第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、X射線和無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線、射線、宇宙射線一樣，本質(zhì)上同屬于電磁波。只不過(guò)彼此占據(jù)不同的波長(zhǎng)范圍而已。X射線的波長(zhǎng)很短，大約在0.01100 之間，在電磁波譜中，它與紫外線及射線互相搭接。電磁波是一種橫波，它由交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)組成。電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量總是以相同的周相，在兩個(gè)相互垂直的平面內(nèi)作周期振動(dòng)。電磁波的傳播方向總是與矢量和的振動(dòng)方向垂直，傳播速度等于光速。X射線雖然和可見光一樣（沒(méi)有靜止質(zhì)量，但有能量），與光傳播有關(guān)的一些現(xiàn)象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都會(huì)發(fā)生，但由于相對(duì)可見光而言，X射線的波長(zhǎng)要短得多（光量子的能量相應(yīng)要高得多），上述物理現(xiàn)象在表現(xiàn)方式上與可見

2、光存在很大的差異。nX射線只有當(dāng)它幾乎平行的掠過(guò)光潔的固體表面時(shí)，才有可能發(fā)生類似于可見光那樣的全反射；nX射線穿過(guò)不同媒質(zhì)時(shí)，幾乎不發(fā)生偏折（X射線的折射率十分接近1，只在 數(shù)量級(jí)上有差異）。610-不能象可見光一樣使不能象可見光一樣使X射線會(huì)聚、發(fā)散、和變向，射線會(huì)聚、發(fā)散、和變向，使得使得X射線無(wú)法制成顯微鏡！射線無(wú)法制成顯微鏡！n硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。用于金屬探傷的X射線波長(zhǎng)約為0.10.005nm或者更短，而用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線波長(zhǎng)約在0.250.05nm之間。 n軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，

3、可用于醫(yī)學(xué)和非金屬的分析。X射線與其它微觀粒子一樣，既具有波動(dòng)的特性，又具有粒子的特性。描述X射線波動(dòng)性質(zhì)的物理量，如頻率，波長(zhǎng)和描述其粒子性的光量子能量E、動(dòng)量P之間，遵循愛因斯坦關(guān)系式：hcEhnl=hpl=式中 h：普朗克常數(shù)，等于6.625 J.s; c：X射線的速度，等于2.998 cm/s.3410-1010小結(jié)nX射線本質(zhì)上屬于電磁波，它與無(wú)線電波、可見光等并沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別；它所展示出來(lái)的一些特殊的屬性是由于其波長(zhǎng)處于特定的范圍造成的；nX射線可以分為硬X射線和軟X射線，波長(zhǎng)短的稱為硬X射線，其能量高、穿透力強(qiáng)；波長(zhǎng)長(zhǎng)的稱為軟X射線，其能量低、穿透力差。高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)

4、，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。X射線的產(chǎn)生機(jī)理，按量子理論的觀點(diǎn)，源自兩個(gè)物理過(guò)程：n陰極射出的高速電子與靶材碰撞，運(yùn)動(dòng)受阻而減速，其損失的動(dòng)能便以X射線光子的形式輻射出來(lái)，因此這種輻射稱之為韌致輻射；由于高速電子的碰撞過(guò)程和條件是千變?nèi)f化的，因而X射線光量子的波長(zhǎng)必然是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律連續(xù)分布，覆蓋一個(gè)很大的波長(zhǎng)范圍，故稱這種輻射為連續(xù)輻射（或稱白色X射線）；n當(dāng)陰極電子的動(dòng)能足夠大時(shí)，其中的一部分電子將有可能將靶材原子的某個(gè)內(nèi)層電子擊出到電子未添滿的外層，此時(shí)原子將處于不穩(wěn)定的高能激發(fā)態(tài)，各外層

5、電子便爭(zhēng)相向內(nèi)層躍遷，以填補(bǔ)被擊出電子的空位，以使系統(tǒng)能量回到低能穩(wěn)定態(tài)。外層電子向內(nèi)層躍遷過(guò)程中所降低的能量，便轉(zhuǎn)而以一個(gè)X射線光量子的形式向外輻射。X射線光量子的波長(zhǎng)由電子躍遷所跨越的兩個(gè)能級(jí)的能量差來(lái)決定。由于這種X射線的波長(zhǎng)能夠標(biāo)識(shí)原子的原子序數(shù)特征，故稱這種輻射為特征輻射或者標(biāo)識(shí)輻射。X射線譜一、連續(xù)X射線譜具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，其強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線即為連續(xù)X射線譜。短波限在不同管壓下的連續(xù)譜的短波端，都有一個(gè)突然截止的極限波長(zhǎng)0，稱之為短波限。用量子理論很容易解釋短波限的問(wèn)題，即如果在外加電壓U的作用下，擊靶時(shí)電子的最大動(dòng)能就是eU，極限情況是電子在一次碰撞中將全部能量都轉(zhuǎn)化為一

