrch vzorkuPříchozí elektrony
SE2
![Page 15: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/15.jpg)
Faktory ovlivňující emisi sekundárních elektronů
1. Energie ozařujícího paprsku
2. Atomové číslo Z – produkce SE stoupá se stoupajícím Z
3. Lokální zakřivení povrchu
energie zdrojových elektronů / kV
výtě
žek
SE
![Page 16: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/16.jpg)
Zpětně odražené elektrony (BSE)
• Část příchozích elektronů, zachycených elektromagnetickým polem jádra, trajektorie ohnuta o +/- 180°
• vysokoenergetické elektrony (pružný rozptyl)
• relativně menší množství než SE
• rozlišujeme BSE1 a BSE2
![Page 17: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/17.jpg)
BSE 1 a BSE2
Povrch vzorku
Příchozí elektrony
•většina BSE jsou typu 2
BSE 1BSE 2
![Page 18: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/18.jpg)
Faktory ovlivňující emisi BSE
• Orientace ozařovaného povrchu vzhledem k detektoru
• Průměrné atomové číslo prvků vzorku
![Page 19: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/19.jpg)
Detektory
Image: Anders W. B. Skilbred, UiO
Detektor SE
Detektor BSE
![Page 20: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/20.jpg)
Příprava vzorku pro SEM
• odprášení (mechanická očista)
• stabilizace (fixace)
• dehydratace (aceton, ethanol)
• sušení (CPD)
• instalace (oboustranná lepící páska)
• pokovení (zvýšení vodivosti – zlato, palladium, platina)
![Page 21: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/21.jpg)
SEM - rekapitulace
• zvětšení 15x – 100 000x• rozlišení cca 5 nm• excelentní hloubka ostrosti• relativně snadná příprava
vzorku
http://virtual.itg.uiuc.edu/training/EM_tutorial/
![Page 22: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/22.jpg)
SEM – příklady snímků
![Page 23: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/23.jpg)
FIB (Focused Ion Beam)
• ionty Ga (těžká jádra) tají při nízké teplotě
• možno použít pro frézování povrchu (leptání nárazem) s rozlišením 20 nm
• pracuje jako SEM
Je možné přidávat vrstvy uhlíku, zlata, platiny apod. nebo naopak frézovat, řezat povrch
![Page 24: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/25.jpg)
Spektroskopie a mikroanalýza
![Page 26: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/26.jpg)
Spektroskopie
• fyzikální obor, zkoumající interakci elektromagnetického záření se vzorkem
• zkoumá, jak se po interakci mění spektrální rozdělení (intenzita záření s vlnovou délkou)
• bezkontaktní, nedestruktivní zkoumání vzorku• dělení dle různých hledisek
– typ interakce záření s hmotou• absorpce (UV/VIS, AAS, FTIR)• emise (AES, NMR, hmotnostní spektroskopie)• rozptyl (DLS, PCS, Raman)
– typ záření (vlnová délka použitého elektromagnetického záření)• rádiové• mikrovlnné• infračervené (blízké, střední, vzdálené)• viditelné• ultrafialové• rentgenové
![Page 27: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/27.jpg)
Absorpční spektroskopie
• absorpce fotonu• Lambert-Beerův zákon (matematické vyjádření
závislosti absorpce elektromagnetického záření na vlastnosti materiálu, přes který záření prochází)
• atomová absorpční spektroskopie– elektronové přechody - UV-VIS oblast
• molekulová absorpční spektroskopie– elektronové přechody - UV-VIS oblast– vibrační přechody – IR oblast– rotační přechody – mikrovlnná oblast
![Page 28: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/28.jpg)
Emisní spektroskopie
• emise fotonu při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu• nutná vhodná forma excitace• elektro/fotoluminiscence
Rozptylová spektroskopie
• rozptyl proudu fotonů na nehomogenitách
• elastický či neelastický
• turbidimetrie a nefelometrie (zákalometrie)• aerosoly, koloidní soustavy
• spektroskopie dynamického rozptylu
• Ramanova spektroskopie
![Page 29: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/29.jpg)
Elektronová mikroskopie a mikroanalýza
MIKROSKOPIE – určení morfologie v malém měřítku (mikro či nanometry)optická mikroskopie, elektronová mikroskopie, iontová mikroskopie,….
