A ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO DE UMA AMOSTRA DESCONHECIDA ATRAVÉS DO MÉTODO DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS-X (XRF)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE MATERIAIS

ENG02218 – ANÁLISE DE MATERIAIS POR RAIOS-X

ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO DE UMA AMOSTRA DESCONHECIDA ATRAVÉS DO  MÉTODO DE FLUORESCÊNCIA DE RAIOS-X (XRF)

ALICE GUIMARÃES WENDELSTEIN

DYONES NATAN BOCK

PEDRO TONOM MARTIN 

Amostra: F2101C 

Porto Alegre, 08 de Outubro de 2021

1. OBJETIVO

O objetivo do presente trabalho está na identificação e análise da composição dos elementos presentes em uma amostra desconhecida, F2101C, utilizando a técnica de Fluorescência de Raios-X (XRF).

2. INTRODUÇÃO

O método de análise por Fluorescência de Raio-X está baseado na emissão da radiação característica pela incidência de Raio-X que será absorvido por efeito fotoelétrico, que permite a análise de variados elementos a partir de uma dada energia (eV) ou um dado comprimento de onda (Angstrons) da radiação que está sendo emitida.  Através dessa análise podemos obter um espectro de emissão da amostra, analisando a intensidade da emissão por comprimentos de onda, por exemplo, e assim fazer o estudo da composição elementar da amostra. Por mais que a amostra seja exposta a essas condições de análise, é uma técnica que permite a inspeção de amostras no formato de pó, que é interessante para algumas aplicações, ademais, a técnica pode ser realizada sem a obrigatoriedade de atuar sob vácuo e não caracteriza uma técnica destrutiva.

Na técnica de Fluorescência de Raio-X, haverá a incidência de uma dada radiação com energia suficiente para penetrar uma dada profundidade na amostra, interagindo com os elétrons mais internos da coroa eletrônica dos átomos presentes no Material Alvo (MA), de modo que, essa radiação incidente irá colidir com esses elétrons, desviando sua trajetória fazendo com que esses elétrons do MA absorvam essa energia de interação, e passem do estado fundamental (de menor energia) para um estado excitado (de maior energia).

O Raio-X em função da sua energia, interage prioritariamente com elétrons que estejam ocupando estados com energias similares as energias da radiação, logo, para ter acesso aos elétrons situados mais internamente na coroa eletrônica dos átomos, fatores como estequiometria, número atômico e a proporção de cada tipo de elemento químico presente no material, são relevantes.

No efeito fotoelétrico temos a presenças das chamadas bordas de absorção, em geral, são dados tabelados que definem as descontinuidades, em outras palavras, definem a energia necessária para arrancar um elétron de um dado orbital. Após o arranque do elétron, o átomo está ionizado, ou seja, em um nível energético diferente do seu estado fundamental, e como sabemos pela tendência da natureza ao equilíbrio, o átomo busca evoluir para um estado de menor energia possível(analogia a pilha de latas feita em aula). Transições eletrônicas vão ocorrer, de elétrons presentes em níveis energéticos mais elevados da coroa eletrônica para os níveis de menor energia, e essas transições são responsáveis pela emissão de Raio-X.

A partir disso, podemos identificar quais são os elementos químicos presentes na composição de uma amostra desconhecida, já que o espectro de emissão corresponde às radiações oriundas das transições eletrônicas. Analisando-se as radiações características de cada elemento.

 Para a análise através do comprimento de onda da radiação, como proposto no presente trabalho, utilizaremos o espectrômetro do tipo Espectroscopia de Dispersão de Comprimento de Onda (WDS). É uma técnica que irá analisar a composição da radiação que está sendo emitida pelo material analisado, abrangendo essa radiação como sendo um fenômeno ondulatório, diferentemente da espectroscopia por dispersão de energia que enxerga essa radiação como um feixe de partículas.  

Assim, temos a informação da composição elementar da amostra, onde cada elemento emite um conjunto de radiações características, cada uma com um valor bem definido de comprimento de onda.

3. METODOLOGIA

Utilizando a técnica de Fluorescência de Raios-X por Espectroscopia de Dispersão de Comprimentos de Onda (XRD WDS) em vácuo, buscamos determinar os elementos que compõem a amostra.

A partir dos dados fornecidos para a realização deste trabalho, sabemos que a fonte de radiação utilizada nas medidas foi um tubo do elemento Ródio (Rh) como alvo excitado a uma tensão de 40kV, para a produção do feixe primário.

Como consequência da interação dos elétrons do feixe 1º com os elétrons das coroas eletrônicas presente nos átomos que compõem o MA (amostra), e com a posterior desexcitação dos átomos (feixe secundário), será emitida a radiação característica oriunda das transições eletrônicas, e essa é a radiação de interesse que será analisada no espectrômetro WDS. Que procura identificar quais são as radiações características emitidas pelos átomos do MA em função das transições eletrônicas entre os estados eletrônicos.

Essa radiação 2ª é colimada, passando por fendas, e então é incidida no cristal analisador, onde é possível plotarmos um gráfico de contagens por ângulo. Se soubermos a distância até o analisador, podemos plotar um gráfico de contagens em função do comprimento de onda. E assim podemos encontrar quais são os comprimentos de onda com maior intensidade, que são os comprimentos de onda associados às radiações características dos elementos presentes na composição elementar da amostra. Dos cristais analisadores utilizados nessa análise, estão descritos a seguir na Tabela 1.

Tabela 1: Cristais analisadores utilizados na análise técnica de Fluorescência de Raios-X por Espectroscopia de Dispersão de Comprimentos de Onda, com suas respectivas distâncias interplanares em Angstroms, e a faixa de canais de análise.

Cristal Analisador	Distância Interplanar 2d (Å)	Canal
LiF	4,028	Ti-U;  K, Ca, Sn-Cs
Ge	6,53	Cl; S; P
PET (pentaerythritol)	8,742	Si; Al
TAP (thallium acid phthalate)	25,75	Mg; Na; F; O

Como podemos ver na Tabela 1, diversos canais foram utilizados na análise, classificados em função da faixa de elementos passível de ser identificado no espectro emitido pelo canal. Com base na Lei de Bragg [1] podemos obter o comprimento de onda com que a radiação foi emitida.: