第6章-X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

第六章

X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1第一節(jié)X射線的性質(zhì)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生與X射線譜第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用第六章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2第一節(jié)X射線的性質(zhì)1.X射線的發(fā)現(xiàn):X射線是1895年11月8日由德國(guó)物理學(xué)家倫琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，他用黑紙把真空放電管嚴(yán)實(shí)包裹，以防透光。實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)凳子上涂有氰亞鉑酸鋇硬紙板發(fā)出淺綠色熒光，試著木塊、硬橡膠等擋也擋不住，甚至可透過(guò)人的骨骸!當(dāng)時(shí)對(duì)此射線本質(zhì)尚無(wú)了解，故取名X射線（倫琴射線）。這一偉大發(fā)現(xiàn)，倫琴于1901年第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。32.威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm

Konrad

R?ntgen）攝于1896年1845年3月27日生于德國(guó)萊茵州雷內(nèi)普

（Lennep）鎮(zhèn)。1869年獲蘇黎世大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位1870年回德國(guó)維爾茨堡大學(xué)工作。1894年任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)。1895年11月8日發(fā)現(xiàn)了X射線。1900年任慕尼黑大學(xué)物理研究所教授，主任。1901年，獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1923年2月10日，在慕尼黑去世。威廉·康拉德·倫琴（1845－1923）43.倫琴夫人的手－攝于1895年12月22日六個(gè)星期后，倫琴確認(rèn)是一種新射線，才告訴自己夫人。1895年12月22日，他邀請(qǐng)夫人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，用光電管照射了15分鐘，拍下了第一張人手X射線照片。54.X射線在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用－－X射線透視學(xué)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，一個(gè)月內(nèi)發(fā)表了《一種新射線》的文章，引起社會(huì)各界強(qiáng)烈的反應(yīng)。消息傳遍全球，各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展試驗(yàn)研究。雖未了解此現(xiàn)象本質(zhì)，因其有強(qiáng)大穿透力，能透過(guò)人體顯示骨骼，迅速被醫(yī)學(xué)界廣泛利用，成為透視人體、檢查傷病的有力工具，產(chǎn)生了X射線透視學(xué)。后來(lái)又用于金屬探傷，對(duì)工業(yè)技術(shù)也有很大促進(jìn)作用。

65.X射線最初醫(yī)療診斷－1896.2.3美國(guó)Dr.EdwinFrost(1866-1935)76.X射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)1895～1897年間，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，搞清了X射線產(chǎn)生、傳播、穿透力等特性：1.

X射線雖人眼看不見(jiàn)，但能使某些物質(zhì)發(fā)出熒光。使照相底片感光，使氣體、原子電離。2.X射線沿直線傳播，經(jīng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3.

X射線有很強(qiáng)穿透力，通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收而強(qiáng)度衰減。4.

X射線還能殺傷生物細(xì)胞……等特性。但對(duì)X射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，是對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究，即與X射線在晶體中發(fā)生衍射現(xiàn)象是分不開(kāi)的。87.X射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（一）1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞埃（M.VonLaue）利用晶體作為天然光柵成功觀察到了X射線衍射現(xiàn)象。他用CuSO4·5H2O進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了第一張X射線衍射照片。1914年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)MaxvonLaue馬克斯?馮?勞埃(1879-1960)98.X射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（二）X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：1.

肯定了X射線的本質(zhì)。即是一種電磁波，有波動(dòng)性。2.

證實(shí)了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。為晶體微觀結(jié)構(gòu)研究提供了嶄新的方法。晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)：從微米→納米級(jí)，有更接近本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)的工作稱－X射線晶體學(xué)或X射線衍射學(xué)。CuSO4·5H2O衍射照片世界上第一張X射線衍射照片109.布拉格定律的建立和莫塞萊定律的發(fā)現(xiàn)英國(guó)布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）對(duì)此進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性工作。1912年，W.L.布拉格進(jìn)行了勞埃實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：衍射斑點(diǎn)的產(chǎn)生是射線受到類似鏡面“反射”的結(jié)果。并從勞埃方程式導(dǎo)出布拉格方程，推算出KCl及NaCl原子排列方式，并真正測(cè)量了X射線波長(zhǎng)。后一工作導(dǎo)致1913-1914年莫塞萊（H.G.J.Moseley)定律的發(fā)現(xiàn)。1110、莫塞菜定律1913年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊（1887～1915）在研究X射線光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)：特征X射線頻率ν或波長(zhǎng)λ只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)（原子序數(shù)），此規(guī)律稱莫塞萊定律。式中：K——與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)；σ——屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)。成為X射線熒光分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)?；?2第一節(jié)、X射線的性質(zhì)一、X射線的波動(dòng)性1.X射線與可見(jiàn)光、紅外線、紫外線等相同，均屬電磁波，它是由高速帶電粒子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子作用而產(chǎn)生的，它同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。2.X射線波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短得多，約與晶體晶格常數(shù)同一數(shù)量級(jí)，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力強(qiáng)。3.X射線與可見(jiàn)光一樣，以光速呈直線傳播，在真空中傳播速度2.998×108m/s。13一、X射線的波動(dòng)性4.X射線波長(zhǎng)法定單位為：nm，以前也常用埃（?）。（1nm=10-9m＝10?）X射線波長(zhǎng)：10～0.001nm，兩邊與紫外線及γ射線重疊。晶體結(jié)構(gòu)分析：波長(zhǎng)在0.25～0.05nm，金屬探傷：波長(zhǎng)約為0.1～0.005nm或更短，波長(zhǎng)較短的X射線，習(xí)慣上稱為“硬X射線”。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的X射線稱為“軟X射線。14常見(jiàn)的各種電磁波的波長(zhǎng)與頻率可見(jiàn)光紫外線紅外線微波X射線波長(zhǎng)γ射線

頻率標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電波長(zhǎng)波TV/FM

短波長(zhǎng)波15X射線波動(dòng)性的表現(xiàn)（1）1.X射線波動(dòng)性：以一定頻率和波長(zhǎng)在空間傳播，具有干涉與衍射現(xiàn)象；描述參量：頻率ν和波長(zhǎng)λ。2.電磁波（橫波），具有電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H，以相同周相，在兩相互垂直平面內(nèi)作周期振動(dòng)，且與傳播方向垂直，傳播速度＝光速。

3、X射線分析：主要考慮電場(chǎng)矢量E引起的物理效應(yīng)。16X射線波動(dòng)性的表現(xiàn)（2）4.電場(chǎng)矢量E隨傳播時(shí)間或傳播距離變化呈周期性波動(dòng)，波振幅為A（或E0）。一束沿y軸方向傳播的波長(zhǎng)為λ的X射線波方程為：圖1-2E的變化(a)x一定時(shí)E隨t的變化；(b)t一定時(shí)E隨x的變化

17X射線波方程一束沿y軸方向傳播波長(zhǎng)為λ的X射線波方程為：若以ф表示相位，即令則當(dāng)t=0，A=A0eiф，eiф稱為“相位因子”。18二、X射線的粒子性1.實(shí)驗(yàn)證實(shí)X射線是波長(zhǎng)極短的電磁波，有干涉與衍射現(xiàn)象。但波動(dòng)性無(wú)法解釋X射線的光電效應(yīng)、熒光輻射等現(xiàn)象。2.

按波動(dòng)理論：物質(zhì)中電子吸收X射線能量是連續(xù)的，當(dāng)能量積累到一定程度就能放出電子。即：不論X射線頻率如何低，只要入射強(qiáng)度大，時(shí)間長(zhǎng)，總會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)的。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)生光電效應(yīng)條件：不在于X射線強(qiáng)度與照射時(shí)間，而在于其頻率ν（或λ）。這與波動(dòng)理論相矛盾性。表明：X射線還有－－粒子性。19二、X射線的粒子性3.

粒子性表現(xiàn)：以光速運(yùn)動(dòng)的大量微觀粒子組成不連續(xù)粒子流。稱為“光子”或“光量子”。描述參量為能量E、動(dòng)量P。4.

