第3章：X射线的产生及X射线的性质

1.连续谱2.特征谱3.特征X射线波长与阳极材料的关系4.X射线与物质的相互作用第3章：X射线的产生及X射线的性质

现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法——用阴极射线（高速电子束）轰击阴极（靶）的表面。高真空

10-4—10-6Pa至高压发生器40-120kV接地高速电子流X射线当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，而大部分都转变成为热能。阴极：发射电子。钨丝，高压下释放出热辐射电子。阳极：靶(Target)。高速运动的热辐射电子突然减速并发射X射线。阳极材料为Cu，称之为Cu靶。另外常用的还有Fe靶、Mo靶等。一.连续谱高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运动突然转为停止不动，电子失去动能以光子形式辐射，这个光子流就是X射线。

电子运动的动能X光能设电子的动能为

＝eV，若一个电子的动能全部转化成X光子的能量，则：

＝hν＝hc/λλs=hc/

max这时该光子将具有最短的波长λs。在实际的能量转化中，绝大多数电子，都有能量损耗，即≤max,因此λ≥λs。实际形成：以λs为最短波长的连续谱线。Mo靶的X射线谱

连续光谱又称为“白色”X射线。连续光谱的短波限λs只决定于X射线管的工作高压，即只取决于高速电子流的运动速度，而与靶无关。λs=hc/

max＝hc/eV

代入各个参数后得到：λs=12.395／V；V的单位为kV,λs的单位为Ǻ(angstrum)二.特征谱

从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强（电子束缚能最高）。例如：Na11的原子结构中电子的壳层分布当外来电子的能量足够高(大于K层电子的电子束缚能)，则可能吧K层的一个电子击飞，从而使原子处于不稳定状态(激发态)。高速电子流打飞的电子(光电子)激发态不是稳定态，必然自发地向稳定态过渡。方法之一：较高能量的L层电子向K层跃迁。在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于K层与L层的能级差ΔE＝EL-EK＝hν该差值能量将以X射线的形式放射出去。λα＝h/ΔEX射线X射线

方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，ΔE＝EM-EK＝hνλβ＝h/ΔE显然λα>λβ同理，由NK的跃迁形成的辐射叫γ辐射。

方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，ΔE＝EM-EK＝hνλβ＝h/ΔE显然λα>λβ同理，由NK的跃迁形成的辐射叫γ辐射。X射线由于K层电子缺失、电子跃迁形成的X射线称K系X射线，即Kα、Kβ、及Kγ射线。由：λ＝h/ΔE可知

不同的原子，各轨道间的能量差不同，因此，所产生的Kα、Kβ、及Kγ波长不同。即波长取决于原子序数，称之为特征谱。一般来讲，轨道越靠近，发生跃迁的几率越大，即Iα>Iβ>Iγ另外：IK>IL>IM在L→K跃迁产生Kα辐射时，由于L电子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。ΔE1＝EL2-EK＝hν＝hc/λα1ΔE2＝EL3-EK＝hν＝hc/λα2所产生的Kα射线就分为Kα1和Kα2。其波长有微小的差异。比如Cu，λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443Ǻ另外其β射线λKβ＝1.3921Ǻ通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、Kβ的强度分布如下：Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8波长特征，例如Cu：λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443ǺλKβ＝1.3921ǺFe：λKα1＝1.9360ǺλKα2＝1.9400ǺλKβ＝1.7566Ǻ在X射线衍射分析中，Kβ射线的波长差异较大，可设法去掉和消弱其强度。由于Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα射线的波长，计算方法如下：λKα=（2λKα1+λKα2）／3至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、Kβ的强度分布如下：Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8由于Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα射线的波长，计算方法如下：λKα=（2λKα1+λKα2）／3至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。典型的X射线谱（含连续谱和特征谱）几种常用阳极靶材料的特征谱参数

三.特征X射线波长与阳极材料的关系式中λ——某线系(α、β)的特征射线的波长Z－－原子序数K，

——为给定的线系的常数。元素Kα1Kβ1Lα1Mα14Be114.0011Na11.9111.5826Fe1.9361.75717.5929Cu1.5411.39213.3435Br1.0410.9338.37555Cs2.89274W1.4766.98383Bi1.1445.118不同元素的特征X射线波长(Ǻ)(1)阳极材料已知时

电子束轰击可以得到已知波长的特征X射线—----用于X射线衍射分析的光源。如，Cu阳极(Cu靶)，得到Cu：λKα1＝1.5405ǺλKα2＝1.5443ǺλKβ＝1.3921Ǻ(2)阳极材料未知时

阳极换成未知样品，则样品中含有那种元素，即可得到那种元素的特征X射线波长，若含多种元素，则得到各该种元素的特征X射线波长。如果能测定出样品产生的X射线波长(或能量)，则可以鉴定出样品中的元素种类(及含量)----EPMA,EDX(Elctronprobemicroscopicanalyzer,EnergydispersiveXrayanalysis)。四.X射线与物质的相互作用(1)相干散射：当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上，则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波--散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将有可能发生相互干涉--相干散射----XRD(Xraydiffraction)。（2）非相干散射(a)光电子当入射X光子的能量足够大时，入射电子可以将原子的内层电子击出使其成为光电子。入射X射线光电子若入射X射线的波长是单色(能量已知)，则被击打出的光电子的能量

为：

＝

入射线的能量－