第二章 X射線及其與物質的相互作用

第二章X射線及其與物質的相互作用§2.1X射線的性質

X射線可看成具有一定能量E、動量P的X光子流h為普朗克常量，h=6.6310-34J·s。

X射線的是一種電磁波，波長范圍為0.001~10nm，具有波粒二象性，即具有波動性和粒子性。硬X射線：波長較短、能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長較長、能量較低，穿透性弱，可用于非金屬材料的分析。（1）使一些物質發(fā)出可見的熒光；

X射線可產(chǎn)生物理、化學和生化作用，引起各種效應，如：（3）破壞物質的化學鍵，形成新鍵，促進物質合成；（2）使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光；（4）引起生物效應，導致新陳代謝發(fā)生變化。高速運動的電子流高能輻射流在突然被減速時均能產(chǎn)生X射線§2.2X射線的產(chǎn)生射線X射線中子流

X射線管

X射線管的工作原理X射線管電子槍：產(chǎn)生電子并將電子束聚焦，鎢絲燒成螺旋式，通以電流鎢絲燒熱放出自由電子。金屬靶：發(fā)射X射線，陽極靶通常由傳熱性好熔點較高的金屬材料制成，如鎢、銅、鈷、鎳、鐵等。整個X射線光管處于真空狀態(tài)。當陰極和陽極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時，陰極燈絲產(chǎn)生的電子在電場的作用下被加速并以高速射向陽極靶，經(jīng)高速電子與陽極靶的碰撞，從陽極靶產(chǎn)生X射線，這些X射線通過用金屬鈹（厚度約為0.2mm）做成的X射線管窗口射出，即可提供給實驗所用?！?.3X射線管的X射線譜1.連續(xù)X射線譜：強度隨波長連續(xù)變化的光譜。

X射線連續(xù)譜的強度隨著X射線管的管電壓增加而增大,最大強度所對應的波長max變小，短波限0減?。贿B續(xù)譜中接近最短波長處的輻射較多。連續(xù)譜總強度為：A為常數(shù)，Z為陽極材料的原子序數(shù)，m接近于2。短波限為：當能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子損失自己的能量，其動能的一部分以X射線光子的形式輻射出來，其余部分轉變?yōu)闊崮?。在與陽極靶相碰的眾多電子中，有的輻射一個光子，有的則多次碰撞輻射多個能量各異的光子，它們的總和就構成連續(xù)譜。連續(xù)譜的量子理論解釋：短波限的量子理論解釋：因為光子的能量來源于高速電子的能量，所以光子的能量一般小于電子的能量；但也有一些電子是通過一次碰撞將其動能毫無保留地全部地轉變?yōu)楣庾拥哪芰浚藭r一個光子的能量為：式中e是電子電荷，等于1.60210-19C；U是電子通過兩極時的電壓降；h是普朗克常數(shù);ν和λ是X射線的頻率和波長。

X射線特征譜只有當管電壓超過一定值U激時才會產(chǎn)生，只取決于X射線管的陽極靶材料，不同的靶材具有其特有的特征譜線。特征譜線又稱為標識譜。2.特征X射線譜：波長一定、強度很大的光譜。特征譜的原子理論解釋：K系標識X射線：從L，M，N…殼層中的電子躍入K殼層空位時所釋放的X射線，分別稱之為K

、

K

、

K…譜線，共同構成K系標識X射線。E與Z的平方成正比，所以有這稱為莫塞萊定律?！?.4X射線在物質中的衰減1.衰減定律（1）衰減定律透過厚度元dx的X射線強度為Ix+dx，則強度的相對變化為：穿透系數(shù)I/I0

：I/I0愈小,表示X射線被衰減的程度愈大。質量衰減系數(shù)m：是單位質量物質對X射線的衰減程度，其值的大小與溫度、壓力等物質狀態(tài)參數(shù)無關，但與X射線波長及被照射物質的原子序數(shù)有關。（2）衰減系數(shù)線衰減系數(shù)l

：當X射線透過單位長度物質時強度衰減的程度，l值愈大，則強度衰減愈快。為被照射物質的密度。衰減定律還可以寫作：工作中有時需要計算n個元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質量衰減系數(shù)μm

，由于μm與物質的存在狀態(tài)無關，因此衰減系數(shù)可按下式求（3）復合物的衰減系數(shù)式中Wn為吸收體中各組元的質量分數(shù)，而μm為各組元在一定X射波長時的質量衰減系數(shù)。2.散射與吸收

X射線通過物質時的衰減是由吸收和散射造成的。因此質量衰減系數(shù)m可以寫作（1）質量散射系數(shù)σm與質量吸收系數(shù)τm在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，故μm≈τm

。質量吸收系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此吸收與波長及原子序數(shù)的關系

μm與λ

的關系曲線中的一些突變對應的波長稱吸收限。與K層電子對應的吸收稱K吸收限，常用K表示。與L層對應的吸收稱L吸收限，因L層有三個亞層，因此有三個吸收限。同理M層有五個吸收限。（2）X射線的吸收機制物質對Ⅹ射線的吸收，是指Ⅹ射線通過物質時光子的能量變成了其他形式時能量。Ⅹ射線通過物質時產(chǎn)生的光電效應和俄歇效應，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光Ⅹ射線的能量，使X射線強度被衰減，是物質對Ⅹ射線的吸收過程。

（3）X射線散射相干散射：當入射X射線與散射X射線波長相同時，相位滯后恒定，散射線之間能相互干涉。非相干散射：當散射X射線波長與入射X射線波長不同時，散射線之間不相干?？灯疹D散射即為非相干散射。3.濾波片

X射線管中發(fā)出的標識Ⅹ射線，除Kα輻射外，還含有Kβ輻射和連續(xù)譜。在一些衍射分析工作中，只希望Kα輻射的衍射線條出現(xiàn)，因Kβ輻射的存在，會使衍射花樣復雜化。在X射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地將Kβ和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。

當濾波片材料的K吸收限位于Kα和Kβ輻射之間時，因它們所處位置吸收系數(shù)相差懸殊，故通過濾波片后Kα減弱甚微Kβ則被大大削弱，從而起到將Kβ濾去的作用。

從實驗測定的各種陽極靶的標識譜和各種物質的K吸收限數(shù)值，可以將濾波片的選擇規(guī)則歸納為（1）Z靶＜30時，Z濾＝Z靶-1；（2）