波動(dòng)性與粒子性描述參量間的關(guān)系：ν－X射線頻率；h－普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）c－X射線傳播速度（2.998×108m/s）20二、X射線的粒子性5.粒子性突出表現(xiàn)：X射線在與物質(zhì)（原子或電子）相互作用時(shí)，有交換能量，光子能量能被原子或電子吸收或被散射。

光電效應(yīng)、熒光輻射等正是X射線粒子性的明顯表現(xiàn)。21三、X射線的強(qiáng)度1.X射線強(qiáng)度－－用波動(dòng)性觀點(diǎn)描述：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向的單位截面上的能量大小，強(qiáng)度與波振幅A2

成正比。2.X射線強(qiáng)度－－用粒子性觀點(diǎn)描述：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與傳播方向相垂直的單位截面的光量子數(shù)目。3.絕對(duì)強(qiáng)度單位是J／(m2·s)，但難以測(cè)定，常用相對(duì)強(qiáng)度，如：底片相對(duì)黑度、探測(cè)器（計(jì)數(shù)管）計(jì)數(shù)值等。22X射線波粒二相性1.X射線波動(dòng)性：反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性；X射線粒子性：反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)分立性。2.對(duì)同一輻射所具有的波動(dòng)性與粒子性的描述：

①可用時(shí)間和空間展開(kāi)的數(shù)學(xué)形式來(lái)描述；②

可用統(tǒng)計(jì)學(xué)法確定某時(shí)間、位置粒子出現(xiàn)概率來(lái)描述。因此，須同時(shí)接受波動(dòng)和粒子兩種模型。3.X射線上述特性，成為研究晶體結(jié)構(gòu)、進(jìn)行元素分析、醫(yī)療透視和工業(yè)探傷等方面的有力工具。23第二節(jié)X射線的產(chǎn)生與X射線譜一、X射線產(chǎn)生：1.X射線：高速運(yùn)動(dòng)帶電粒子（電子）與某物質(zhì)相撞擊后突然減速或被阻止，與該物質(zhì)中內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。2.

X射線產(chǎn)生條件：1）產(chǎn)生并發(fā)射自由電子（加熱W燈絲發(fā)射熱電子）；2）在真空中迫使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)（加速電子）；3）在電子運(yùn)動(dòng)路經(jīng)上設(shè)障礙，使其突然減速或停止（靶）據(jù)此，就可理解X射線發(fā)生器的構(gòu)造原理了。24二、X射線管的結(jié)構(gòu)（1）1.陰極：發(fā)射電子。由鎢絲制成，通以一定電流加熱后便能釋放出大量的熱激發(fā)電子。2.陽(yáng)極：“靶”

(target)。使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。由不同的金屬組成，常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，根據(jù)不同需要選用。陰極陽(yáng)極25二、X射線管的結(jié)構(gòu)（2）3.窗口：X射線射出通道，常有兩個(gè)或四個(gè)。窗口材料：既有足夠強(qiáng)度以維持管內(nèi)高真空，又對(duì)X射線吸收較小。常用對(duì)X射線穿透性好的輕金屬鈹（Be）。4.聚焦罩：加在陰極燈絲外，使燈絲與聚焦罩保持約400V電位差，可聚焦電子束。窗口26二、X射線管的結(jié)構(gòu)（3）5.冷卻系統(tǒng)：X射線發(fā)射向四周發(fā)散，大部分被管殼吸收，少量通過(guò)窗口得以利用。只有1％能量轉(zhuǎn)化為X射線，99％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故靶須水冷，以防止?yáng)極過(guò)熱的熔化。冷卻水27荷蘭Philips公司第二代陶瓷X射線管焦點(diǎn)三維精確定位(預(yù)校準(zhǔn)模塊化的基礎(chǔ)）陶瓷燈體絕緣度高重量輕超長(zhǎng)壽命無(wú)需校準(zhǔn)28美國(guó)熱電瑞士ARL公司新型陶瓷X光管X-rayTubesCeramicTube（陶瓷光管）

