2X–射线的物理学基础2011.ppt

X-射线的物理学基础 张友祥 由X射线管发射出来的X射线可以看作是由两种类型的谱线叠加而成： (1)连续X射线 (2)特征X射线 连续X射线谱的产生机理 能量为eV（V为X射线管的管电压）的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分能量以光子的形式辐射，碰撞一次即产生一个光子（能量为h? ），这样的光子流即为X射线。 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的全部能量，即产生多次辐射（产生多个光子）。由于多次辐射中光子的能量（ h?）不同，因此出现连续X射线谱。 短波限 ?0 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限?0。它是由电子一次碰撞就耗尽所有能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 即?0 = hc/eV 式中 h, c, e都为常数， ?0 = f (V) ，只是管电压的函数。 X射线的强度 X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子能量的总和。 X射线的强度 I 是由光子能量 h? 和它的数目 n 两个因素决定的,即 I = nh?。 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶所发射出的X射线的总能量。 3.2. 特征X射线 特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线。它和可见光中的单色光相似（具体特定的波长），故亦称单色X射线。 特征X射线的产生机理 特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。 原子系统内电子在各个能级的分布原理：Pauli不相容原理；能量最低原理。 在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，在低能级上即出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出X射线，即为特征X射线。 当K系电子被激发时，原子的系统能量便由基态升高到K激发态，即K系激发。同样，L系电子被激发，称为L系激发，依此类推。 当K层电子出现空位，该空位被高能级电子填充时产生K系辐射。具体地，当K层空位被L层电子填充时，产生K?辐射；被M层电子填充时，产生K?辐射。依此类推。 K系激发机理 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态。高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K?辐射；M层电子填充空位时产生K?辐射。 由能级图可知K?辐射的光子能量大于K?的能量。但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充K层空位的几率大，所以K?的强度约为K?的5倍。 X射线与物质相互作用时，最终可归结为光子（ X射线）和电子（物质的电子）的相互作用。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，其能量可分为3部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。 4.1 X射线的散射相干散射 相干散射是X射线和物质中束缚力较大的电子（重原子的内层电子）相作用而产生的。该束缚力较大的电子在X射线的作用下，产生受迫振动。每个受迫振动的电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射电磁波（也为X射线），其辐射波即为散射波。散射波的特征：新产生的电磁波的波长和频率与入射X射线的一致；位相固定；在相同的方向上各个散射波符合干涉条件（相互干涉）。因此称为相干散射。 （干涉条件：频率相同；相位差固定；振动方向一致） 入射波将自身的能量传给束缚电子，该束缚电子再将该能量转化为散射波。该散射X射线与入射X射线波长相同。 相干散射并未损失X射线的能量（频率或者波长没变），而只是改变了它的传播方向。因此相干散射又称为弹性散射。 相干散射是X射线在晶体中产生衍射（晶体的X射线衍射）的理论基础 相干散射的强度 X射线与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时：电子获得一部分动能成为反冲电子；X射线则离开原来的方向，能量减小，波长增加。 4.2. X射线的吸收 物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。（有时把X射线的这种能量损失称为真吸收）物质对X射线的真吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。 光电效应 当一个具有足够能量的X射线光子（非高速运动的电子束）碰撞到物质的原子时，可以将被照射物质原子中的内层电子打击出来，使原子处于激发状态，从而成为一个标识X射线的辐射源。（原子内层的电子被轰击出来产生电子空位，高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时产生辐射，即产生特征X射线。） 这种以X射线光子来激发物质原子所发生的激发和辐射的过程称为光电效应。被击出的电子被称为光电子，所辐射出来的特征X射