X射线与物质相互作用

第三节 X 射线与物质相互作用

我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等

一、X 射线的散射

X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。X 射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。

1、相干散射及散射强度

当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X 射线波长相同的散射X 射线，称为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。

按动力学理论，一个质量为m 的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R 处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：

I e =I 0)2

2cos 1(24224θ+C m R e 它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射因子。2

2cos 12θ+称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0)2

2cos 1(109.72226θ+⨯-R 从上式可见（书P5）

相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。

2、 非相干散射

当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射

这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固

定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。

二、X 射线的透射

X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。

X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。

三、X 射线的吸收

长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。

1、光电效应

电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子称为光电子。这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。

① 荧光效应①②

指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外

层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的现象。

因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产

生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。

要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大

于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。因此产生某系激发都有一个某系激发的最长波长，即激发限。该波长必须满足λi =

ι

ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：

X射线管产生特征X射线射线。入射线是高速运动的电子；荧光效应

的入射线是高能X射线光子。相同之处在于：均产生波长特定的X射

线。

荧光X射线的波长决定于原子的能级差（外层电子填内层空穴）。

因此从荧光X射线的特征波长可以查明被激发原子是哪种元素。这就

是X射线荧光光谱技术（XRF）该技术可用于快速定性分析材料中所

含元素，即荧光X射线用于材料的成分分析。

荧光效应产生的次生特征X射线的波长与原射线不同，相位也与原射线无确定关系。因此不会产生衍射。但所产生的背底比非相干散

射严重得多。所以在X射线衍射研究中，应正确选择所实用得X射线

波长，以尽可能避免产生明显得荧光辐射。

②俄歇效应

当较外层电子填空穴时所释放得能量不产生次生X射线，而是转移给另一外层电子，并使之发射出来，这个次生电子叫俄歇电子，这个过程称俄歇效应。

产生俄歇电子除用X射线照射外，还可用电子束、离子束轰击。

俄歇电子能谱：俄歇电子得能量分布曲线称为俄歇电子能谱，它反映了该电子从属得原子以及原子的结构特征，因此俄歇电子能谱分析（Auger Electron Spectroscopy AES）可以分析固体表面化学组成元素的分布，可用于精确测量包括价电子在内的化学键键能。也可测量化学键之间微细的能量差。扫描俄歇电子能谱仪还可以观测表面的形貌。

2、X射线的吸收

①线吸收系数和能量吸收系数

当X射线穿过物质时，其强度要衰减，并遵循一定的规律。

吸收系数：当X射线透过通过1cm厚的物质时被吸收的比率称为吸收

系数

透射线强度I

入射线强度为I0

设所透过的物质厚度为x

它们的关系为：I=I 0e -μx

对X 射线衰减的研究表明由于散射引起的衰减和由于激发电子及热振动引起的真吸收遵循不同的规律。即真吸收部分随X 射线波长和物质元素的原子序数而显著地变化，散射部分则几乎和波长及元素的原子序数无关。

一般情况下真吸收远远超过散射引起的衰减。因此散射衰减往往忽略不计。

吸收系数μ对同一物质正比于它的密度。

设物质密度为ρ，则上式改写为：

I=I 0x

ρμm -e 0I I =x

ρμm -e

μm =ρ

μ μm ——元素质量吸收系数（cm 2/g ）

I I ——透过系数或透射因子 可见，透射X 射线强度是按指数规律迅速衰减。μm 对于一定波长和一定物质来说，是与物质密度无关的常数。其物理意义为每克物质引起的相对衰减量。它不随物质的物理状态（气态、液态、粉末或块状的固态、机械混合态、化合物或固液体等）而改变。

当X 射线透过多种元素组成的化合物时（p 7），多种元素组成物质的质量吸收系数为μm i 2211w m w w m 1w i m n

i i mi μμμμ ++==∑= W i 为该种物质的质量分数。N 为表示该物质是由n 种物质构成的。 例：计算SiO 2对Cu 的K a 辐射（λ=15.418nm ）的质量吸收系数

已知M （Si ）=28.09，M （0）=16.0，μmSi =60.6，μm0=11.5

μmSiO2=0

.16209.280.165.110.16209.2809.286.60⨯+⨯+⨯+⨯

=34.45cm 2/g