Fluorescence et Rayons X - Chimie

La fluorescence des rayons X est un phénomène physique où un atome est excité par un rayonnement incident, ce qui provoque l'éjection d'un électron interne. Pour compenser cette perte, un électron d'une couche supérieure descend vers la couche inférieure, émettant un photon de rayons X avec une énergie caractéristique.

Les rayons X émis lors des transitions électroniques pendant la fluorescence des rayons X sont appelés rayonnement caractéristique. Chaque élément chimique émet un rayonnement caractéristique à des énergies spécifiques, permettant ainsi de l'identifier.

Lors de la transition d'un électron interne, plusieurs cascades électroniques peuvent se produire, conduisant à l'émission de photons de rayons X à différentes énergies. Ces énergies correspondent aux différences d'énergie entre les niveaux d'énergie atomiques.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) est une technique analytique qui utilise les rayons X caractéristiques émis par les éléments pour déterminer leur composition élémentaire et leur concentration dans un échantillon.

Les atomes avec un numéro atomique (Z) supérieur ou égal à 3 produisent des rayons X caractéristiques. Les éléments légers (H et He) n'ont pas de spectre de fluorescence X car ils n'ont pas d'électrons dans leur niveau L.

Les transitions d'électrons dans la fluorescence des rayons X suivent des règles de sélection. La variation du nombre quantique principal (n) doit être supérieure à zéro (Δn>0) et la variation du nombre quantique azimutal (l) doit être égale à ±1 (Δl=±1).

Les éléments légers comme le béryllium (Be) et le fluor (F) émettent des rayons X de faible énergie qui sont facilement absorbés par l'air et les composants des détecteurs. Leur détection est donc difficile en XRF.

Les gaz rares ne produisent pas de rayons X caractéristiques détectables en XRF car ils sont gazeux et n'ont pas de transitions électroniques appropriées.

Le nombre de transitions possibles augmente avec la taille des atomes. Par exemple, le mercure (Hg) possède 75 transitions possibles.

Seuls quelques transitions les plus intenses sont nécessaires pour caractériser un élément. En général, 5 à 6 transitions suffisent.

La plage d'énergie de fluorescence des rayons X couvre une large gamme, allant de 40 eV à plus de 100 keV, correspondant à des longueurs d'onde de 31 nm à 0,012 nm.

La spectroscopie de fluorescence X (FX) est une technique utilisée pour analyser la composition élémentaire d'un matériau en mesurant les rayons X émis par l'échantillon lorsqu'il est irradié par un faisceau de rayons X.

L'énergie minimale nécessaire pour arracher un électron d'un atome est appelée l'énergie de liaison.

L'équation de Moseley est une formule qui relie l'énergie des rayons X émis à la charge nucléaire (numéro atomique) de l'élément. Cette relation permet d'identifier les éléments présents dans un échantillon.

La spectroscopie de fluorescence des rayons X permet d'identifier les éléments dans un échantillon parce que l'énergie des rayons X émis est directement liée au numéro atomique de l'élément.

La fluorescence des rayons X utilise des transitions électroniques pour identifier les éléments. Un électron interne est arraché, et un électron d'une couche supérieure tombe pour combler le vide, émettant un photon de rayons X caractéristique de l'élément.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) est une technique d'analyse qui utilise les rayons X caractéristiques émis par les éléments pour déterminer leur composition élémentaire et leur concentration dans un échantillon.

Le spectre XRF est un spectre continu généré par la décélération des électrons lorsqu'ils interagissent avec les noyaux d'atomes dans le tube à rayons X.

Les pics caractéristiques sur le spectre XRF correspondent aux raies spectrales des éléments présents dans l'échantillon, qui sont émises par les transitions électroniques spécifiques à chaque élément.

La méthode XRF est particulièrement utile pour analyser les matériaux biologiques, archéologiques ou organiques qui pourraient être endommagés par un bombardement direct de rayons X.

Les détecteurs sensibles à l'énergie des photons X, comme les détecteurs Si(Li) ou SDD, convertissent l'énergie des photons X en un signal électrique quantifiable.

Le tube à rayons X génère les rayons X primaires qui interagissent avec les atomes de l'échantillon pour provoquer l'émission de rayons X secondaires (de fluorescence).

La roue de filtres permet de sélectionner des longueurs d'onde spécifiques des rayons X émis par le tube pour réduire le bruit de fond et améliorer la qualité du signal.

