X射线物理学

X射线的产生
• 用X射线管辐照样品，是产生荧光X射线光wenku.baidu.com的常 用方法。X射线管产生的X射线光谱，被称作原级 X射线谱，它是由连续谱和特征谱组成。
X射线的产生
高速运动的电子突然减速便能产生X射线，这是X射线管的工作原理。 因此产生X射线的条件为：
1. 自由电子的发射（例如加热灯丝）； 2. 在真空中，迫使这些自由电子朝一定方向高速运动（例如用高压电场）； 3. 在电子高速运动的途径上设置能突然阻止电子运动的金属靶
质量衰减系数
样品的质量吸收系数为各组分的质量吸收系数加权。 μcompound ( λ) = Σ μi(λ).wi W为元素或化合物在样品里的重量百分含量
吸收-化合物的质量衰减系数
• 例如 λ CuKα =0.1542nm
μK= 148 cm2/g, μBr= 91 cm2/g
μKBr (λCuKα) = (μK.wK) + (μBr.wBr) = (148cm2/g x 0.329) + (91cm2/g x0.671) = 48.7cm2 /g + 61.7cm2 /g = 110.4 cm2/g
质量衰减系数
• • μ称为质量衰减系数，实际上由吸收和散射两部分组成，即 μ=σ+τ 式中，σ为散射系数， σ= σcoh+σinc τ为光电吸收系数， τ= τK+τL+τM+ … 。 • 在0～100 keV范围，光电吸收系数比散射系数要大若干倍，通常占 质量吸收系数μ的95%。
质量吸收系数曲线
• 设入射光子的波长为λ0(nm),散射角为ψ，计算Compton 散射峰波长λ(nm)的公式如下：
λ - λ0 = 0.00243 (1 - cos ψ)
X射线的散射-康普顿散射的特点
散射强度随康普顿波长的变短而增加 Cr 靶 Rh 靶
X射线的散射-康普顿散射的特点
• 随着样品平均原子序数或质量吸收系数的降低， Compton的强度增加
⎡ λ ⎤⎡ 1 ⎤ I (λ) = KiZ⎢ −1⎥⎢ 2 ⎥ ⎣λ min ⎦⎣λ ⎦
λmin =
12.4 V
V以kV为单位，λ以Å 为单位
连续谱的特征
• 管电压增高，各相应的曲线也升高，同时最大值和短波极限均 向左（短波方向）移动； • 连续光谱的强度随加速电压的平方而增加、还跟电流i，阳极元 素原子序数Z成正比； • 一定管电压的强度分布具有一最短波长极限（短波限） λmin λI 和等效波长 ；
吸收限突变
γK
τK +τL +τL +τL +Λ = τL +τL +τL
1 11 111 1 11 111
吸收限跃迁因子
τk rk − 1 JK = = rk τ k + τ L1 + τ L11 + τ L111 + Λ
谱线分数
g kα
kα 1 = = kβ kα + k β 1+ kα
激发因子
一些典型谱线在不同基体中的临界厚度数据
Material Mg Kα (0.9889nm) Lead Iron SiO2 Li2B4O7 H2O 0.6 μm 0.9 μm 7 μm 12 μm 14 μm Cr Kα (0.2291nm) 4 μm 30 μm 100 μm 800 μm 900 μm Sn Kα (0.0492nm) 50 μm 260 μm 0.8 cm 4.1 cm 4.7 cm
• 元素(Z)对入射X射线的质量吸收系数(μ)与波长的函数关系 特点：1. μ受到入射波长 λ和元素原子序数Z的影响； 2. 吸收曲线存在吸收限
质量吸收系数随波长的变化
吸收限
吸收限的产生原因 • 当入射X射线的能量增大到大于电子结合能时， 就激发产生特征X射线而消耗能量，根据被激发 出电子所在壳层称为K吸收限、L吸收限…
• 荧光产额与原子序数有关
ω=
光子数目 空穴数目
一些典型元素的荧光产额
散射
• 除光电吸收，入射光子还可与原子碰撞，在各个方向发 生散射。 X射线与物质的散射是由于X射线与外层电子的 相互作用而产生。 • 散射作用分为两种，相干散射和非相干散射。