6、個(gè)光量子，這個(gè)具有最高能量的光量子的波長(zhǎng)就是短波限0.max0hcEeUhnl=0hcKeUUl=其中U是電壓；e是電子電荷；h是普朗克常量；c是光速。X射線的強(qiáng)度 nX射線的強(qiáng)度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)光子數(shù)目目的能量總和。能量總和。 常用的單位是J/cm2.s.nX射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.50,而不在0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。n實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流i、管電壓U、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z存在如下關(guān)系： 且X射線管的效率為:2

7、1IK iZU=211KiZUXXKZUiU射線功率射線管效率電子流功率其中K1是常數(shù)，其值約為:9(1.11.4) 10二、特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜當(dāng)X射線的管壓超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)在某些特定的波長(zhǎng)位置處出現(xiàn)強(qiáng)度很高、非常狹窄的譜線疊加在連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線上。改變管流、管壓，這些譜線只改變強(qiáng)度，而波長(zhǎng)值固定不變。這樣的譜線稱之為特征X射線譜或者標(biāo)識(shí)X射線譜。特征X射線產(chǎn)生示意圖21212121nnnnnnnnhEEhcEEh:普朗克常量；n2,n1:電子躍遷前后所在的能級(jí)；c: 光速特征X射線的命名規(guī)則我們定義由不同外層上的電子躍遷到同一內(nèi)層而輻射的特征譜線屬于同一線系，如從L、M、N層上的電子躍遷

8、到K層時(shí)產(chǎn)生的特征X射線都屬于K系特征譜線。按電子躍遷時(shí)所跨越的電子能級(jí)數(shù)目的多少，將同一線系的譜線分別標(biāo)以、等符號(hào)。如電子從L層躍遷到K層時(shí)，跨越了一層，所以其特征譜線為K線，而電子從M層躍遷到K層時(shí)，要跨越兩層，所以其特征譜線記為K線，依次類推。電子能級(jí)間的能量差并不是均等分布的，愈靠近原子核，相鄰能級(jí)間能量差愈大，所以同一靶材的、系譜線中，以K系譜線的波長(zhǎng)最短，而L系譜線的波長(zhǎng)又短于M系；此外，在同一線系各譜線間，如在K系譜線中，必定有：KKKKLM原子中同一殼層上的電子并不處于同一能量狀態(tài)，而分屬于若干個(gè)亞能級(jí)。如L層中的8個(gè)電子分屬于L、L、 L三個(gè)亞能級(jí)； L亞能級(jí)上的電子不能躍遷

9、到K能級(jí)上（選擇定則），所以K線是電子從L 到K（ K ） 、 L 到K（ K ） 躍遷時(shí)輻射出來(lái)的K 和K兩根譜線組成， L層上的四個(gè)電子躍遷到K層的幾率比L 層的兩個(gè)電子躍遷到K層的幾率大一倍，所以組成K線的兩根線的強(qiáng)度比為二比一。雙線的波長(zhǎng)相差很小，在結(jié)構(gòu)分析中常用的K系譜線中：一般情況下是分辨不出來(lái)的，這時(shí)K線的波長(zhǎng)是用雙線波長(zhǎng)的加權(quán)平均值來(lái)表示的：44 10 nm1223KKK特征譜線的波長(zhǎng)隨原子序數(shù)Z的增大而變短，波長(zhǎng)和原子序數(shù)之間的關(guān)系符合莫塞萊定律：1()K ZK和是常數(shù)特征譜線的輻射強(qiáng)度隨管流i、管壓U的增大而增大。K系譜線強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式為：()nkIAi UUA： 比例常數(shù)

10、； Uk：K系譜線的臨界激發(fā)電壓； n: 常數(shù)，約為1.5經(jīng)驗(yàn)表明，欲得到最大的特征X射線與連續(xù)X射線的強(qiáng)度比，X射線管的工作電壓應(yīng)選在35Uk時(shí)為最佳。小結(jié)n連續(xù)X射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子運(yùn)動(dòng)受阻而減速時(shí)，由于能量降低而產(chǎn)生的輻射，其波長(zhǎng)可以是任意值，它不需要擊出靶材原子的內(nèi)層電子；n特征X射線是在靶材原子的內(nèi)層電子被擊出以后，外層電子向內(nèi)層躍遷時(shí)產(chǎn)生的；對(duì)于確定的元素其波長(zhǎng)是特定的。B）非相干散射二、X射線的吸收A） 光電效應(yīng)與熒光輻射當(dāng)入射X射線的光量子的能量足夠大時(shí)，同樣可以將原子內(nèi)層電子擊出，這就是光電效應(yīng)。被擊出的電子稱為光電子。受激原子的外層電子向內(nèi)層躍遷時(shí)，同樣會(huì)輻射出波長(zhǎng)嚴(yán)格一定

