第二章 X射线及其与物质的相互作用

第二章X射线及其与物质的相互作用§2.1X射线的性质

X射线可看成具有一定能量E、动量P的X光子流h为普朗克常量，h=6.6310-34J·s。

X射线的是一种电磁波，波长范围为0.001~10nm，具有波粒二象性，即具有波动性和粒子性。硬X射线：波长较短、能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软X射线：波长较长、能量较低，穿透性弱，可用于非金属材料的分析。（1）使一些物质发出可见的荧光；

X射线可产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：（3）破坏物质的化学键，形成新键，促进物质合成；（2）使离子固体发出黄褐色或紫色的光；（4）引起生物效应，导致新陈代谢发生变化。高速运动的电子流高能辐射流在突然被减速时均能产生X射线§2.2X射线的产生射线X射线中子流

X射线管

X射线管的工作原理X射线管电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。金属靶：发射X射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如钨、铜、钴、镍、铁等。整个X射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，这些X射线通过用金属铍（厚度约为0.2mm）做成的X射线管窗口射出，即可提供给实验所用。§2.3X射线管的X射线谱1.连续X射线谱：强度随波长连续变化的光谱。

X射线连续谱的强度随着X射线管的管电压增加而增大,最大强度所对应的波长max变小，短波限0减小；连续谱中接近最短波长处的辐射较多。连续谱总强度为：A为常数，Z为阳极材料的原子序数，m接近于2。短波限为：当能量为eU的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子损失自己的能量，其动能的一部分以X射线光子的形式辐射出来，其余部分转变为热能。在与阳极靶相碰的众多电子中，有的辐射一个光子，有的则多次碰撞辐射多个能量各异的光子，它们的总和就构成连续谱。连续谱的量子理论解释：短波限的量子理论解释：因为光子的能量来源于高速电子的能量，所以光子的能量一般小于电子的能量；但也有一些电子是通过一次碰撞将其动能毫无保留地全部地转变为光子的能量，此时一个光子的能量为：式中e是电子电荷，等于1.60210-19C；U是电子通过两极时的电压降；h是普朗克常数;ν和λ是X射线的频率和波长。

X射线特征谱只有当管电压超过一定值U激时才会产生，只取决于X射线管的阳极靶材料，不同的靶材具有其特有的特征谱线。特征谱线又称为标识谱。2.特征X射线谱：波长一定、强度很大的光谱。特征谱的原子理论解释：K系标识X射线：从L，M，N…壳层中的电子跃入K壳层空位时所释放的X射线，分别称之为K

、

K

、

K…谱线，共同构成K系标识X射线。E与Z的平方成正比，所以有这称为莫塞莱定律。§2.4X射线在物质中的衰减1.衰减定律（1）衰减定律透过厚度元dx的X射线强度为Ix+dx，则强度的相对变化为：穿透系数I/I0

：I/I0愈小,表示X射线被衰减的程度愈大。质量衰减系数m：是单位质量物质对X射线的衰减程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无关，但与X射线波长及被照射物质的原子序数有关。（2）衰减系数线衰减系数l

：当X射线透过单位长度物质时强度衰减的程度，l值愈大，则强度衰减愈快。为被照射物质的密度。衰减定律还可以写作：工作中有时需要计算n个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数μm

，由于μm与物质的存在状态无关，因此衰减系数可按下式求（3）复合物的衰减系数式中Wn为吸收体中各组元的质量分数，而μm为各组元在一定X射波长时的质量衰减系数。2.散射与吸收

X射线通过物质时的衰减是由吸收和散射造成的。因此质量衰减系数m可以写作（1）质量散射系数σm与质量吸收系数τm在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故μm≈τm

。质量吸收系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此吸收与波长及原子序数的关系

μm与λ

的关系曲线中的一些突变对应的波长称吸收限。与K层电子对应的吸收称K吸收限，常用K表示。与L层对应的吸收称L吸收限，因L层有三个亚层，因此有三个吸收限。同理M层有五个吸收限。（2）X射线的吸收机制物质对Ⅹ射线的吸收，是指Ⅹ射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。Ⅹ射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光Ⅹ射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对Ⅹ射线的吸收过程。

（3）X射线散射相干散射：当入射X射线与散射X射线波长相同时，相位滞后恒定，散射线之间能相互干涉。非相干散射：当散射X射线波长与入射X射线波长不同时，散射线之间不相干。康普顿散射即为非相干散射。3.滤波片

X射线管中发出的标识Ⅹ射线，除Kα辐射外，还含有Kβ辐射和连续谱。在一些衍射分析工作中，只希望Kα辐射的衍射线条出现，因Kβ辐射的存在，会使衍射花样复杂化。在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。

当滤波片材料的K吸收限位于Kα和Kβ辐射之间时，因它们所处位置吸收系数相差悬殊，故通过滤波片后Kα减弱甚微Kβ则被大大削弱，从而起到将Kβ滤去的作用。

从实验测定的各种阳极靶的标识谱和各种物质的K吸收限数值，可以将滤波片的选择规则归纳为（1）Z靶＜30时，Z滤＝Z靶-1；（2）