Phénomènes de fluorescence et rayons X

Un électron de la couche supérieure "tombe" pour combler la lacune créée par l'éjection d'un électron de la couche inférieure, libérant de l'énergie sous forme de rayons X.

L'énergie des rayons X émis correspond à la différence d'énergie entre les deux niveaux d'énergie électronique impliqués dans la transition.

Une série de transitions électroniques successives qui se produisent après l'éjection d'un électron interne. Chaque transition libère un photon avec une énergie spécifique.

L'émission de rayons X caractéristiques est une conséquence de la relaxation d'atomes excités.

La fluorescence X est un phénomène qui permet d'analyser la composition élémentaire d'un échantillon en utilisant les rayons X émis par les atomes excités.

Les éléments ayant un numéro atomique Z ≥ 3 peuvent produire des radiations X caractéristiques.

Les transitions électroniques sont régies par des règles de sélection qui garantissent que l'électron change de niveau d'énergie de manière spécifique.

Les éléments légers comme le lithium et le fluor produisent des transitions Kα, mais la détection est difficile en raison de la faible énergie des rayons X.

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

Seules les transitions les plus intenses sont nécessaires pour identifier un élément. Généralement, 5 à 6 transitions suffisent.

La fluorescence des rayons X couvre une large plage d'énergie, de 40 eV à plus de 100 keV, correspondant à des longueurs d'onde de 31 nm à 0.012 nm.

La fluorescence des rayons X survient lorsqu'un électron d'un atome est éjecté par un photon incident. L'atome se désexcite ensuite en émettant un photon de fluorescence X.

L'énergie minimale requise pour éjecter un électron d'un atome est appelée énergie de liaison. L'électron est alors excité.

L'équation de Moseley relie l'énergie des rayons X émis à la charge nucléaire (nombre atomique) de l'élément.

La spectrométrie de fluorescence des rayons X est une technique puissante pour l'identification des éléments dans un matériau. Elle est fondée sur l'émission caractéristique de rayons X par les atomes excités.

La préparation des échantillons est essentielle pour des résultats précis en XRF. Elle dépend de l'état physique de l'échantillon (liquide ou solide) et nécessite des méthodes spécifiques pour garantir que l'analyse reflète correctement la composition de l'échantillon.

Les échantillons liquides ne nécessitent aucune préparation particulière avant l'analyse.

Les échantillons liquides sont placés dans des coupelles avec un fond en polypropylène ou mylar (film polyester), transparents aux rayons X.

La profondeur d'absorption des rayons X dans les échantillons liquides peut atteindre jusqu'à 1 cm.

Il est important d'uniformiser la surface des échantillons solides pour éliminer les hétérogénéités superficielles. La fluorescence X analyse seulement une fine couche superficielle.

La compression de l'échantillon en poudre avec une presse hydraulique permet de créer une surface uniforme pour l'analyse.

La minéralisation à haute température (900-1000 °C) est utilisée pour créer un verre transparent aux rayons X. La transformation de l'échantillon en poudre en perle fondue permet d'améliorer l'homogénéité et la précision de l'analyse.

Les fondants abaissent le point de fusion des minéraux et créent une matrice vitreuse homogène. Ils permettent de réaliser une fusion homogène à des températures accessibles et d'obtenir une perle transparente et uniforme pour une analyse précise.

La production de rayons X nécessite un tube à rayons X, un dispositif qui génère des rayons X en utilisant le principe de l'émission d'électrons d'une cathode par effet thermo-ionique et leur accélération par une tension élevée vers une anode.

Le matériau de l'anode joue un rôle crucial dans la production efficace de rayons X. Pour obtenir des rayons X de haute énergie, les anodes sont généralement composées de matériaux à numéros atomiques élevés, car plus le numéro atomique est élevé, plus l'énergie des rayons X produits est grande.

La tension appliquée entre l'anode et la cathode est appelée haute tension (Ua). Cette tension accélère les électrons vers l'anode, ce qui détermine directement l'énergie des rayons X produits. Plus la tension est élevée, plus l'énergie des rayons X est grande.