– 如果被散射光子能量与入射光子能量相同，则称为相干散射或 弹性散射。相干散射与光干涉现象相互作用的结果可产生X射线 衍射，X射线衍射图与晶格排列等密切相关，故可被用于研究物 质结构，即X射线衍射分析。相干散射又称为Rayleigh散射，没 有能量损失。 – 非相干散射又称为Compton散射，会出现能量变化或损失
用户培训课程-理论部分之一
X射线物理学
X射线的波长范围
E (keV ) = hν = h
γ-rays 0.001
c
λ
=
1.23984 λ (nm)
UV Visual
X-rays
0.01 0.1 1.0 10.0 100 200 nm
X射线的本质和定义
• X射线波长范围在0.01~10nm之间，能量为 124keV～0.124keV。其短波段与γ射线长波段相重 叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。 • 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒 子流，每个光子具有的能量为： E(keV)=1.23984/λ • 依据X射线的波长即可计算出其能量。
布拉格定律物理意义
如果入射的X射线具有一定的波长λ,则只有掠射角θn满足下式 ： 的射线,经过晶体衍射后才能得到最大强度的衍射线; • 如果入射的X射线具有一定入射方向θ,则只有波长λn满足布拉格公 式的射线, 才能得到最强的衍射线; • 基于Sinθ的绝对值只能≤1,所以必须≤1,当n=1时，必须≤值,才能 得到晶面族衍射。因此,反射级n不能大于,故X射线与晶体相互作用 时,所发生的衍射极大值受到一定限制。 • 从上面所述,可看出X射线衍射与光学反射是不相同的:(1).光学反射 完全是表面作用,而X射线衍射则深入到晶体内部，其内层原子面也 参与反射作用;(2).光学反射可选择任意的入射角,而X射线的反射则 受布啦格定律制约,即必须满足布啦格定律。 •
K和L系特征X射线部分能级图
特征辐射-各线系光谱线间的相对强度关系
K 系谱线的相对强度为： Kα1 ：Kα2 ：Kα ：Kβ1 ： Kβ3 ： Kβ2 100 ：50 ：150 ：15 ：15 : 5 L 系谱线的相对强度为： Lα1 ：Lα2 ：Lβ1 ：Lβ2 ：Lβ3 ：Lβ4 ：Lγ1 ：LΙ ：Lη 100 ：10 ：70 ：30 ： 10 ： 5 ：10 ：3 ： 1 M 系谱线的相对强度为: Mα1 ： Mα2 ： Mβ1 ： Mγ1 100 ： 10 ： 50 ： 5 这里必须说明：Kα 线的波长为： λ Kα = (2 λ Kα1 + λ Kα2 ) / 3 Kα : Kβ 随原子序数而变: 对Cu(29)约为5 : 1, 对Sn(50)约为3:1,对Al(13)约为25:1
X射线与物质的相互作用
• 吸收
－光电吸收（X射线荧光和俄歇电子发射） －散射吸收
• 散射
－相干散射 －非相干散射 －衍射
X 射线和物质的相互作用
X射线的吸收
• I = I0 exp ( -μρx) (比耳－朗伯定律)
μ －质量衰减系数[cm2/g] ρ－ 密度[g/cm3] x－ 辐射通过吸收体的光路[cm] μρ－ 线性衰减系数[1/cm]
•
产生特征X射线的物理过程
• • 一是产生原子内壳层电子空位； 二是发射X射线；
具有壳层电子空位的原子处于激发态，电子将重新排列，外壳层 电子向内壳层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时释放出跃迁能 量，使原子回到基态。这跃迁能量以特征X射线形式释放出来， 或者能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电 子发射。
• 吸收限跃迁因子， X射线荧光产额，谱线分数三者的乘积
临界厚度
X射线能够穿透的最大厚度称为临界厚度
吸收-临界厚度
吸收-临界厚度