výstupem je obraz
MIKROANALÝZA – složení a/nebo struktura v malém měřítku (mikro či nanometry)Energy Dispersive Spectroscopy, Wave-length DispersiveSpectroscopy, Electron Energy Loss Spectroscopy, Auger Electron Spectroscopy, Convergent Beam Electron Diffraction,…
výstupem je spektrum a/nebo difrakční obrazec
první komerčně vyráběný SEM - 1965, Cambridge Instruments
![Page 30: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/30.jpg)
Encyklopedie fyzikyhttp://fyzika.jreichl.com/main.article/view/752-spektrum-atomu-vodiku
• elektrický výboj v plynu - záření
• spektrum dle způsobu vzniku - emisní (vyzářeno daným tělesem) - absorpční (těleso pohltí část elektromagnetického záření, dál proniká záření, v
němž pohlcená složka chybí)
• dle tvaru - spojité (všechny vlnové délky) - čárové (jen určité vlnové délky)
Soustava spektrálních čar je pro každý druh atomů (každý prvek) CHARAKTERISTICKÁ
Spektrum atomu
![Page 31: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/31.jpg)
http://artemis.osu.cz/mmfyz/am/am_1_3_1.htm
Objev elektronu
• polovina 19. století – tzv. katodové paprsky• katodová trubice (skleněná trubice s elektrodami)• v mírném vakuu a použití vysokého napětí (1000 V) plyn
září• při dalším snížení tlaku začíná kromě plynu uvnitř
světélkovat i skleněná stěna baňky v místech, která leží naproti záporné elektrodě (katodě) - katoda emituje záření, katodové záření, resp. katodové paprsky
• toto záření přenáší energii (záření roztáčelo lopatky miniaturního „mlýnku“) a elektrický náboj (částice záření jsou elektricky nabité a proto se jejich dráha zakřivuje v magnetickém poli).
1897 J. J. Thomson – odhalil podstatu tohoto záření- je tvořeno proudem malých částic (tzv. korpuskulární
záření) se záporným nábojem- určil jejich hmotnost a náboj (elementární elektrický
náboj)- elektron- navrhl první model atomu
Sir Joseph John Thomson
![Page 32: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/32.jpg)
Thomsonův model atomu – tzv. pudinkový model
• hlavní část hmotnosti atomu představuje látka s kladným elektrickým nábojem.• hmotnost a kladný elektrický náboj jsou spojitě rozloženy v celém objemu atomu
(žádné jádro !).• velmi lehké elektrony jsou umístěny uvnitř kladně nabité látky v rovnovážných
polohách (jako kdyby byly záporně nabité rozinky obklopené kladně nabitým pudinkem)
pokus interpretovat v té době známé jevy:• ionizaci - jako emisi elektronu z atomu; dodáním
energie je možné uvolnit elektron z rovnovážné polohy
• spektrum záření emitovaného atomem; na základě představy, že elektron kmitající s určitou frekvencí kolem rovnovážné polohy budí elektromagnetickou vlnu se shodnou frekvencí
• nesouhlasilo (frekvence kmitů elektronů nemají žádnou souvislost s frekvencemi, které odpovídají naměřeným spektrálním čarám)
• Ruthefordův experiment prokázal, že kladně nabitá látka tvořící téměř veškerou hmotnost atomu je soustředěna v malém objemu v centrální části atomu (jádro)
![Page 33: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/33.jpg)
Rutherfordův model atomu – tzv. planetární
Ernest Rutherford
• atomy mají jádro, které má kladný elektrický náboj a připadá na ně téměř celá hmotnost atomu
• jádro musí zaujímat pouze malou část objemu atomu• elektrony obíhají kolem těžkého a velmi malého jádra analogicky jako
planety obíhají kolem Slunce (ale místo gravitační síly síla elektrostatická (Coulombův zákon))
z modelu vyplývá spojité spektrum, zatímco v experimentu pozorujeme čárové spektrum atomůelektron by ztrácel energii a pohyboval by se po spirále směrem k jádru, s nímž by se nakonec spojil (zánik atomu za cca 10-10 s)
![Page 34: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/34.jpg)
Bohrův model atomu
Niels Bohr
• kombinace myšlenek Plancka (kvantová teorie), Einsteina (fotonová teorie světla) a Rutheforda (model atomu)
• pro odstranění nedostatků Rutherfordova modelu musel postulovat tzv. kvantovací podmínky
• elektrony se pohybují jen po kruhových drahách, pro které je splněna kvantovací podmínka
• elektrony při pohybu po drahách splňujících kvantovací podmínku nevyzařují energii.