GlassTube（玻璃光管）PossibletargetsareCu,Cr,Fe,CoorMo可有的靶材為：Cu，Cr，F(xiàn)e，Co或Mo29三、X射線光管的分類a.按制造材料可分：玻璃光管和金屬陶瓷光管。b.按陽(yáng)極靶可動(dòng)與否：固定靶X光管；自轉(zhuǎn)靶X光管。日本理學(xué)公司自轉(zhuǎn)銅靶陽(yáng)極30四、X射線焦點(diǎn)（1）1.焦點(diǎn)：陽(yáng)極靶面被電子束轟擊并發(fā)出X射線的區(qū)域。尺寸和形狀：取決于燈絲，螺線形燈絲產(chǎn)生長(zhǎng)方形焦點(diǎn)。靶的焦點(diǎn)形狀及接收方向

2.衍射工作，希望X光有：較小焦點(diǎn)（分辨本領(lǐng)高）較高強(qiáng)度（曝光時(shí)間短）X射線出射角：常與靶面成3o～8o（常為6o）31四、X射線管的焦點(diǎn)（2）3.焦點(diǎn)形狀：1×l0mm長(zhǎng)方形。表觀焦點(diǎn)：在出射方向上X射線束的截面積，縮小。靶的焦點(diǎn)形狀及接收方向

4.窗口在與焦點(diǎn)長(zhǎng)邊和短邊相對(duì)位置。短邊：表觀焦點(diǎn)正方，強(qiáng)度高。長(zhǎng)邊：表觀焦點(diǎn)線狀，強(qiáng)度弱。32五、X射線譜（一）連續(xù)X射線譜1.對(duì)X光管施不同電壓，再測(cè)X射線強(qiáng)度和波長(zhǎng)，得強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系曲線，稱為X射線譜。Mo陽(yáng)極靶不同管壓下連續(xù)X光譜

2.如：Mo靶V≤20kV時(shí)，曲線連續(xù)變化，稱連續(xù)X射線譜（或白色X射線）。33（二）連續(xù)X射線譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.不同管壓下，各連續(xù)譜均有強(qiáng)度最大值；隨管壓V↑→強(qiáng)度↑；最高強(qiáng)度波長(zhǎng)λm↓（移向短波端）。2.在短波端均有最短極限波長(zhǎng)稱短波限λSWL

，隨管壓↑→短波限λSWL↓（移向短波端）。a）管壓影響b）管流影響c）靶材影響343.X光最高強(qiáng)度約在1.5λSWL處。4.管壓不變，管流↑→強(qiáng)度↑，但λSWL

、λm不變。5.管壓和管流相同，靶材Z↑→強(qiáng)度↑，但λSWL、λm不變。a）管壓影響b）管流影響c）靶材影響35（三）量子理論解釋連續(xù)譜形成機(jī)理（1）1.量子理論觀點(diǎn)：能量eV電子與靶原子碰撞，電子失去部分能量，并輻射出光子。每次碰撞產(chǎn)生一個(gè)能量為ε＝hν的光子，稱此輻射為“韌致輻射”。如：當(dāng)管流I=10mA時(shí)，電子數(shù)目n＝6.24×1016個(gè)/秒。如此多電子到達(dá)靶上時(shí)間和條件都不相同，且大多數(shù)電子須經(jīng)多次碰撞，逐步把能量釋放直到零，這樣產(chǎn)生一系列能量為hνi的光子序列，即形成連續(xù)譜。36何以存在短波限λSWL？極限情況：極少數(shù)電子一次碰撞將全部能量一次性轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子，此光子具最高能量和最短波長(zhǎng)（短波限λSWL）。一般情況：光子能量≤電子能量。極限情況：光子能量＝電子能量，即將V和λ以kV和nm為單位，其它常數(shù)代入上式，則有：37（四）連續(xù)X射線輻射強(qiáng)度和發(fā)射效率（1）1.連續(xù)X射線總強(qiáng)度（靶發(fā)出X光總能量）與連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下所包絡(luò)的面積成正比。式中：Z－陽(yáng)極靶的原子序數(shù)；i－管電流（mA）；

