x射线光电子能谱仪工作原理

一、X射线光电子能谱的测量原理

X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。

用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。

根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的

一、X射线光电子能谱的测量原理

X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。

用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。

根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的

一、X射线光电子能谱的测量原理

X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。

用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。

根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的

X射线光电子能谱分析

固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。

X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料

X射线光电子能谱分析

固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。

X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料

1. 光学发展的几个阶段 光的本性,波粒二像性, 光子的特性

答: 几何光学,波动光学,光子学, 光子具有极高的信息容量和效率,光子具有极快的响应能力,光子系统具有极强的互连能力与并行能力,光子具有极大的存储能力。 2. 了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点 答： E?E0cos(?t?kz??0)描述了一个在无穷大均匀介质中沿z方向传播的单色的平面行波。

性质：Ｅ与Ｈ相互正交，且垂直波矢k。传输无发散，同一个波阵面上电场的幅度、相位、振动方向相同，波阵面为无限延展的平面，具有无限的能量（理想模型）。

球面波特点：由点源发出，振幅随传输距离的增加而减小，波阵面为球面，等相面随传输距离的增加而增大，任意一点的波矢垂直于的波阵面，且是发散的。发散波特点：有限大的波源，有限的能量，波阵面有一定的弯曲，但波矢始终与波阵面垂直。

3. 理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示

??，

答：群速度：波包的传输速度，能量或信息的传输速度。物理意义：v g??k光波波前的传播方向矢量表示：

能量的传播方向的矢量表示：

4. 理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的

光电子技术（1）：“激光原理”习题

第一章

1、为使He-Ne激光的相干长度达到1km，它的单色性Δλ/λ0应是多少？ 2、试证明：由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命τs=1/A21。 第二章

1、已知凸凹腔R1?1m、R2?2m，工作物质长L'?0.5m、n?1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。

2、已知：方镜共焦腔L＝30cm，镜尺寸d=2a=0.12cm，λ＝632.8nm，镜反射率

r1=1，r2=0.96，其它损耗δ＝0.003（每程）。问：（1）能否单模运转？（2）在镜面附近加方孔选择TEM00模，小孔边长为多大？

3、已知: R1＝1.5m，R2＝－1m，L＝80cm，证明该腔为稳定腔，求出它的等价共焦腔参数，在图上画出等价共焦腔的具体位置。 4、证明所有

a2L?相同而R不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低。

5、已知两凹面镜R1??，R2?1m，问：

（1）如何构成稳定腔，以获得最小的基模远场发散角？ （2）画出光束发散角θ与腔长L的关系曲线。

6、CO2激光器输出光波长为10.6微米，w0=3mm，用F=2cm的凸透镜聚焦，求欲

?=20微米及2.5微米时透镜应放在什么位置。 得到w07、用q参数法求：λ=10.

光电子技术(1)：“激光原理”习题

光电子技术（1）：“激光原理”习题

第一章

1、为使He-Ne激光的相干长度达到1km，它的单色性Δλ/λ0应是多少？ 2、试证明：由于自发辐射，原子在E2能级的平均寿命τs=1/A21。 第二章

1、已知凸凹腔R1 1m、R2 2m，工作物质长L' 0.5m、n 1.52，求腔长L在什么范围内是稳定腔。

2、已知：方镜共焦腔L＝30cm，镜尺寸d=2a=0.12cm，λ＝632.8nm，镜反射率

r1=1，r2=0.96，其它损耗δ＝0.003（每程）。问：（1）能否单模运转？（2）在镜面附近加方孔选择TEM00模，小孔边长为多大？

3、已知: R1＝1.5m，R2＝－1m，L＝80cm，证明该腔为稳定腔，求出它的等价共焦腔参数，在图上画出等价共焦腔的具体位置。 4、证明所有

a

2

L

相同而R不同的对称稳定球面腔中，共焦腔的衍射损耗最低。

5、已知两凹面镜R1 ，R2 1m，问：

（1）如何构成稳定腔，以获得最小的基模远场发散角？ （2）画出光束发散角θ与腔长L的关系曲线。

6、CO2激光器输出光波长为10.6微米，w0=3mm，用F=2cm的凸透镜聚焦，求欲

=20微米及2.5微米时透镜应放在什么位置。 得到w0

7、用q参

摘要：随着科学的进步，光电子技术得到了蓬勃的发展。他不仅由多科学互相融合和互相渗透，而且在各个科学领域的应用也十分广泛，光电子技术指利用光子激发电子或电子跃迁产生光子的物理现象所能提供的手段和方法。本文主要研究了光电子技术的前世今生、发展历程、发展态势、重要应用以及光电子技术今后的发展应用和展望。通过本研究，我们可以更进一步地了解光电子技术的含义，熟悉光电子技术的发展历史、重要应用和所研究的方向、领域。 引言

随着社会科学的加速发展，光电子技术的应用越来越深入到社会生活的各个方面。今天，各种电子高科技产品太多源于光电子技术，可以说，没有光电子技术的加速发展就没有我们现在的美好生活。相信在以后的生活中，光电子技术会得到更普遍的应用，得到更多的人重视。自1960年世界第一台红宝石激光器的诞生起，光电技术的发展步伐明显加速，仪器、技术等更新频繁。 目前，人们都倾向认为光电子技术的发展历史应从1960年激光器的诞生算起。尽管其历史可追溯到19世纪70年代，但那时期到1960年，光学和电子学仍然是两门独立的学科，因而只能算作光电子学与光电子技术的孕育期。光电子技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的的共同行为来执行其功能，是世纪之交

原子物理学教案20

X射线的发射谱

实验测得的X射线的发射谱----X射线的波长与强度的关系如图所示。从图中可以看出，X射线谱是由两部分构成的，一是波长连续变化的部分，称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的谱线，这部分线状谱线要么不出现，一旦出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，故这部分谱线称之为特征谱，又称标识谱。

一、连续谱----轫致辐射

经典电动力学告诉我们，带电粒子变速运动时伴随着辐射；当带电粒子与原子相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称之为轫致辐射，又称为刹车辐射．

由于在带电粒子到达靶子时，在靶核的库仑场的作用下带电粒子的速度是连续变化的，因此辐射的X射线就具有连续谱的性质。

实验测到的连续谱存在一个最小波长?min，其数值只依赖于外加电压V，而与原子序数Z无关，如图所示。实验发现，连续谱的最小波长?min与外加电

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原子物理学教案20

压V的关系为：

1.24?min?nmV(kV)

式中V是外加电压，以kV为单位．由此得到的波长?min的单位是nm。

要解释上式的物理含义，必须要利用光的量子说。如果一个电子在电场中得到的动能Ek?1eV，当它到达靶子时，它全部能量就转成