• energie může být vyzářena, resp. přijata, pouze při přechodu elektronu z jedné dráhy na druhou
me je hmotnost elektronu, r poloměr kruhové dráhy, ν je rychlost elektronu; n se označuje jako kvantové číslo, h je Planckova konstanta
𝟐 . 𝝅 .𝒎𝒆. 𝒓 . 𝝂 = 𝒏 . 𝒉 𝒏 = 𝟏, 𝟐, 𝟑, 𝟒, 𝟓… .
![Page 35: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/35.jpg)
http://artemis.osu.cz/mmfyz/am/am_1_5.htm
dovolené kruhové dráhy elektronu
energetické spektrum
šipkami znázorněny energetické přechody (spektrální čáry v různých částech spektra
1 - série Lymanova (ultrafialová část spektra) - K2 - série Balmerova (viditelná část spektra) - L3 - série Paschenova (infračervená část spektra) - M4 - série Brackettova (infračervená část spektra) - N5 - série Pfundova (infračervená část spektra) - O
![Page 36: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/36.jpg)
Kvantová čísla
Hlavní kvantové číslo n• může nabývat hodnot 1, 2, 3, 4, 5…• ve spektroskopii se používá alternativní značení pomocí velkých písmen (K, L, M, N, O..)• určuje tzv. slupku atomu (všechny atomové orbitaly se stejným n patří do téže slupky)• maximální počet elektronů ve slupce je 2n2
• elektrony obecně vyplňují nejdříve slupky s nejmenším n (ačkoli u atomů od Argonu výše (18) je zaplňování komplikovanější)
![Page 37: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/37.jpg)
Kvantová čísla
vedlejší kvantové číslo l• může nabývat hodnot 0, 1, 2, 3..až n-1• alternativní značení pomocí malých písmen (s, p, d, f ..)• určuje podslupku dané slupky a tvar orbitalu• hodnota l určuje dovolené hodnoty velikosti orbitálního momentu hybnosti• maximální počet elektronů v podslupkách je: s = 2, p = 6, d = 10 a f = 14
![Page 38: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/38.jpg)
magnetické kvantové číslo m• může nabývat hodnot od –l do +l• alternativní značení pomocí řeckých písmen• spolu s hlavním a vedlejším kvantovým číslem určuje atomový orbital• závisí na něm energie atomu v magnetickém poli
Kvantová čísla
spinové číslo snabývá hodnot -1/2 či +1/2částice mohou mít kromě orbitálního momentu hybnosti ještě vlastní moment hybnosti, vzniklý otáčením elektronu kolem vlastní osy - spin
![Page 39: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/39.jpg)
Wolfgang Pauli
Pauliho vylučovací princip
žádné dva nerozlišitelné fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu
fermiony – částice podléhající Pauliho vylučovacímu principu elektrony, protony, neutrony, neutrina, kvarky, některé celé atomyčástice, které nejsou fermiony, se nazývají bosony
Pro naše účely plnění atomového obalu elektrony lze definovat:žádné dva elektrony nemají stejnou sadu kvantových čísel
EDS, WDS
EELS
Auger electrons AES
![Page 40: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/40.jpg)
interakce elektronu s hmotou
![Page 41: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/41.jpg)
Vysoké vložené napětí – velká míra penetrace elektronů (iontů) do vzorku, větší poškození
![Page 42: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/42.jpg)
Nejlepší rozlišení Lepší kontrast v ose Z Nejlepší analýza
Elektronové interakce
oblast produkce sekundárních elektronů
oblast produkce odražených elektronů
oblast produkce rentgenového záření
interakční objem stoupá s vloženým napětím a klesá s rostoucím atomovým číslem
![Page 43: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/43.jpg)
interakce elektronu s hmotou
• Backscatter electrons – detekce kontrastu mezi oblastmi různého chemického složení
• Secondary electrons – topografie vzorku• X-rays – chemické složení
![Page 44: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/44.jpg)
interakce elektronu s hmotou
Vick Guo, http://www.phys.sinica.edu.tw/index.php?eng=T
![Page 45: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/45.jpg)
Fotografický záznam rentgenových emisních linií Kα a Kβ pro sadu prvků
• 1912 - pozorování rentgenové difrakce• vlnová délka rentgenových paprsků musí být v
atomárních rozměrech• opravdu 10-8 až 10-11m (Angström= 10-10m)• 1913 - potvrzení teorie difrakce rentgenových
paprsků - první difrakční obrazec krystalu chloridu sodného
• 1913 - Henry Moseley - systematické zvyšování vlnové délky emitovaných rentgenových paprsků s rostoucím protonovým číslem materiálu, generujícího radiaci
• na základě toho byly později spektrální rentgenovou analýzou objeveny prvky hafnium a rhodium
Historie rentgenové analýzy
![Page 46: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/46.jpg)
Henry Moseley
Vlnová délka charakteristických rentgenových emisních paprsků je nepřímo úměrná protonovému číslu generujícího materiálu
![Page 47: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/47.jpg)
zaplňování děr po vyražených elektronech se projeví jako vyzáření elektromagnetického záření (rentgenového)protože jsou energetické úrovně atomu unikátní pro každý prvek, toto záření je charakteristické
![Page 48: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/48.jpg)
vysokoenergetický elektronový paprsek
rentgenový paprsek
![Page 49: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/49.jpg)
http://www.mcswiggen.com/pdf%20files/TechNote_WDSvsEDS.pdf
každý prvek, je-li bombardován elektrony, produkuje unikátní sadu rentgenových paprsků (specifická energie a vlnová délka).EDS třídí rentgenové paprsky podle jejich energie, WDS podle vlnové délky
WDSpoužívá difrakci rentgenových paprsků -analyzační krystal a detektorto, zda se rentgenový foton odrazí záleží na jeho vlnové délce, orientaci krystalu a rozteči mřížky - lze vybírat danou vlnovou délku, která se odrazípro změnu detekce je třeba pohnout krystalem i detektoremobvykle má elektronmikroskopická sonda až pět WD spektrometrů, takže může měřit 5 prvků najednou, každý spektrometr má 2-4 krystaly, každý s jinou roztečí mřížky, každý typ krystalu odráží pouze určitý rozsah vlnových délek
![Page 50: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/50.jpg)
http://www.mcswiggen.com/pdf%20files/TechNote_WDSvsEDS.pdf
EDS (EDX)srdcem je polovodičový detektorkdyž rentgenový foton doletí do detektoru, produkuje se proud (vyrážením elektronů z polovodiče)na každý elektron se spotřebuje 3,8eV, začínal-li rentgenový foton s energií 7 471 eV (Ni Kα), vyrazí 1966 elektronůměřením proudu lze spočítat původní energii rentgenových paprsků, přepočet na hmotnostní procenta pomocí standarduEDS spektrum je histogram počtu paprsků pro každou energii
EDS modul pro TEM i SEM
![Page 51: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/51.jpg)
Σanalytické rozšíření SEM či TEM o koncentraci prvků
Požadavky na vzorek:• pevné látky, pudry, komposity• nedestruktivní zkoumání
Limitace:• rozlišení cca 0,5 μm• hloubka vzorkování cca 1 μm• detekční limit 100-200 ppm u izolovaných peaků a Z>10, 1-2 hmotnostní % u Z<10 nebo
překrývajících se peaků• přesnost +- 5% odchylka u koncentrací >5%
EDS
![Page 52: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/52.jpg)
EDS - Energy Dispersive Spectrometernejpoužívanější mikroanalýzadoplněk k SEMekonomická, jednoduchá, rychlá identifikace neznámého vzorku
WDS - Wavelenght Dispersive Spectrometrysekvenční analýza, pomalejší (v krocích)není ideální pro elementární analýzu (často nejdřív EDS pro rychlou analýzu celého spektra, pak WDS na spektrální problémy)- spektrální překryvy (emisní linie dvou odlišných prvků mají stejnou energii) - u WDS jsou
peaky mnohonásobně ostřejší než u EDS- nízká koncentrace prvků ve vzorku - WDS procesuje větší počet vyzáření - vyšší citlivost
EDS vs. WDS