11、的特征X射線。由X射線激發(fā)產(chǎn)生的特征輻射稱為二次特征輻射。二次特征輻射本質(zhì)上屬于光致發(fā)光的熒光現(xiàn)象，故也稱這種輻射為熒光輻射。欲激發(fā)原子產(chǎn)生K系熒光輻射，入射X射線光量子的能量必須大于或者至少等于從原子中擊出一個(gè)K層電子所做的功Wk.kkkkkhcWhhcW k是為激發(fā)被照射物質(zhì)產(chǎn)生K系熒光輻射，入射X射線須具有的波長(zhǎng)的臨界值，一般稱之為被照射物質(zhì)大量吸收X射線的吸收限。熒光輻射光量子的能量一定小于激發(fā)它產(chǎn)生入射X射線光量子的能量。B） 俄歇效應(yīng)原子的K層電子被X射線擊出后，處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)L層的電子向K層躍遷時(shí)，將釋放出E=Ek-El能量，這個(gè)能量可以用熒光X射線的形式釋放，也可以被原子內(nèi)部的

12、某個(gè)電子（內(nèi)層或者外層）所吸收，使這個(gè)電子受激發(fā)而逸出原子成為自由電子，這就是俄歇效應(yīng)，這個(gè)電子就是俄歇電子。俄歇電子的能量為： E=Ek-El-El俄歇電子的能量與入射俄歇電子的能量與入射X射線的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅與產(chǎn)生俄射線的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，僅與產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的物質(zhì)的元素種類有關(guān)。俄歇電子的能量很低，歇效應(yīng)的物質(zhì)的元素種類有關(guān)。俄歇電子的能量很低，一般只有幾百電子伏特，因此，只有表面幾層原子所產(chǎn)一般只有幾百電子伏特，因此，只有表面幾層原子所產(chǎn)生的俄歇電子才能逸出表面被探測(cè)，所以俄歇電子可以生的俄歇電子才能逸出表面被探測(cè)，所以俄歇電子可以帶來(lái)物質(zhì)表層化學(xué)成分信息，俄歇電子顯微鏡就是表面帶來(lái)物質(zhì)表層化學(xué)成分

13、信息，俄歇電子顯微鏡就是表面物理研究的重要工具之一。物理研究的重要工具之一。光電效應(yīng)-俄歇效應(yīng)示意圖熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干 的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)C) 熱能三、X射線的衰減當(dāng)一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用以及熱能的轉(zhuǎn)變，使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過(guò)物質(zhì)的距離成正比。/00mttTII eI e IT: 透射束的強(qiáng)度；I0: 入射束的強(qiáng)度；t：物質(zhì)的厚度；：物質(zhì)的密度；m: 物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)。X射線的吸收曲線質(zhì)量吸收系數(shù)與入射X射線的波長(zhǎng)和被照射物質(zhì)的原子序數(shù)有以下的函數(shù)關(guān)系：33mKZK是常

14、數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明四、吸收限的應(yīng)用A）根據(jù)樣品成分選擇靶材X射線結(jié)構(gòu)分析要求盡可能少的激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底。為此，最好使入射X射線的波長(zhǎng)略長(zhǎng)于樣品的K系吸收限k，或者短很多。B）濾波片的選擇n在一些衍射分析工作中，我們?cè)谝恍┭苌浞治龉ぷ髦?，我們只希望是只希望是k輻射的衍射線條，但輻射的衍射線條，但X射線管中發(fā)出的射線管中發(fā)出的X射線，除射線，除k輻輻射外，還含有射外，還含有K輻射和連續(xù)譜，輻射和連續(xù)譜，它們會(huì)使衍射花樣復(fù)雜化。它們會(huì)使衍射花樣復(fù)雜化。n獲得單色光的方法之一是在獲得單色光的方法之一是在X射射線出射的路徑上放置一定厚度的線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡(jiǎn)便地將濾波片，可以簡(jiǎn)便地將K和連續(xù)和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。譜衰減到可以忽略的程度。小結(jié)nX射線與物質(zhì)的相互作用包括二個(gè)方面，分別是物質(zhì)對(duì)X射線的散射、物質(zhì)對(duì)X射線的吸收；nX射線的散射包括相干散射和非相干散射，相干散射又稱為經(jīng)典散射或者湯姆遜散射；而非相干散射是由于X射線與原子外層電子發(fā)生碰撞后能量降低引起的散射；nX射線的吸收主要是由于X射線光子擊出原子內(nèi)層電子產(chǎn)生光電效應(yīng)