样品所产生×射线荧光在到达试样表面时, 强度的99%被吸收(又称99%的临界厚度) d = (4.61 * sinΨ2)/μ ρ 如果荧光×射线对试样的出射角为 Ψ 2=40°，则： d(cm) = 2.96 /μρ d(um)=29600/μρ
X射线的产生
• 样品产生的X荧光光谱图
连续谱的特征
• 连续谱的表征： • 短波限 ：
λmin =
12 .4 V
• 最大峰值波长:
λI
max
3 = λmin 2
• 积分强度：I = 1.1 × 10 −9 ⋅ iV 2 Z
连续谱短波限
• 在连续谱短波一侧存在着短波。 它相当于电子撞击在阳极上将其全部 能量以X光子形式释放的情况。因此， 短波限λmin跟阳极物质的种类无关， 仅取决于外加电压（V）的大小。
吸收-俄歇效应
• 俄歇效应 当原子内层电子被电离而造成电子空位后，较外层的电 子填充空位时释放出的能量在该原子内部被吸收而逐出 较外层的另一个电子的物理现象。
吸收-荧光产额
• 荧光产额随原子序数而变,用受激发原子中特征X射线 的产生截面(或光子数)与电子空位的产生截面(或电子 空位数)表示。
吸收-荧光产额
X 射线光谱
X射线管: 输出依赖于下列因素： • 灯丝 • 加速电压 • 电流 • 真空 • 阳极靶材料 • 窗口
X射线的产生
• 连续谱或韧致辐射：高速电子在阳极原子核场中运动受阻，能量迅 速损失而产生宽带连续X射线谱。 • 特征X射线：当靶原子内层电子被高速运动的电子逐出，将产生空 穴，外层电子跃迁时就会放射出特征X射线。因此。造成大量电子 空位是产生特征X射线的必要条件。
max
• 连续谱强度最大值在曲线中部而偏左，波长处在二分之三倍短 波限位置附近；从短波限到最大值曲线急剧上升；从最大值以 后曲线较平滑的下降。 • 当管电压增加到一定程度（激发电压），连续谱上会叠加有特 征谱。
连续谱与电流、电压和靶材的关系
电流 电压 靶材
特征辐射的产生
• 当一束高能光子与原子相互作 用时，其能量≥原子某一轨道电 子的结合能时，即可将该轨道 电子逐出，形成空穴。 发生电子跃迁的两电子壳层的 能量差将以特征X射线逸出原子。 这种跃迁必须符合量子力学理 论
特征X射线光谱的特点
特征X射线光谱产生于原子内部的电子跃迁，因此具有一下特点： • • • X射线光谱因发生于原子的内层轨道，故基本不受价态的影响； 波长分立，与发射谱相比谱线数量相对少，因而干扰显得不那么严 重； 谱线波长强烈地依从于Z，并遵循莫塞莱(Moseley)定律；
Moseley定律： (1/λ)1/2=Q(Z-δ)
Rh 靶管 有机玻璃 铅
衍射
• 衍射：一束波长为λ的Ｘ射线照射到面间距一定 的晶体表面时，某一特定方向上发生强度叠加， 这种现象称为衍射. • 不同波长在空间不同方向上发生衍射，这一规律 是实现X射线光谱分光的重要依据。
Bragg公式
Ray 1 Ray 1
Ray 2 Ray 2
nλ = 2 x = 2dSinθ
X射线的本质和定义
根据电磁辐射定律计算波长
公式 E(keV) λ (nm) =1.24/ E λ(nm)
MgKα 1.253 0.9895
CaKα 3.69 0.3360
FeKβ 7.057 0.1757
PbLα 10.55 0.1175
X射线的起源
X射线起源于由下述过程导致的电子的能量损失： • 原子跃迁（特征辐射） • 减速 （韧致辐射，或连续谱） • 方向改变（同步辐射）
造成电子空位的方法
• • • • • • 电子激发（SEM、TEM、STEM、EPMA、X射线管阳极靶产生的特征谱 即是这种激发的结果）； 质子、α粒子、来自粒子加速器的其它离子激发； 用X光管初级线束（光子）照射； 用放射性同位素的α、β、γ和和X射线照射； 用同步辐射源照射； 用二次靶的二次X射线照射；
散射
• 相干散射是光谱仪晶体分光的工作基础，在测角仪中扫描 的元素的分析线角度，就是光谱线的位置。因此，相干散 射也是光谱分析的基础。 • 非相干散射(康普顿散射)对于分析有两种作用： 散射构成光谱背景，特别是对于微量分析有害，降低分析 灵敏度； • 散射靶线或散射背景可作为内标线使用。
康普顿散射