![Page 53: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/53.jpg)
super rychlé EDSWDS - mnoho spektrometrů, rel. pomalé skenování celé periodické tabulky
obrovský rozdíl v energetickém rozlišení
Mn Kα čára je cca 135-150 eV široká na EDS, u WDS to bude 10eV
Porovnání spekter slitiny Pt-Au-Nb na WDS a EDSna WDS je vidět 6 čar, překryv je jen u Au Mα a Pt Mβ u EDS spektra je to jeden velký peak
![Page 54: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/54.jpg)
druhý hlavní problém u EDS - nízký počet záchytů - nízká reprodukovatelnosttřetí nevýhoda EDS - nižší detekční limit (0,1 hmotnostní procento) než WDS (0,01 hmotnostního procenta)
![Page 55: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/55.jpg)
XRF – X-ray fluorescence spectroscopy
• úplně stejný princip, používají se 2 typy (ED/WD)• rychlá, nedestruktivní metoda, přesná, kvantitativní• prvková analýza od 11Na do 92U• dnes i přenosné (analýza in situ)• typický XRF systém má analyzovaný bod 3-5 cm a nehodí se proto pro
jednotlivé mikroobjekty• analýza minerálů, půdních vzorků (komparace)• falšování mincí (Britská librová mince 70% Cu, 24.5% Zn, 5,5% Ni)• analýza inkoustů (falšování bankovek, úpisů apod. - metalické
pigmenty)• povýstřelové částice
![Page 56: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/56.jpg)
EELS – Electron Energy Loss Spectrometry
• povrchová spektroskopie, využití neelasticky rozptýlených elektronů• spektroskopie lehkých prvků• analýza elektronové a chemické struktury se super rozlišením (XY)
Požadavky na vzorek:• průhledné pro elektrony - tloušťka 10-200 nm• nedestruktivní zkoumání• prvky Z=3-92• rozlišení 1 nm - 10 μm (v závislosti na průměru sondy a tloušťce vzorku)• hloubka vzorkování dle tloušťky vzorku• detekční limit 10-21 g• přesnost +-2%
![Page 57: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/57.jpg)
Auger Electron Spectroscopy
Pierre Victor Auger
• už známe - po vyražení elektronu z vnitřní slupky přeskočí do vzniklé díry elektron ze slupky s vyšší energetickou hladinou
• rozdíl energií je buď vyzářen nebo je přenesen na jiný elektron, který je tím rovněž vyražen z atomu - Augerův elektron
• kinetická energie Augerova elektronu odpovídá rozdílu energií původní elektronové transice a ionizační energii elektronové slupky, ze které byl Augerův elektron vyražen - tyto energie závisí na typu atomu
použití - informace o chemickém složení a okolí atomu
Požadavky na vzorek:• musí vydržet vakuum 10-10 torr• nedestruktivní krom vzorků citlivých na elektronový svazek• pro všechny prvky krom H a He• rozlišení 10-30 nm• hloubka vzorkování 0,5-10 nm• detekční limit 0,1-1%• přesnost +- 10% se standardem hodně blízkým vzorku
![Page 58: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/58.jpg)
XPS – Xray photoelectron spectroscopy
též ESCA - electron spectroscopy for chemical analysis• kvantitativní analýza prvkového složení, vzorce, chemického stavu a elektronového
stavu• ozařování materiálu svazkem rentgenového záření• měření kinetické energie a počtu uniklých elektronů z horní vrstvy 1-10 nm• vyžadováno velmi vysoké vakuum• detekce všech prvků krom H a He• rozlišení 5 mm - 75 μm• hloubka vzorkování 0,5 - 5 nm• detekční limit 0,01 - 0,3%
![Page 59: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/59.jpg)
UV/VIS spektroskopie
• většinou změna intenzity světla při průchodu vzorkem (transmisní) nebo po reflexi od vzorku (reflexní)
• měření elektronových transicí chromoforů• detekce isomerů, aromatických sloučenin, nečistot v
organických rozpouštědlech• analýza vláken, identifikace barev, toxikologie• v roztoku - kyvety nebo průtočné cely• mikrospektrofotometrie – spektroskopie v
mikroměřítku– kombinace mikroskopu a spektroskopu – i vzorky 1 μm
– FoA – textilní vlákna, pigmenty apod.