V－管壓（KV）；K1－常數(shù)約為1.1～1.6×10-9。382.X射線管效率：若X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，若輸入功率為iV，則產(chǎn)生連續(xù)X射線效率或X射線管效率η：可見(jiàn)，管壓↑，靶材Z↑，管效率η↑；因常數(shù)K1＝(1.1～1.4）×10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管壓為100kV時(shí)，η≈1％（Cu：0.1％），效率是很低的。為提高光管發(fā)射連續(xù)X射線的效率：①選用重金屬靶，②施以高電壓，就是這個(gè)道理。39（五）特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜一、特征X射線譜的形成1.當(dāng)管電壓V增高到大于陽(yáng)極靶材相應(yīng)的某個(gè)臨界值VK時(shí)，即則在連續(xù)譜的某特定波長(zhǎng)處出現(xiàn)一些強(qiáng)度高峰，峰窄而尖銳的線形光譜。如：Mo靶35kV(0.063nm和0.071nm)的譜線示于圖。40一、特征X射線譜的形成2.

改變管流、管壓，這些譜線只改變強(qiáng)度，而峰位所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)不變。即特征波長(zhǎng)λ只與靶原子序數(shù)Z有關(guān)，而與電壓等無(wú)關(guān)，故稱特征X射線。3.產(chǎn)生特征X射線的最低電壓叫激發(fā)電壓。

特征X射線41二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律

1.激發(fā)電壓：取決于陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z。對(duì)不同陽(yáng)極靶臨界激發(fā)電壓是不同的。2.陽(yáng)極靶（Z）不同，所產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)也不同。3.當(dāng)管壓超過(guò)激發(fā)電壓時(shí)，特征X射線波長(zhǎng)不變，而強(qiáng)度按n次方的規(guī)律增大。式中：i－管流，V－管壓，n－常數(shù)（1.5～2)，C－比例常數(shù)，與特征X射線波長(zhǎng)λ有關(guān)。4.X光管壓V＝（3～5）V激時(shí)，特征X射線與連續(xù)X射線的比率為最大。（有利于衍射）

42三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（1）特征X射線產(chǎn)生機(jī)理與連續(xù)X射線不同，它與陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。內(nèi)層電子躍遷輻射X射線示意圖1.若高速電子的動(dòng)能足夠大，將K殼層中某個(gè)電子擊出。

臨界激發(fā)電壓：產(chǎn)生K激發(fā)的能量為Wk=E-EK，陰極電子的能量必須滿足eV≥Wk，才能產(chǎn)生K激發(fā)，稱為臨界激發(fā)電壓。2.則在被擊出電子的位置出現(xiàn)空位，原子系統(tǒng)能量升高，處于“激發(fā)態(tài)”

。若L殼層電子→K殼層后，能量降低。43三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（2）3.這多余能量以一個(gè)X射線光量子的形式輻射出來(lái)，則光子能量：4.對(duì)原子序數(shù)Z的物質(zhì)，各原子能級(jí)的能量是固有的，所以，ΔEKL便為固有值，λ也是固有的。這也就解釋了特征X射線波長(zhǎng)為一定值（特征值）的原因。內(nèi)層電子躍遷輻射X射線示意圖44Balmer線系，K激發(fā)態(tài)L激發(fā)態(tài)M激發(fā)態(tài)N激發(fā)態(tài)L→K

Kα譜線(跨越1個(gè)能級(jí))M→K

Kβ譜線(跨越2個(gè)能級(jí))N→K

Kγ譜線(跨越3個(gè)能級(jí))M→L

Lα譜線(跨越1個(gè)能級(jí))N→L

Lβ譜線(跨越2個(gè)能級(jí))依次類推還有M線系……。原子能級(jí)示意圖即n=2時(shí)稱為巴耳末線45三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（3）5.Kα線比Kβ線波長(zhǎng)長(zhǎng)而強(qiáng)度高