Les filtres utilisés dans la roue de filtres sont choisis pour sélectionner les rayons X de l'élément ou de la gamme d'énergie à analyser.

La relation entre l'intensité du pic et la concentration de l'élément est établie par cette calibration.

Des interactions entre les différents éléments d'un échantillon peuvent influencer l'intensité des pics.

La fluorescence des rayons X (XRF) est une méthode polyvalente employée dans divers domaines scientifiques.

La XRF est utilisée pour analyser la composition élémentaire des artefacts anciens afin de comprendre les matériaux et techniques utilisés.

L'analyse des polluants comme les métaux lourds dans l'environnement (sols, eaux, sédiments) peut être réalisée par XRF.

La XRF est utilisée pour analyser la composition des métaux et des alliages dans l'industrie afin de garantir la qualité.

La XRF peut être utilisée pour analyser les traces de métaux dans les médicaments et dans la recherche biomédicale.

La XRF est utilisée pour analyser les éléments présents sur les scènes de crime afin d'aider dans les enquêtes.

Le scintillateur convertit les rayons X en lumière visible. Lorsqu'un photon X frappe le scintillateur (comme l'iodure de sodium), il provoque une émission de photons de lumière. Cette lumière est ensuite détectée et convertie en un signal électrique par un dispositif photoélectrique (photomultiplicateur (PM)).

L'instrumentation utilisée en XRF peut être divisée en deux catégories principales: ED-XRF et WD-XRF. ED-XRF est souvent privilégié pour des analyses rapides (analyse simultanée) et globales, tandis que WD-XRF est choisi pour des analyses nécessitant une haute résolution spectrale et une meilleure précision.

La préparation des échantillons pour XRF est cruciale pour obtenir des résultats précis. Elle varie selon l'état physique de l'échantillon (liquide ou solide) et sa composition. Les échantillons liquides ne nécessitent généralement pas de préparation spécifique, tandis que les échantillons solides peuvent nécessiter une transformation préalable.

Les échantillons liquides ne nécessitent souvent aucune préparation particulière avant l'analyse. Ils sont placés dans des coupelles spéciales avec un fond transparent aux rayons X, permettant une analyse directe.

Les échantillons solides nécessitent souvent une préparation préalable, telle que la minéralisation, pour simplifier la composition de la matrice et garantir une analyse précise.

La minéralisation est un processus qui transforme la matière organique en matière inorganique, généralement par l'utilisation d'acides forts. Ce processus simplifie la composition de l'échantillon et permet une analyse XRF plus précise.

la profondeur d'absorption des rayons X dans un liquide est généralement limitée à 1 cm pour des substances comme les hydrocarbures, car les rayons X sont absorbés par la matière liquide.

Les coupelles utilisées pour analyser les échantillons liquides en XRF sont généralement faites de polypropylène ou de mylar, des matériaux transparents aux rayons X, ce qui permet de minimiser l'absorption des rayons X et d'obtenir des résultats plus précis.

La fluorescence des rayons X (XRF) est une technique analytique puissante qui identifie et quantifie les éléments présents dans un échantillon en mesurant les rayons X caractéristiques émis par les atomes excités.

La surface de l'échantillon doit être homogène. Le polissage, le nettoyage chimique ou mécanique permet d'éliminer les hétérogénéités car la fluorescence X analyse seulement une fine couche superficielle.

La XRF peut analyser les éléments de numéro atomique moyen à élevé, tels que le fer, le cuivre, le zinc, les métaux lourds et les métaux de transition.

La XRF peut également analyser les terres rares et certains éléments radioactifs, ce qui est important en géologie et dans les matériaux nucléaires.

La XRF peut analyser certains éléments légers, mais sa sensibilité et précision diminuent pour les éléments de faible numéro atomique (Z). Les éléments comme le bore (B), le carbone (C), l'azote (N) et l'oxygène (O) peuvent être difficiles à détecter avec les méthodes XRF standard.

La capacité de la XRF à détecter et à quantifier les éléments dépend de plusieurs facteurs, tels que la concentration de l'élément dans l'échantillon, la matrice de l'échantillon et les spécificités de l'équipement de XRF utilisé.

Le pastillage consiste à comprimer l'échantillon en poudre avec une presse hydraulique en ajoutant une cire pour la cohésion.