1. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
РЕНТГЕНФЛЮОРЕСЦЕНЦИЙН ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГА
Рентген туяаны физик ба рентгенфлуоресценцийн цацрагыг ашиглан хатуу ба шингэн
дээжийн найрлагыг илэрхийлсэн спектрийг гаргах онолын үндэслэл болон
рентгенфлуоресценцийн анализаторын бүтэц, хийц, ажиллагааны зарчмыг өгүүлнэ. Рентген
анализын арга нь бодисын бүтэц ба химийн найрлагыг тодорхойлсон рентген диффракцийн ба
рентгенфлуоресценцийн гэсэн хоѐр төрөлд ангилагдана. Рентгенфлуоресценцийн анализын арга
нь янз бүрийн объектуудын тухайлбал: биологи, геологи, хүнс, барилгын үйлдвэрүүдийн
технологийн процессыг хянахад өргөн хэрэглэгддэг болно. Учир нь шинжилгээг маш хурдан
гүйцэтгэдэг болно. Шинжилгээний үр дүнг элементийн агууламжийг чанар ба тооны хэлбэрээр
гаргана.
Шинжилгээг хэрхэн хийдэг вэ? Дээжин дэхь атомуудын тодорхойлогч рентген туяаны
үүсэлт.
Рентгенфлуоресценцийн туяаны спектрийн хэлбэр
NISR SMR Mонтаногийн хөрсний дээж үүсгүүр Cd – 109, детектор Si (Li)
Үүссэн түүхээс
1

2. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
1895: Вильгелм Конрад Рентген (Верзбургийн Их Сургууль) туршилтаар
хоолойноос гарах рентген туяаг нээсэн. X = үл мэдэгч ⇒ X-цацраг буюу X-туяа
1913: Рентген хоолойг ашиглан XRF туяа үүсэх бололцоотойг туршилтаар
үзүүлсэн.
1913: Мозелийн хууль: ν = K(Z− σ)2
1948: Фраедман ба Биркс нар долгионы уртын ялгалттай XRF спектрометрийн
анхны хэлбэрийг бүтээсэн.
1965: АНУ –ын Лоренц Беркелийн лабораторд Si(Li) детекторийн хийж, энергийн
ялгалттай анхны системийг бүтээсэн.
Рентген цацрагын төрх шинж. Хэт ягаан туяа ба γ цацрагийн хооронд орших цахилгаан
долгионы мужийг рентген цацраг (x-ray) гэнэ.
Дифракцийн үзэгдлийг авч үзэхдээ λ долгионы урттай цахилгаан соронзон долгион болох
рентген цацрагын урьтал болгоно.
Рентген туяаны шингээлт ба сарних үзэгдлийг судлахдаа E энерги бүхий фотоны урсгалыг
ашигладаг
Энерги ба долгионы уртын
хоорондын холбоо:
Энд: h – Планкийн тогтмол
(6.6254·10-34 Ж·с), c – Гэрлийн
долгионы хурд (3.00·108 м/с),
λ – Долгионы урт, м , E –
энерги, Ж
Долгионы уртын нэгж, Ангестрм
(1 = 0.1нм = 10-10 м)
Энерги, Кило-электровольт (кэВ)
(1Ж = 6.24·1015 КэВ)
Тодорхойлогч рентген туяаны цацаргалт
Фотоцахилгаан шингээлтийн дараа атом цочирсон төлөвт орно.
Электроны хоосон байр нь гадаад давхрааны электроноор бөглөгдөнө.
Эдгээр хоѐр төлөвийн энергийн ялгаанаас (K ба L давхраа, мөн L3 давхраан дахь байр)
рентген туяаны фотон цацарна.
Элемент болгоны электронууд хувийн энергийн түвшинтэй бөгөөд түүнээс нь хамаарч
элемент болгоны хувьд энергиэрээ ялгаатай рентген туяа үүсэх бөгөөд үүнийг
“тодорхойлогч(характеристик) туяа” гэж нэрлэдэг.
Цацаргалт нь квант механикийн сонгодог дүрмүүдэд захирагдана. Жишээ нь:
Δn > 0, Δ l = ±1, ба Δ j = 0 эсвэл ±1.
Рентгенфлуоресценц (XRF)-ийн багажны үндсэн бүтэц XRF –ийн багаж:
2

3. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
q Дээж баригч хэсэг
q Рентген туяаны үүсгүүр (дээжнээс гарсан)
q Спектрометр (энерги/долгионы уртын хэмжигч
ба рентген туяаны тоолуур)
Долгионы уртыг ялгадаг (WD-XRF)
спектрометр
Энергийн ялгалттай (ED-XRF) спектрометр
Зураг 1. Материалын технологийн сургуулийн Анализын нэгдсэн лабораторийн
Рентгенфлуоресценцийн
багажны гадаад байдал( Япон,Horiba
компани).
Зураг 2. Рентгентуяаны хоолойн
бүтэц.
• Вакуум татуулсан шилэн хоолойд
улайсгагч вольфрам (катод) ба анод
байрлуулна.
• Анод нь: маш цэвэр металл (Cr, Mo,
Rh, Ag, W)
• Нам вольтын хүчдлээр катодыг халааж W утаснаас электроныг цацруулна.
• Сөрөг утга бүхий өндөр хүчдлийг улайсгуурт өгч электроныг хурдасгаж анодруу бөмбөгдөнө
• Үүссэн рентген туяа хоолойноос бериллийг цонхоор гадагш гарна.
Рентгенфлуоресценцийн тооны шинжилгээг:
жиших муруйн
үндсэн параметрүүдийн тооцооны гэсэн хоѐр аргаар хийнэ.
3

4. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
Зураг 3. Рентгенфлуоресценцийн шинжилгээний калибрийн муруй
Зураг 4. Рентгенфлуоресценцийн шинжилгээний
Үндсэн параметрүүдийн тооцооны
Рентгенфлуоресценцийн анализын хэрэглээ.
Энэхүү багажны тусламжтайгаар эрдэс түүхий эд,
төмөрлөг, барилгын янз бүрийн материал, хүнсний
бүтээгдэхүүн амьтан ургамалд агуулагдах элементүүдийн
(Be-гээс U хүртэл нийт 82 элемент) агууламжийг хатуу,
шингэн дээжинд нэгэн зэрэг хурдан (3 минутанд)
тодорхойлохын зэрэгцээ шинжилгээний хариуг түргэн
гаргах шаардлагатай хил гаалийн хяналт хийх,
үйлдвэрлэлийн технологийн процессын дамжлага дахь
бүтээгдэхүүний чанарыг хянах зорилгоор өргөн
ашигладаг болно.
AТОМ ШИНГЭЭЛТИЙН СПЕКТРОМЕТРИЙН АРГЫН ҮНДЭС
Орчин үед эрдэс, түүхий эд, ус, хүнсний бүтээгдэхүүн болооод хүрээлэн буй орчны
бохирдолын лабораторийн шинжилгээнд өндөр мэдрэх чадвар бүхий эдийн засгийн хувьд үр
ашигтай физик аргуудыг, ялангуяа атомын шингээлтийн спектрометр (AAS)-ийн аргыг өргөн
хэрэглэх болсон. Атомын шингээлтийн спектрометрийн арга нь олон тооны металлын ионуудыг
нарийвчлал сайтай, өндөр мэдрэмжтэй шинжилгээний аргуудын нэг юм.
Үүссэн түүх. 1802 онд Волластон нарны гэрлийн спектрээс темный шугамыг илрүүлсэн.
1814 онд Фраунгофер цагийн спектроскопи буй болгон түүний тусламжтайгар нарны гэрлийн
темный шугамын тодорхой урттай долгионыг аравт аравтаар нь каталог болгон эмхэлсэн. Бунзен
өнгөгүй дөлийг гарган авч хийн горелкийг зохион бүтээсний зэрэгцээ нарны гэрлийн темный
гэрлийн үүсэж буй учир шалтгааныг “Элемент бүрийн атомууд тодорхой урттай гэрлийн
долгионыг шингээж мөн цацруулдаг” болохыг нээсэн.
1953-1955 онд Австралийн физикч Уолш атом шингээлтийн аргыг сайжруулан хөндий
катодтой лампийг ашиглан атом шингээлтийн спектрометрээр хэмжилт хийн улмаар
монохроматор шинж чанартай цацрагаар гэрлийн үүсгүүр хийж болохыг тогтоосон. Тэрээр
судалгаа шинжилгээ, дөлийн фотометрийн туршилтийн үндсэн дээр 1957 онд атомын
шингээлтийн дөлөн спектрометр(AAS)-ийг анх зохион бүтээжээ. Атомын шингээлтийн
спектрометрийн арга нь саармаг атомуудын гэрлийг шингээх үзэгдэл дээр үндэслэгдэнэ. Атомын
шингээлтийн спектрометрийн үндсэн зарчим нь металлуудын атом нь тодорхой долгионы уртад
гэрлийг шингээх шинж чанар буюу гэрэл хөндий катодтой лампаас дөлийг дайран өнгөрөхдөө
ижил атомуудын долгионы урттай резонансын цацраг үүсгэн монохроматорт (фильтрээр)
ялгагдан фотодетекторт бүртгэгддэг болно.
Атомын шингээлтийн спектрометрийн аргын физик утга нь: Атом нь цөм түүнийг
тодорхой орбитоор тойрч эргэлдэх электронуудаас бүрддэг ба үндсэн төлөвт орших үед гадаад
орбитын электрон нь хамгийн бага энергийн түвшинд байх ба харин атом нь цацраг шингээснээр
гадаад бүрхүүлийн электрон энергийн өөр түвшинд (өдөөгдсөн төлөв) шилждэг. Ингэж энергийн
түвшинд шилжихийг атом өдөөгдлөө гэдэг. Өдөөгдсөн атом 10-8-10-9секунтэнд эргээд үндсэн
төлөвтөө шилжих ба энэ үедээ өдөөгдсөн ба үндсэн төлөвүүдийн энергийн ялгаанд тохирох
долгионы урт бүхий спектрийг цацраадаг. Үүнийг спектрийг цацруулах үзэгдэл гэнэ. Цацраг
шингээлт ба цацруулалтын аль алины хувьд цацрагийн долгионы урт ба энергийн түвшний
хооронд дараах хамаарал үүсдэг билээ.
4

5. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
E1 -өдөөгдсөн төлөвт буй электроны энерги, n–гэрлийн давтамж
E0 – үндсэн төлөвт буй электроны энерги, h=6.62 10-27 эрг· с - Планкийн тогтмол
Энд: Вакуумын орчин дахь гэрлийн хурд С=3·105 км/с, l-долгионы урт, нм
Атом шнгээлтийн спектрометрийн багаж. Атомын шингээлтийн спектрометрийн багаж
нь үйлдвэрлэгч нэг бүрийн хийцээс хамаарч гадаад байдлаараа хэдий ялгаатай мэт боловч дотоод мөн
чанараараа адилхан бөгөөд дараах үндсэн бүтцийг агуулсан байдаг.
Зураг 1. Материалын технологийн сургуулийн
Анализын нэгдсэн лабораторийн Атомын
шингээлтийн спектроскопийн гадаад
байдал(Japan,Shimadzu ).
Al-ийн хөндий катодтой ламп Ламп цахилгаан гүйдлийн тусламжтайгаар тухай
элементийн цацаргийг үүсгэнэ.
зураг 2. Лампа түүнийг багажинд суурилуулсан байдал
Зураг 3. Cd стандарт уусмалаар калибрийн муруй байгуулах хэмжилтийн шингээлтийн
спектр.
AШС дээр хэмжилтийг хоѐр янзаар гүйцэтгэж болно.
Эмиссийн (Цацаргалтын)
Абсорбцийн (Шингээлтийн)
5

6. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
Эмиссийн хувилбараар ихэнхдээ дөлөнд өөрсдөө өдөөгддөг шүлтийн болон газрийн шүлтийн
металлыг тодорхойлдог учир ламп хэрэглэдэггүй. Харин үелэх системийн ихэнх элементүүдийн
агуулгыг абсорбцийн хувилбараар тодорхойлж болдог юм.
Хүснэгт.1 Атомын шингээлтийн анализаар тодорхойлогдох элелементүүдийн анализын
шугамын долгионы урт болон хэмжигдэх дээд хязгаар
Хэмжигдэх дээд хязгаар Хэмжигдэх дээд хязгаар
(mg/ml) (mg/ml)
Анализын Анализын
Өндөр Өндөр
шугамын шугамын
Элемент температурт Элемент температурт
долгионы Дөлийн долгионы Дөлийн
урт (нм) аргаар урт (нм) аргаар
С-ын зуухын С-ын зуухын
аргаар аргаар
Ag 328.1 0.001 0.00001 Nb 334.4 3.0*
Al 309.3 0.03* 0.0001 Nd 463.4 2.0*
As 193.7 0.03 0.0008 Ni 232.0 0.005 0.0009
Au 242.8 0.02 0.0001 Os 290.9 0.4*
B 249.7 2.5* 0.02 P 21* 0.0003
Ba 553.6 0.02* 0.0006 Pb 283.3 0.01 0.0002
Be 234.9 0.002* 0.000003 Pd 247.6 0.01 0.0004
Bi 223.3 0.05 0.0004 Pr 495.1 4.0*
Ca 422.7 0.001* 0.00004 Pt 265.9 0.005 0.001
Cd 228.8 0.001 0.000008 Rb 780.0 0.005 0.0001
Ce 520.0 Re 346.0 0.6*
Co 240.7 0.002 0.0002 Rh 343.5 0.02* 0.0008
Cr 357.9 0.002 0.0002 Ru 349.9 0.06*
Cs 852.1 0.05 0.00004 Sb 217.5 0.03 0.0005
Cu 324.7 0.001 0.00004 Sc 391.2 0.1* 0.006
Dy 421.2 0.2* Se 196.0 0.1 0.0009
Er 400.8 0.1* Si 251.6 0.1* 0.00005
Eu 459.4 0.04* 0.0005 Sm 429.7 0.6*
Fe 248.3 0.004 0.001 Sn 224.6 0.05 0.02
6

7. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
Ga 387.4 0.05 0.0001 Sr 460.7 0.005* 0.0001
Gd 368.4 4.0* Ta 271.5 3.0*
Ge 265.2 0.1* 0.03 Tb 432.6 2.0*
Hf 307.3 Te 214.3 0.05 0.0001
Hg 253.7 0.5 0.002 Th
Ho 410.4 0.1* Ti 364.3 0.09* 0.004
In 303.9 0.03 0.00004 Tl 276.8 0.02 0.001
Ir 264.0 1.0* Tm 371.8 0.04*
K 766.5 0.003 0.004 U 351.4 20.0*
La 550.1 2.0* V 318.4 0.02* 0.0003
Ln 670.8 0.001 0.0003 W 400.9 3.0*
Lu 331.2 2.0* Y 407.7 0.3*
Mg 285.2 0.0001 0.000004 Yb 398.8 0.02* 0.00007
Mn 279.5 0.0008 0.00002 Zn 213.8 0.003 0.000003
Mo 313.3 0.03* 0.0003 Zr 360.1 4.0*
Na 589.0 0.0008
Атомын шингээлтийн спектрометрийн аргыг орчин үед дэлхий орнуудад химийн
шинжилгээнд маш өргөн хэрэглэх болсон. Манай оронд ч мөн адил сүүлийн жилүүдэд уул
уурхайн салбар хөгжсөнтэй уялдан олон лабораторид хэрэглэх болсон юм. Австрали, Герман,
Япон, Америк, Хятад зэрэг орнуудаас манай улсад одоогоор 20 гаран AAС-ийн багажийг оруулж
ирэн ашиглаж байна. Уул уурхайн төрөл бүрийн дээж, хүнс , хөрс, агаар гэх мэт маш олон
төрлийн дээжүүдийн шинжилгээнд хэрэглэж байна. Энэхүү аргаар 80 гаруй элементийн агуулгыг
ppm болон ppb-ийн хэмжээнд тодорхойлох боломжтойгоороо давуу талтай юм.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЙН АРГА
Олон тооны органик болон органик бус бодисууд нь гадны үйлчлэлийн улмаас өөрөө
аяндаа гэрэлтэх чадвартай бөгөөд энэ үзэгдлийг люминесценци гэнэ. Люминесценци гэсэн нэр нь
латин lumen –гэрэл гэсэн үгнээс гаралтай. Люминесценцийнн үзэгдлийг хүн төрөлхтөн эрт дээр
үеэс мэдсэн боловч түүний онолын үндэс, практик хэрэглээ өнгөрсөн зууны 30-40 оны үед
бүрэлдсэн байна. Н.т.ө. 1500 оны үе дэх хятад номонд люминесценцийн үзэгдлийн тухай өгүүлсэн
байдаг. Эртний грекууд люминесценцлэгддэг материалуудыг хэрэглэдэг байжээ. 1603 онд италийн
алхимич Vincenzo Casciarolo гэрэлтдэг чулуу нээжээ. Энэ чулууг улайссан нүүрсэн дотор хийгээд
гаргаж авахад өөрөө гэрэлтдэг болдог бөгөөд түүний найрлаганд барийн сульфат ордогийг
тогтоосон байна. Зураг 1. Биолюминесценцийн жишээ
7

8. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
Зураг 2. Электролюминесценцийн жишээ
Зураг 3. Хэт ягаан туяаны нөлөөгөөр гэрэлтдэг эрдэсүүдийн цуглуулга
Люминесценцийн ангилал
Төрөл Жишээ
А Халаах процесстой холбоотой
1 Катодолюминесценци ZnO-ийг халаахад
2 Пиролюминесценци Натрын шар дөл
8

9. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
3 Термолюминесценци Алмаз халаахад
Б Урьдчилан туяагаар үйлчлэхтэй холбоотой
1 Фотолюминесценци BaSO4
2 Катодолюминесценци Телевизийн дэлгэц
3 Радиолюминесценци Гэрэлтдэг будаг
В Цахилгааны үзэгдэлтэй холбоотой
Электролюминесценци ба
1 Флуоресценцийн туузан гэрэл
пьезолюминесценци
2 Гальванолюминесценци NaBr-ын электролиз
3 Сонолюминесценци Цэвэр глицеролын ультрасоник зонд
Г Хатуу биет дэх бүтцийн өөрчлөлттэй холбоотой
1 Триболюминесценци Уранил нитратыг (UO2(NO3)2.6H2O) зөөлөн хутгах
Шүлтийн металлын галогенидын ханасан уусмал дээр
2 Кристаллолюминесценци
HCl эсвэл этанол нэмэх
Д Химийн урвалтай холбоотой
1 Хемилюминесценци Люминол + H2O2 ба пероксидаз
2 Биолюминесценци Далайн жижиг организмууд
Люминесценцийн арга нь бодисын молекул, атом, ион нь гэрлийг шингээн электроны
шилжилтэнд орж, энeргийн үндсэн (Е0) төлөвөөс өдөөгдсөн (Е1, Е2, ...) төлөвт очоод эргээд үндсэн
төлөвтөө шилжихдээ гэрлийг цацруулан гэрэлтэх үзэгдэл дээр үндэслэгдэнэ. Үүнийг дараах
бүдүүвчээр харуулав (Зураг 4).
Зураг 4. Люминесценцийн үзэгдэл үүсэх ерөнхий бүдүүвч
9

10. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
Дээрхи 2 үзэгдэлд харгалзах спектрүүдийг доор харуулав (Зураг 5).
Зураг 5. Шингээлтийн ба люминесценцийн спектрууд Зураг 6. Стокс-Ломмелын хууль
Шингээлтийн ба люминесценцийн спектр нь тодорхой зүй тогтлоор өөр хоорондоо
холбогдоно. Үүнийг Стокс-Ломмелын хуулиар илэрхийлнэ. Люминесценцийн спектр нь бүхэлдээ
болон максимум хэсгээрээ шингээлтийн спектртэй адилхан бөгөөд гагцхүү долгионы урт ихсэх
тал руугаа шилжсэн байдаг. Үүнийг Зураг 6-р харуулав.
Шингээлтийн ба люминесценцийн спектруудын ийм байрлалын шалтгаан нь гэрлийн
энергийг молекул шингээж өдөөгдсөн байдалд шилждэг. Энэ энергийн хэсэг нь молекулын
хэлбэлзлийн түвшингүүдэд хувиарлагдсан дулааны хэлбэрт шилжих ба нөгөө хэсэг нь гэрлийн
хэлбэрээр ялгарна. Иймээс люминесценцийн үед квант энерги нь өдөөх үеийн энергийн квантаас
бага байдаг. Люминесценцийн анализыг янз бүрийн флуориметрээр эсвэл спектрофлуориметрийн
тусламжтайгаар явуулдаг. Энэ нь үндсэндээ шингээлтийн фотометрийн аргатай төстэй байдаг
(Зураг 7).
Зураг 7. Люминесценцийн анализын аргын багажнууд
10

11. ХҮНСНИЙ ШИНЖИЛГЭЭНИЙ АРГАЧЛАЛ ЛЕКЦ 8
11