![Page 60: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/60.jpg)
AAS – atomová absorpční spektroskopie
• spolehlivá metoda pro stanovení >60 prvků (vč. koncentrace) až do konc. mg/l (ppm)
• ve FoA hlavně pro analýzu těžkých kovů a zbytků střeliva• princip – atomizace vzorku, měření absorpce světla při průchodu zplyněným
vzorkem• součásti
• zdroj elektromagnetického záření• měrná cela, v níž dochází k atomizaci (plamen, grafitová kyveta)• optický detekční systém, který měří intenzitu prošlého záření o specifické
vlnové délce• měření porovnáním s kalibrační křivkou• náročná příprava vzorku
![Page 61: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/61.jpg)
• identifikace a strukturní charakterizace organických a anorganických látek
• IČ vlnová délka 0,78 - 1000 mm (vlnočet 12800 - 10 cm-1)
• principem je absorpce IČ záření při průchodu vzorkem, při níž dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly
• výstupem je IČ spektrum (% transmitance na vlnové délce), s charakteristickými absorpčními pásy (jednotlivé funkční skupiny, např -OH, N-H apod.)
• porovnáním s knihovnou spekter v software lze identifikovat neznámou látku
• FT od 80. let 20. století - princip interference světla (dosud rozklad (disperze)) - lze měřit i silně absorbující vzorky či dokonce měření v odraženém světle (reflektančníinfračervená spektroskopie)
• FTIR mikrospektroskopie – např. rychlé orientační stanovení inkoustu nebo pigmentů, vláken a vlasů, tablet (drogy)
FTIR - Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací
![Page 62: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/62.jpg)
Infrared Imaging (IR), Scanning Electron Microscopy (SEM-EDX), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Jacob Jordaens’ (1593 – 1678) early masterpiece “The Tribute Money. Peter Finding the Silver Coin in the Mouth of the Fish”, also known as “The Ferry Boat to Antwerp”.
![Page 63: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/63.jpg)
Ramanova spektroskopie
• záření laseru rozptýleno kmity v molekule nebo krystalické mřížce
• změna frekvence/vlnové délky identifikace látky, příp. fáze (anatas vs rutil u TiO2)
• téměř nulová příprava vzorku• identifikace látky i přes obal !• SORS – Spatially Offset Raman Spectroscopy
![Page 64: Seznam zbývajících přednášeklipovj/FoM/FoM_56.pdfSeznam zbývajících přednášek 1.11. - analýza minerálních fází a zemin - Kotrlý 8.11. - analýza povýstřelovýchzplodin](https://reader030.vdocuments.site/reader030/viewer/2022041116/5f2a4d894620262c997174db/html5/thumbnails/64.jpg)
Raman
různé inkousty stopy výbušnin na dolarovce stopy kokainu na otiskuhttp://www.renishaw.com
dnes spíš problém příliš citlivých přístrojů – vždycky něco najdete