在原子系統(tǒng)中，各能級(jí)能量不同，且各能級(jí)間能量差也不均布，愈靠近原子核的相鄰能級(jí)間的能量差愈大。

另外，因由L→K層電子躍遷幾率比由M→K層約大5倍左右，故Kα線強(qiáng)度要比Kβ線高5倍左右。46三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（4）6.同一殼層還有若干個(gè)亞能級(jí)，電子所處能量不同，其能量差也固定。如：L層：8個(gè)電子分屬于LⅠ，LⅡ，LⅢ三個(gè)亞能級(jí)；不同亞能級(jí)上電子躍遷會(huì)引起特征波長(zhǎng)的微小差別。實(shí)驗(yàn)證明：

Kα由Kαl

和Kα2

雙線組成的。

Kαl：LⅢ→K殼層；

Kα2：

LⅡ→K殼層；Kα雙重線47三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（5）7.又因LⅢ→K(Kαl)的躍遷幾率較LⅡ→K

(Kα2)的大一倍，故組成Kα

兩條線的強(qiáng)度比為：

如：W靶：Kαl＝0.0709nm，Kα2＝0.0714nm，一般情況下是分不開(kāi)的，Kα線波長(zhǎng)取其雙線波長(zhǎng)的加權(quán)平均值：48幾種常見(jiàn)陽(yáng)極靶材和特征譜參數(shù)49用X射線產(chǎn)生機(jī)理解釋：1）不同陽(yáng)極靶有其固定的臨界激發(fā)電壓。2）K空后，空位由L層電子占據(jù)的幾率比M層大4~5倍。Kα強(qiáng)度是Kβ的4~5倍。Kγ的強(qiáng)度更小。3）Kβ波長(zhǎng)比Kα更短。4）V升高時(shí)，特征X射線波長(zhǎng)不變。50（六）特征X射線的應(yīng)用莫塞來(lái)定律特征X射線譜是由布拉格發(fā)現(xiàn)，并經(jīng)莫塞來(lái)加以系統(tǒng)化的。同系特征X射線的波長(zhǎng)，隨陽(yáng)極靶的原子序數(shù)的增加而變短，在射線頻率v的平方根和原子序數(shù)Z之間存在線性關(guān)系，即：這個(gè)關(guān)系式稱為莫塞來(lái)定律。（K和都是常數(shù)）是X射線熒光分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)。51第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相互作用是個(gè)復(fù)雜過(guò)程。一束X射線通過(guò)物體后，其強(qiáng)度將被衰減，這是被散射和吸收的結(jié)果，且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。52一、X射線的散射一、X射線的散射X射線照射物質(zhì)上時(shí)，偏離了原來(lái)方向的現(xiàn)象。主要是核外電子與X射線的相互作用，會(huì)產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。1.相干散射（coherentscattering）入射X射線與物質(zhì)原子中內(nèi)層電子作用，當(dāng)X光子能量不足以使電子激發(fā)時(shí)，把能量轉(zhuǎn)給電子，電子則繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)，成為發(fā)射源向四周輻射與入射X光波長(zhǎng)（振動(dòng)頻率）相同電磁波（散射波）。各電子散射波振動(dòng)頻率相同、位相差恒定，符合干涉條件，發(fā)生相互干涉，稱為相干散射。532．非相干散射（康普頓—吳有訓(xùn)效應(yīng)）2.非相干散射：（incoherentscattering）

X光子與外層價(jià)電子相碰撞時(shí)的散射?？捎靡粋€(gè)光子與一個(gè)電子的彈性碰撞來(lái)描述。①電子：將被撞離原方向并帶走光子部分動(dòng)能成為反沖電子；②

X光量子：因碰撞而損失部分能量，其波長(zhǎng)增加，并與原方向偏離2θ角。X射線非相干散射54③能量守恒定律：散射光子和反沖電子能量之和等于入射光子能量?？蓪?dǎo)出散射波長(zhǎng)的增大值Δλ為:2θ：為入射光與散射光的傳播方向間夾角。X射線非相干散射④可見(jiàn)，散射光波長(zhǎng)變化Δλ與入射光波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān)，只與散射角2θ有關(guān)。55⑤經(jīng)典電磁理論：不能解釋?duì)う舜嬖诩半S2θ而改變現(xiàn)象，此散射現(xiàn)象和定量關(guān)系遵守量子理論規(guī)律，也叫量子散射。X射線非相干散射⑥

