第二章 X射線及其與物質(zhì)的相互作用

第二章X射線及其與物質(zhì)的相互作用§2.1X射線的性質(zhì)

X射線可看成具有一定能量E、動(dòng)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(dòng)性和粒子性。硬X射線：波長較短、能量較高，穿透性較強(qiáng)，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(zhì)發(fā)出可見的熒光；

X射線可產(chǎn)生物理、化學(xué)和生化作用，引起各種效應(yīng)，如：（3）破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵，形成新鍵，促進(jìn)物質(zhì)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(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化。高速運(yùn)動(dòng)的電子流高能輻射流在突然被減速時(shí)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(diǎn)較高的金屬材料制成，如鎢、銅、鈷、鎳、鐵等。整個(gè)X射線光管處于真空狀態(tài)。當(dāng)陰極和陽極之間加以數(shù)十千伏的高電壓時(shí)，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(shí)驗(yàn)所用。§2.3X射線管的X射線譜1.連續(xù)X射線譜：強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的光譜。

X射線連續(xù)譜的強(qiáng)度隨著X射線管的管電壓增加而增大,最大強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)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(qiáng)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(dāng)能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，電子損失自己的能量，其動(dòng)能的一部分以X射線光子的形式輻射出來，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。在與陽極靶相碰的眾多電子中，有的輻射一個(gè)光子，有的則多次碰撞輻射多個(gè)能量各異的光子，它們的總和就構(gòu)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?yàn)楣庾拥哪芰縼碓从诟咚匐娮拥哪芰?，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(dòng)能毫無保留地全部地轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾拥哪芰?，此時(shí)一個(gè)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(shí)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(dāng)管電壓超過一定值U激時(shí)才會(huì)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(biāo)識(shí)譜。2.特征X射線譜：波長一定、強(qiáng)度很大的光譜。特征譜的原子理論解釋：K系標(biāo)識(shí)X射線：從L，M，N…殼層中的電子躍入K殼層空位時(shí)所釋放的X射線，分別稱之為K

、

K

、

K…譜線，共同構(gòu)成K系標(biāo)識(shí)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(zhì)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(qiáng)度為Ix+dx，則強(qiáng)度的相對(duì)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(zhì)量衰減系數(shù)m：是單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線的衰減程度，其值的大小與溫度、壓力等物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)無關(guān)，但與X射線波長及被照射物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。（2）衰減系數(shù)線衰減系數(shù)l

：當(dāng)X射線透過單位長度物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度衰減的程度，l值愈大，則強(qiáng)度衰減愈快。為被照射物質(zhì)的密度。衰減定律還可以寫作：工作中有時(shí)需要計(jì)算n個(gè)元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質(zhì)量衰減系數(shù)μm

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

X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減是由吸收和散射造成的。因此質(zhì)量衰減系數(shù)m可以寫作（1）質(zhì)量散射系數(shù)σm與質(zhì)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(zhì)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(guān)系

μm與λ

的關(guān)系曲線中的一些突變對(duì)應(yīng)的波長稱吸收限。與K層電子對(duì)應(yīng)的吸收稱K吸收限，常用K表示。與L層對(duì)應(yīng)的吸收稱L吸收限，因L層有三個(gè)亞層，因此有三個(gè)吸收限。同理M層有五個(gè)吸收限。（2）X射線的吸收機(jī)制物質(zhì)對(duì)Ⅹ射線的吸收，是指Ⅹ射線通過物質(zhì)時(shí)光子的能量變成了其他形式時(shí)能量。Ⅹ射線通過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，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(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)Ⅹ射線的吸收過程。

（3）X射線散射相干散射：當(dāng)入射X射線與散射X射線波長相同時(shí)，相位滯后恒定，散射線之間能相互干涉。非相干散射：當(dāng)散射X射線波長與入射X射線波長不同時(shí)，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(biāo)識(shí)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(huì)使衍射花樣復(fù)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(dāng)濾波片材料的K吸收限位于Kα和Kβ輻射之間時(shí)，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(shí)驗(yàn)測定的各種陽極靶的標(biāo)識(shí)譜和各種物質(zhì)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(shí)，Z濾＝Z靶-1；（2）