La production de rayons X génère beaucoup de chaleur. Pour éviter une surchauffe du tube à rayons X, un système de refroidissement est indispensable. L'eau ou l'huile est généralement utilisée comme liquide de refroidissement, entrant (Win) et sortant (Wout) du système.

Les rayons X émis par un tube à rayons X sont généralement dirigés perpendiculairement au flux d'électrons. Ils peuvent être collimatés, c'est-à-dire que leur trajectoire est rendue presque parallèle, et dirigés vers l'échantillon à analyser.

Une source de rayonnement polarisé utilise un cristal spécifique, comme le fluorure de lithium (LiF) ou le germanium (Ge), pour diffuser et polariser les rayons X. Cette technique permet de sélectionner certaines longueurs d'onde, produisant un faisceau quasi-monochromatique polarisé pour exciter l'échantillon.

La spectroscopie à fluorescence X polarisée est particulièrement utilisée pour analyser les échantillons délicats, car elle permet de contrôler et d'optimiser l'excitation de l'échantillon avec un faisceau de rayons X polarisé, ce qui minimise les dommages potentiels.

Une source radioactive peut émettre des rayons X en raison de sa désintégration naturelle. Cependant, les risques liés à la radioactivité, les contraintes réglementaires et les performances limitées font que ces sources sont moins utilisées que les générateurs classiques. Elles sont surtout employées dans les instruments XRF portables en raison de leur petite taille.

La XRF est une technique d'analyse qui utilise des rayons X pour identifier et quantifier la présence d'éléments dans un échantillon.

La capacité de la XRF à détecter des éléments dépend de leur concentration dans l'échantillon, de la composition de l'échantillon et des caractéristiques de l'équipement utilisé.

Les données XRF sont analysées pour créer un spectre montrant l'intensité des pics à différentes énergies, permettant de déterminer les concentrations d'éléments.

La calibration est essentielle pour quantifier les éléments en XRF, en utilisant des étalons de référence de composition connue pour établir une relation entre l'intensité des pics et la concentration.

Les corrections sont souvent nécessaires en XRF pour tenir compte des effets matriciels (interactions entre éléments), de l'absorption et de la fluorescence secondaire.

La XRF est une technique polyvalente utilisée dans divers domaines scientifiques, dont la géologie, la science des matériaux, la chimie, l'archéologie, la biologie, le contrôle qualité industriel, l'environnement, l'alimentation et l'agriculture, la médecine et la pharmacie, et la médecine légale.

La XRF est utilisée en géologie pour analyser les minéraux, la structure des roches et des sols.

La XRF est utilisée en science des matériaux pour caractériser les structures cristallines des matériaux.

Le processus de dilution d'un échantillon avec un fondant pour rendre la matrice homogène et stable, réduisant ainsi les interférences entre les éléments pendant l'analyse XRF.

La matrice vitreuse obtenue après la fusion de l'échantillon avec le fondant est transparente aux rayons X. Cela permet une analyse précise des éléments présents dans l'échantillon.

La minéralisation détruit ou volatilise les composants organiques, volatils, l'eau, les carbonates, les sulfures et les nitrates d'un échantillon, laissant des oxydes métalliques stables.

Les oxydes métalliques stables, produits après la minéralisation, sont dissous dans le fondant pour former une perle homogène. Cette perle est ensuite analysée par XRF.

La XRF analyse la composition élémentaire d'un échantillon en utilisant les rayons X émis par les atomes excités.

La sensibilité et la précision de la XRF diminuent pour les éléments de faible numéro atomique (Z).

La XRF est plus efficace pour les éléments de numéro atomique moyen à élevé, tels que le fer, le cuivre et le zinc.

La XRF est particulièrement adaptée à l'analyse des métaux lourds (plomb, mercure) et des métaux de transition, ce qui est important pour l'environnement et la toxicologie.