此空間各方向散射波與入射波波長(zhǎng)不同，位相關(guān)系也不確定，不產(chǎn)生干涉效應(yīng)，稱非相干散射。⑦非相干散射：不參與對(duì)晶體的衍射，只會(huì)增加衍射背底，對(duì)衍射不利。

入射波長(zhǎng)越短、被照射物質(zhì)元素越輕，此現(xiàn)象越顯著。56⑧非相干散射效應(yīng)：由美國(guó)物理學(xué)家康普頓（A.H.Compton）在1923年發(fā)現(xiàn)的，也稱康普頓散射。我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)參加了實(shí)驗(yàn)工作，故稱康－吳效應(yīng)。因此，康普頓于1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年的A.H.康普頓中國(guó)物理學(xué)家－吳有訓(xùn)57（一）X射線的真吸收1、光電效應(yīng)與熒光X射線：1）光電效應(yīng)：當(dāng)入射X光子能量足夠大，將內(nèi)層電子擊出，成為自由電子（稱光電子），原子則為激發(fā)態(tài)，外層電子向內(nèi)層空位躍遷，并輻射出一定波長(zhǎng)的特征X射線。被打出的電子稱為光電子，所輻射出的次級(jí)特征X射線稱二次特征X射線或熒光X射線。

為區(qū)別入射X射線，稱其為二次特征X射線或熒光X射線。以入射X射線激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射的現(xiàn)象稱為“光電效應(yīng)”。入射X射線二、X射線的吸收582）光電效應(yīng)使入射X射線消耗大量的能量，表現(xiàn)為物質(zhì)對(duì)入射X射線的強(qiáng)烈吸收。圖1-10X光量子能量及質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的關(guān)系

在質(zhì)量吸收系數(shù)曲線（μm-λ）上，表現(xiàn)為吸收系數(shù)的突變，此對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)稱吸收限。（如圖）593）產(chǎn)生K系熒光輻射條件（激發(fā)限

）入射光子能量hν須大于或等于K層電子的逸出功WK，即：

VK－把原子中K層電子擊出所需的最小激發(fā)電壓。

λK－把K層電子擊出所需的入射光最長(zhǎng)波長(zhǎng)。

表明：只當(dāng)入射X光波長(zhǎng)λ≤λK＝1.24／VK

時(shí)，才能產(chǎn)生K系熒光輻射。604.）討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時(shí)，λK稱K系激發(fā)限；討論X射線被物質(zhì)吸收時(shí)，λK稱為吸收限。a.當(dāng)入射線波長(zhǎng)λ↓→光子能量↑，易穿過(guò)吸收體，則質(zhì)量吸收系數(shù)μm↓；b.當(dāng)λ＝λK時(shí)，入射光子能量剛好擊出吸收體的電子，形成大量光電子及二次熒光，光電效應(yīng)最強(qiáng)烈，使μm突然上升；c.當(dāng)λ進(jìn)一步↓，λ<λK，光電效應(yīng)飽和，多余能量穿透過(guò)吸收體；λ↓→穿透↑，μ／ρ↓。615）注意：

吸收限：λK＝1.24／VK(nm)；連續(xù)X射線譜中短波限：λ0=1.24／V(nm)兩者形式完全相同，但意義決然不同：

1.連續(xù)譜的短波限0隨V的升高而變??；2.后者，說(shuō)明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長(zhǎng)都有它特定的值。62應(yīng)用與避免：X射線衍射分析，熒光X射線造成衍射花樣的的背底比非相干散射要嚴(yán)重的多，因此應(yīng)設(shè)法避免它，如選靶時(shí)，應(yīng)使靶的特征X射線波長(zhǎng)不短于試樣物質(zhì)的激發(fā)限等等。

——避免X射線熒光光譜分析，要利用熒光X射線進(jìn)行成分分析?！獞?yīng)用632、俄歇（Auger）效應(yīng)1）當(dāng)K層電子被擊出后，原子處K激發(fā)態(tài)，能量為EK。若LⅡ?qū)与娮榆S入K層填補(bǔ)空位。能量由EK→ELⅡ，同時(shí)將有多余能量釋放出來(lái)。光電子、俄歇電子和熒光x射線三種過(guò)程示意圖能量釋放會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)：A.產(chǎn)生KαX射線輻射；B.產(chǎn)生俄歇電子：即能量被鄰近電子或較外層電子（另一LII電子）所吸收，該電子受激發(fā)逸出變?yōu)槎坞娮印?42）該俄歇電子能量有固定值，按上例近似為光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過(guò)程示意圖

此具有特征能量的電子是俄歇（M.P.Auger）于1925年發(fā)現(xiàn)的，稱為俄歇電子。

從L層逃出的叫KLL俄歇電子；也可存在KMM俄歇電子。

65俄歇效應(yīng)的特點(diǎn)和應(yīng)用：1）俄歇電子能量：只取決于該物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是一種元素的固有特征。2）俄歇電子能量很低：只有幾百eV，深處信號(hào)測(cè)量不到。

俄歇電子能譜儀最合適對(duì)固體表面2～3層原子層的成分分析，并還可進(jìn)行逐層分析。3）實(shí)驗(yàn)表明：輕元素俄歇電子的發(fā)射幾率比熒光X射線發(fā)射幾率大。所以，俄歇譜儀適合于對(duì)輕元素的成分分析。661.X光通過(guò)物質(zhì)而強(qiáng)度衰減——X射線與物質(zhì)作用主要是X射線被散射和吸收使得X射線被減弱。

當(dāng)強(qiáng)度為I0

的X射線照射到厚度t的均勻物質(zhì)上，在通過(guò)深度為x處的dx厚度的物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度衰減與dx成正比。對(duì)0～t積分μl－為常數(shù)，稱為線吸收系數(shù)。稱為透射系數(shù)。（二）透射系數(shù)與吸收系數(shù)

t672.線吸收系數(shù)μl：表征X射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)的相對(duì)衰減量，與物質(zhì)種類、密度、X光波長(zhǎng)有關(guān)。為了消除吸收系數(shù)對(duì)物理狀態(tài)的依賴性，特別是單位體積內(nèi)所含的物質(zhì)數(shù)量及物質(zhì)的組成，使用質(zhì)量吸收系數(shù)μm[cm2／g]替代μL：－吸收體密度，物質(zhì)固有值；－物質(zhì)固有值，可查表。683.

μm物理意義：X射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度相對(duì)衰減量。μm與物質(zhì)密度ρ和狀態(tài)（溫度、壓力等）無(wú)關(guān)；而與物質(zhì)原子序數(shù)Z

和X射線波長(zhǎng)λ有關(guān)。其經(jīng)驗(yàn)公式為：對(duì)一定的吸收體，波長(zhǎng)λ越短，穿透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降；但隨波長(zhǎng)降低，并非呈連續(xù)變化，而在某波長(zhǎng)突然升高，出現(xiàn)吸收限。69與K層電子對(duì)應(yīng)的吸收稱為K吸收限（λK），吸收限兩側(cè)μm的變化基本上遵循上式。只是比例系數(shù)K不同。機(jī)理分析：A當(dāng)λ很短時(shí)，能打出K電子，形成K吸收——但因波長(zhǎng)太短，不易倍K電子吸收，因此吸收系數(shù)小。B波長(zhǎng)增加，K電子越來(lái)越容易吸收這樣的光子能量，直到K吸收限。C當(dāng)λ比λK稍稍大一點(diǎn)，無(wú)法打出K電子，不能形成K吸收。可以打出L電子，但波長(zhǎng)太短，不易吸收。如果入射X射線恰好擊出原子的K